ＦＲＰ筋的特點及其在土木工程中的應用

[摘要] 鋼筋銹蝕一直是影響土木工程結構耐久性的一大不利因素。FRP具有耐腐蝕、抗拉強度高、抗剪強度低、比重小以及彈性模量低等特點，可代替普通鋼筋以克服銹蝕的影響。目前國內外已對FRP進行了較多的材料特性與結構性能研究，并已將FRP成功地應用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭以及加固工程等。文章主要介紹FRP筋的特點及有關FRP筋在土木工程中的應用情況。

[關鍵詞] 纖維塑料筋( FRP) 材料特性 應用

1 前言

混凝土結構、鋼結構以及鋼－混凝土組合結構， 這些結構都有著各自的優勢， 也在土木工程中得到了廣泛的應用，但在工程實踐中也暴露出一些問題， 最突出的問題是， 由于鋼筋或鋼材的銹蝕引起結構過早退化或結構功能不足。在美國， 已確認有40%以上的橋梁屬結構耐久性不足或功能退化。這就要求應盡快發展經濟有效的結構增強方法和新型的高性能結構材料， 以延長結構使用壽命， 提高結構性能。

FRP(Fiber Reinforced Polymer)以高強、輕質、施工方便、抗腐蝕、耐疲勞等優點在土木工程中得到了廣泛的應用。FRP筋作為一種新型材料，具有高強輕質、耐腐蝕等特點，越來越廣泛地應用到基礎設施及海洋工程，以解決因鋼筋腐蝕造成混凝土結構耐久性問題。

2 FRP筋的基本特性

2.1 FRP筋的基本力學性能

FRP筋由高性能纖維和基體材料組成，纖維為增強材料，起加勁作用，基材起粘結、傳遞剪力的作用。纖維的種類主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和混雜纖維，基材主要有聚酯、環氧樹脂、乙烯基酯、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂等。根據連續纖維種類的不同，現在常用的FRP筋主要有玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）、芳綸纖維增強塑料筋（AFRP筋）和混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）。不同類型的FRP筋性能有所不同，但是作為新型復合材料用于土木工程中，它們之間存在較多的共性。其優點主要有[1]：

1) 密度小，質量輕。FRP筋的密度一般僅為鋼筋的1/ 6～1/4，有利于減輕結構自重，方便施工。FRP 索用作大跨度橋梁的懸索或斜拉索，可以顯著提高橋梁的跨越能力。

2) 順纖維方向抗拉強度高。遠高于普通鋼筋，與高強鋼絲或鋼絞線相近。

3) 耐銹蝕。FRP筋不會像鋼筋那樣因銹蝕而破壞，因此適合在腐蝕環境中工作，結構耐久性好，后期維修成本低。

4) 電磁絕緣性好。FRP筋無磁感應，代替鋼筋使用后可使結構滿足特殊要求。

5) 減振性能好。復合材料自振頻率高，可避免早期共振；同時，復合材料的內部阻尼也很大，一旦激起振動，衰減也快。

6) AFRP筋和GFRP筋具有低傳熱性和低導電性，可用于對傳熱和導電有特殊要求的場所。

7) 作為一種復合材料，FRP筋具有可設計性，可以根據不同的需求加工成性能差異很大的產品。

FRP筋也存在一些不足之處，主要有：

1) 無塑性。FRP筋的應力－應變關系始終為線彈性。

2) FRP筋的極限延伸率遠低于鋼筋。CFRP筋的極限延伸率最小。

3) FRP筋的彈性模量比鋼筋低。雖然FRP筋的彈性模量范圍很寬，但常用CFRP筋、AFRP筋和GFRP筋的彈性模量大致分別為鋼筋彈性模量的75％、35％和20％。

4) 抗剪和抗壓強度較低。FRP筋是各向異性材料，軸向抗壓、橫向抗壓和抗剪性能較差，橫向抗剪強度僅為縱向抗拉強度的1/10左右。

5) 溫度膨脹系數與混凝土之間存在一定的差別。CFRP 筋的軸向溫度膨脹系數較低，AFRP筋的軸向溫度膨脹系數甚至為負數，GFRP筋的軸向溫度膨脹系數則與混凝土差不多。溫度變化會引起CFRP筋預應力混凝土和AFRP筋預應力混凝土的預應力損失，而傳統預應力混凝土結構則無此損失。FRP筋橫向溫度膨脹系數均較大，溫差作用有可能造成FRP筋與混凝土間粘結的破壞或混凝土的脹裂，影響結構的耐久性。

