FRP筋混凝土結構延性及受力性能的研究

王麗麗 馮皓辰 劉慧

摘要：混凝土結構極易開裂，其在惡劣環境中的耐久性問題一直是研究領域中的重點。為此，國內外學者研發了纖維增強復合材料FRP，并將其應用到混凝土結構中，可以有效的提高混凝土結構的耐久性。本文在討論了這種FRP筋混凝土結構延性的基礎上，利用ANSYS分析了不同配筋方案下的受力性能，以便為以后的研究分析提供參考。

關鍵詞：FRP筋混凝土 延性 受力性能

1.概論

混凝土的開裂及耐久性是混凝土結構研究一直是混凝土研究領域重大課題，而惡劣環境中混凝土的耐久性問題尤為突出。在侵蝕性環境中，如經冰鹽處理后的橋梁結構、沿海建筑、化工廠房等，鋼筋銹蝕引起鋼筋截面減小使其與混凝土的粘結性能降低，混凝土沿鋼筋長度方向開裂，其耐久性降低，最終導致結構在設計基準期內失效。因此，混凝土結構在侵蝕性環境中的耐久性問題一直是土木工程領域備受關注的問題。

資料表明，在美國，鋼筋銹蝕導致近1/4的鐵路與公路橋嚴重破壞，修復這些橋梁需投入近400億美元；在歐洲，每年因鋼筋銹蝕導致的經濟損失約15億美元；在英國，海洋工程中鋼筋銹蝕導致近三分之一的混凝土結構需要重建；我國的情況亦不樂觀，2003年的中國腐蝕調查報告表明，我國每年因腐蝕造成的損失近5000億元，其中建筑行業大約為1000億元，占全國年腐蝕損失的1/5，約占全國GDP的1.2%，而我國工業建筑中鋼筋的銹蝕更為普遍，調查結果表明多數工業建筑均達不到設計使用耐久年限。

為此，國內外學者經過半個世紀的研究和探索，研發了纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastic，簡稱FRP），FRP是將纖維植入基體而形成的各向異性復合材料。FRP材料是由纖維、基體、添加劑等按適當比例混合并經特定的加工工藝而成的高性能復合材料。其中，纖維為骨架材料，起傳遞及承擔荷載的作用，基體起粘結作用，并使其具有一定的可塑性。因FRP具有抗拉強度高（約為鋼筋的10-15倍）、重量輕（約為同等直徑鋼筋的1/15-1/17）、免銹蝕、熱膨脹系數與混凝土相近等特點，該材料的出現為克服鋼筋銹蝕、提高混凝土的耐久性提供了理想途徑。在橋梁工程中，FRP筋作為大跨度橋梁的拉索，因其自重小，對提高梁的跨越能力有顯著效果。而對于海洋工程、地錨錨桿等處于惡劣環境下的混凝土結構，FRP筋具有更為廣闊的應用前景[1]。

2. FRP筋混凝土的延性

FRP筋的線彈性、強度高、彈模低等特點使得FRP筋混凝土結構的受力性能有別與鋼筋混凝土結構。為了在實際工程中更好的應用FRP筋，對配有FRP筋的混凝土結構不僅需要研究其受力性能，對其延性性能也需進行研究。

延性是指結構、構件和材料在荷載作用或者其他間接作用下，破壞前承載力不降低或沒有顯著降低時所承受塑性變形的能力[2]。因而延性包含兩個方面：①非彈性變形能力，而且要求強度不會因發生非彈性變形而下降；②吸收能量的能力。

延性差的結構后期變形能力小，設計時需盡量避免結構在達到最大承載力后，突然發生脆性破壞。

由文獻[3]給出的彎矩-曲率曲線圖可知，FRP筋混凝土梁在破壞時發生了較大的變形，但并不意味著它具有很好的能量吸收能力，原因在于FRP筋為線彈性材料，梁在加載后所產生的變形在卸載時會恢復。從彎矩–曲率曲線上觀察，加載曲線與卸載曲線所包圍的面積較小，這說明FRP筋混凝土梁的能量吸收能力較差。

3. 預應力FRP筋混凝土的受力性能

預應力FRP筋混凝土連續梁是FRP筋混凝土結構中的重要構件。國內外學者對預應力FRP混凝土的研究多集中在簡支梁上，連續梁的研究較少。所以，本文采用有限元軟件ANSYS對預應力CFRP筋混凝土連續梁進行在單調靜力荷載作用下的受力性能進行非線性有限元分析，預應力采用降溫法施加，研究只配置預應力CFRP筋的梁Y1和有一定非預應力筋梁Y2在加載過程中各特征荷載、CFRP筋的極限應力、變化情況及其受力性能。

Y-1組中梁的編號分別為h-1、h-2，Y-2組梁中梁a-1、a-2的CFRP筋配筋率不同，其受力過程中各特征荷載如表1。

表1 Y-1和Y2組梁的特征荷載

注：Pcr——開裂荷載；Py——受拉非預應力鋼筋屈服荷載；Pu——極限荷載；σfu——CFRP筋的極限應力；εu——梁破壞時混凝土受壓邊緣的壓應變；σfy——受拉非預應力鋼筋屈服時，CFRP筋的應力；

由極限狀態時CFRP筋的應力及混凝土受壓邊緣的壓應變，可以明確判斷梁h-1、h-2的破壞過程分別如下：

梁h-1：拉區混凝土首先開裂，混凝土受壓區的應變隨荷載的增大而持續增長直至極限壓應變，梁的CFRP筋配筋率較大，最終因混凝土受壓邊緣壓碎而破壞，破壞時CFRP筋未屈服；

梁h-2：拉區混凝土首先開裂，隨著荷載的增大，中和軸不斷上移，最后CFRP筋屈服。梁的CFRP筋配筋率較小，所以梁的破壞源于CFRP筋拉斷，破壞時混凝土受壓邊緣的壓應變未達到極限值。

可見，預應力CFRP筋混凝土連續梁有兩種破壞模式，配筋率較大時，梁因混凝土受壓邊緣壓碎而破壞；配筋率較小時，梁的破壞源于CFRP筋拉斷。梁a-1、a-2破壞過程相同，均是受拉區混凝土先開裂，之后受拉非預應力鋼筋屈服，最后受壓區混凝土達到極限壓應變而破壞，破壞時CFRP筋均未屈服。

參考文獻：

[1]朱虹，錢洋.工程結構用FRP筋的力學性能[N].建筑科學與工程學報，2006，23（3）：27-30.

[2]陳肇元.土建結構工程的安全性與耐久性[M].北京： 中國建筑工業出版社，2003.

[3]嚴錦秀.預應力FRP混凝土受彎構件延性和變形性能分析[D].武漢： 武漢理工大學， 2009-10.