6) 熱穩定性較差。當超過某一溫度范圍，FRP筋的抗拉強度將有所下降，抗剪強度和粘結強度則顯著下降，因此FRP筋不宜應用于60°C 以上的高溫環境，此外，FRP 筋不耐火，其防火保護要求比鋼筋更為嚴格。

7) 不便現場加工。FRP筋雖可制成任意形狀、如直線形、直線帶90。彎鉤或矩形箍筋等。但由于在生產FRP筋時，均采用熱固性樹脂制作，因而一旦成形后，一般在施工現場將難以改變其形狀。

8) 成本較高。生產制作工藝較復雜，一般需專門的長線擠拉臺座才能完成。單位質量的FRP筋的價格約為鋼筋的8～12倍。不過FRP筋的密度大約是鋼筋的四分之一，這樣，單位體積FRP筋的價格約為鋼筋的2～3倍。當然，隨著FRP筋制作工藝的改進和FRP材料的大批量生產，其價格也將會隨之降低。

2.2 FRP筋與鋼筋的區別

FRP筋的力學性能與鋼筋有所不同，表1為各種FRP筋與鋼筋力學性能指標。

圖1為GFRP筋與普通鋼筋、冷拉鋼絲的應力－應變曲線。從應力－應變曲線可以看出，在達到極限抗拉強度之前，GFRP筋的應力應變基本呈線性關系，無塑性變形發生。

3 FRP筋在土木工程中的應用

FRP筋可以應用于橋梁、各類民用建筑、海洋和近海、地下工程等結構中。FRP筋具有抗腐蝕能力，可用于化工廠、廢水處理廠、海堤、碼頭、水下結構等；具有較小的彈性模量及低松弛性能，用作預應力筋，可以降低由于混凝土徐變和收縮引起的預應力損失，還可減小由于預應力筋松弛引起的預應力損失。工程實踐表明，FRP筋能夠適應現代工程向大跨、高聳、重載、輕質高強發展及承受惡劣條件的需要，符合現代施工技術的工業化要求。

3.1 FRP筋在橋梁中的應用[2-4]

目前，世界各地都存在橋梁和道路工程中鋼筋混凝土的腐蝕問題。僅加拿大就有20多萬座橋梁和結構物需要解決承載能力不能滿足使用要求的問題。早在1969年，CFP筋就開始應用于工程實際，最具有代表性的當數瑞士的依巴赫橋。此橋為一多跨箱形連續梁預應力混凝土結構，全長228m，箱形截面寬16m，高152m，中間有一縱肋，將箱形截面分為兩孔。該橋在安裝新的交通信號設備時在箱梁邊肋上鉆孔時，不慎將長39m跨的預應力鋼筋損壞，重載車不能通行，必須加固維修。因為橋位于繁忙的公路上，加固工作只能在夜間進行。在加固時對究竟采用鋼筋還是CFRP筋進行了比較。由于采用CFRP網扳的重量僅為鋼材重量的3.5%，并且可以采用移動平臺施工，無需搭設腳手架，所以最后確定采用碳纖維網板進行加固。加固時共布置了三層碳纖維網板于梁的下部作為附加受拉筋，其中二層厚度為1.75mm，一層厚度為2.0mm。CFRP網板的軸向抗拉強度為19000MPa，彈性模1.29×105MPa。竣工后，采用840KN的重載車對加固跨進行了荷載試驗，結果表明采用CFRP網板加固的效果令人滿意。

1993年，在加拿大西南部城市卡爾加里，用混有光纖傳感器的FRP筋建造了世界上第一座FRP筋增強混凝土橋[2]。在美國使用FRP筋的最大工程項目是西弗吉尼亞州的Mackinleyville橋，這是美國第一座使用FRP筋增強橋面板的公路橋。美國的RJD工業公司采用FRP筋已在伊利諾斯州、衣阿華州和威斯康星州的公路上投入應用。1980年，德國在一座實驗性人行橋上采用了玻璃纖維增強筋；1986年在杜塞爾多夫一座通行重型貨車的橋梁上使用了玻璃纖維增強預應力筋；1991年在路德希港建造了一座跨度80m的預應力碳纖維增強的混凝土橋梁。德國的美里恩費爾得人行橋建于1988年，該橋的特點是在梁的外側布置了GFRP預應力筋，充分利用了這類材料不怕腐蝕的特性。橋為兩跨雙T形截面梁，跨度分別為22.98m和27.6lm，梁高1.1m，在兩跨雙T形截面梁上配有七根GFRP預應力筋。GFRP預應力筋在支座處布置在梁的上部，跨中布置在梁的下部。預應力筋在梁端錨固于十字梁上。竣工后進行了荷載試驗和實測分析，在橋面覆蓋5層250mm厚的混凝土板，相當于全部交通荷載的的兩倍，加載時利用預埋的光纖維量測器進行了全面的測量，其中包括量測預應力筋的應力變化和跨中度等，所測指標完全符合預定要求。1989年，CFRP作為預應力筋應用于一座雙跨預應力混凝土橋梁上，地點在日本的Kitakyusyu市。該橋12.3m寬，35.8m長，結構上由一跨18.25m 的先張大梁和一跨17.55m 后張大梁組成，CFRP 作為預應力筋用于后張大梁上。歐洲其他國家如英國、法國、荷蘭和挪威等也進行了研究及應用。

3.2 在海港碼頭的應用

在日本的Niihama市，Sumitomo化工有限公司興建了一座海港碼頭，該碼頭的預應力混凝土面板的板寬為13.8m，長度為61m ，在寬度方向上是由17 根簡支空心梁組成，在長度方向上共分5 跨，其中4跨的預應力混凝土空心梁采用了高強鋼絞線作預應力束，另一跨的預應力混凝土空心梁采用了AFRP作預應力束(跨度9m)。碼頭建成后，進行了50t的起重機和35t的挖土機的荷載試驗，經實測分析，完全滿足使用要求[4]。

4 應用上存在的問題

FRP筋在許多方面都獲得了應用，但與鋼筋相比，雖然有強度高、不會因氯化物離子而發生劣化等優點，但是在實際工程的應用上也還存在一些問題。

4.1 FRP材料本身也具有一定的缺陷，盡管抗拉強度高，通常可達3000MPa左右，但其彈性模量與強度的比值較低，因而纖維必須在相當大的變形下才能充分發揮其高強特性。大量試驗結果表明，FRP僅在構件受拉鋼筋屈服后才發揮出較大的作用，纖維的實際強度利用率很低。因此預應力FRP筋也逐漸得到廣泛的應用。但是相應的錨具、施工方法等還尚未成熟，有待于進一步研究。

4.2 FRP筋壓縮強度與其拉伸強度相比而言較低。因此，傳統的設計方式不再有效。在圓柱四周包繞FRP的效果研究表明，這會引起斷裂荷載和斷裂應變的增加，在設計中需要考慮。

4.3 耐火性不如鋼材，在設計某些類型的建筑物時需要考慮。

4.4 FRP筋與混凝土的粘結錨固性能。表面光滑的FRP筋與混凝土之間的粘結強度僅是鋼筋與混凝土粘結強度的10%～20%，并不適合作為結構構件的受力筋。因此，如何改變FRP筋的表面狀況，加強FRP筋與混凝土自然粘結是一項重要的研究課題，也是解決兩者之間粘結性能的關鍵所在。由于FRP 筋與混凝土界面處的內部滑移難以測定，目前多利用平均粘結應力與試件加載端或自由端的滑移繪制的關系曲線，并得到FRP 筋與混凝土的粘結本構關系。顯然，這個關系并不能反映粘結滑移沿FRP 筋錨固長度變化的規律，也不能描述粘結滑移剛度退化的現象。因此，應研究隨不同位置變化的FRP筋與混凝土的粘結滑移性能和規律。

5 結論

FRP具有耐腐蝕、抗拉強度高、抗剪強度低、比重小以及彈性模量低等特點。因此，FRP筋可用作大跨度橋梁的懸索和斜拉索，充分發揮其自重小的優勢，顯著提高橋梁的跨越能力。FRP筋也可以配置于混凝土結構體內或體外作為加強筋或預應力筋，或者用作土層錨桿、巖石錨桿，從而替代鋼筋應用于惡劣環境中而不被腐蝕，在新建結構和既有結構加固改造中具有廣闊的應用前景。但是FRP筋的性能與普通鋼筋的性能還存在較大的區別，包括力學性能、粘結滑移性能等，而且也存在一些不足，因此還有待于大量的研究。

參考文獻

[1] 朱虹， 錢洋. 工程結構用FRP筋的力學性能[J]. 建筑科學與工程學報， 2006， 23(3):26-31.

[2] 薛偉辰，康清梁. 纖維塑料筋在混凝土結構中的應用[J]. 工業建筑， 1999， 29(2):19-21.

[3] 李義， 費傳軍. 纖維增強復合材料（FRP）筋在土木工程中的應用[J]. 玻璃纖維， 2005， (3).

[4] 錢銳， 茅衛兵. 國外對沉凝土結構中新型材料FRP筋的研究及應用[J]. 江蘇建筑， 2001， (1):28-33.