CFRP筋混凝土研究綜述★

李劍鋒 陳剛 彭藝剛 江世永 葉泳 何讓鵬

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院務(wù)部，北京 100850;2.成都軍區(qū)政治部辦公室，四川成都 610011;3.廣州軍區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站，廣東廣州 510075;4.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311;5.總后建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院武漢分院，湖北武漢 430012)

1 CFRP筋材料特性

CFRP 筋總體上具備以下優(yōu)點(diǎn)［1，2］:1)抗拉強(qiáng)度高，CFRP 筋的抗拉強(qiáng)度是鋼筋的5倍～10倍;2)無(wú)磁性，CFRP筋具有良好的透波性和非磁性，可應(yīng)用于特殊要求的領(lǐng)域，比如地震觀察臺(tái)和海軍潛艇基地;3)耐腐蝕性能好，纖維和樹脂材料本身都具有極強(qiáng)的抗腐蝕性，因此在腐蝕性的環(huán)境中，CFRP筋的耐久性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通鋼筋;4)彈性模量高于其他纖維筋材料;5)密度小，其密度約為鋼筋的1/4，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重。

根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，CFRP筋在土木工程領(lǐng)域不僅可以應(yīng)用于全無(wú)磁建筑或建筑物加固，還可以用于以下方面［3］:

1)海洋工程的應(yīng)用。由于海水具有極強(qiáng)的腐蝕能力，因此海洋基礎(chǔ)設(shè)施防腐尤為重要。2)巖土工程中的應(yīng)用。CFRP筋的抗拉強(qiáng)度高，但抗剪、抗扭強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的10%，故CFRP筋在巖土工程中既可以利用其高強(qiáng)度又可利用其弱抗剪性能，便于后期鏟除巖土中的筋材。3)特殊工程中的應(yīng)用。CFRP筋輕質(zhì)高強(qiáng)及耐腐蝕性好，在各種特殊工程中能得到很好的應(yīng)用。如鹽廠、化工廠等，還可以用于有機(jī)物含量較多或腐蝕性較強(qiáng)的深井、地下室和隧道等。

2 非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土受彎構(gòu)件研究現(xiàn)狀

國(guó)外專家學(xué)者 C.Barris，R.Masmoudi，Hall.T，Abdalla.T.A，Yost.T.R等人進(jìn)行了大量非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP混凝土梁的撓度是相同配筋的鋼筋混凝土梁的3倍～4倍，且裂縫寬度也大于鋼筋混凝土梁。

國(guó)內(nèi)學(xué)者高丹盈等［9-12］進(jìn)行了非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁方面的試驗(yàn)，結(jié)果表明，非預(yù)應(yīng)力梁裂縫寬度大，且脆性破壞。唐小林等人［13］針對(duì)1根鋼筋混凝土梁和4根CFRP筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，雖然CFRP筋混凝土梁承載力較高，但撓度大于相同配筋的普通鋼筋混凝土梁。李加貴［14］、李炳宏等人［15］通過(guò)對(duì)CFRP筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁作對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)RP配筋梁比普通鋼筋混凝土梁裂縫寬度大，撓度也明顯發(fā)展更快。

因此，F(xiàn)RP筋應(yīng)用于非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，就不能按照普通鋼筋混凝土梁界限配筋率法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而應(yīng)根據(jù)其滿足正常使用狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算配筋。FRP筋的強(qiáng)度得不到發(fā)揮，導(dǎo)致材料浪費(fèi)。而施加預(yù)應(yīng)力后，F(xiàn)RP筋對(duì)梁的預(yù)壓力能有效限制剛度的降低和裂縫的發(fā)展，且FRP筋的高強(qiáng)度特性也可以得到充分利用。綜上所述，F(xiàn)RP筋比較適宜應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土領(lǐng)域。

3 預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁研究

Rizkalla.S等［16］研究了預(yù)應(yīng)力碳纖維筋混凝土梁的抗彎性能，結(jié)果表明，當(dāng)梁的破壞由受壓區(qū)混凝土被壓碎控制時(shí)，預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的極限變形和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁相當(dāng)，而當(dāng)梁的破壞由CFRP筋斷裂控制時(shí)，梁的極限變形則低于相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁。Stoll.F等［17］對(duì)CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，以混凝土強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力水平為變量，結(jié)果顯示，預(yù)應(yīng)力CFRP筋的斷裂引起了梁的最終的破壞，且破壞前有明顯的預(yù)兆。

3.2 國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力FRP 筋混凝土梁研究

薛偉辰和張雷忠［18，19］對(duì)預(yù)應(yīng)力梁的受彎性能及破壞過(guò)程進(jìn)行了研究，通過(guò)改變受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋的種類和預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量對(duì)新型FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:針對(duì)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的極限承載力和正截面抗裂度的計(jì)算均可參照預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土規(guī)范，但截面界限受壓區(qū)高度的正確取值問題需要重新考慮。

薛偉辰等通過(guò)6根梁試件的單調(diào)加載靜力試驗(yàn)，對(duì)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的受力過(guò)程、抗彎承載力、位移延性、變形特性和破壞形態(tài)等進(jìn)行了研究，并利用ANSYS工程分析軟件對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行了非線性有限元分析。結(jié)果表明:按配筋率的不同，梁試件的破壞模式分為受拉破壞和受壓破壞兩種;預(yù)應(yīng)力碳纖維筋混凝土梁受力性能良好，具有較大的位移延性和變形能力;隨著張拉控制應(yīng)力和配筋率的提高，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;與非預(yù)應(yīng)力配筋為鋼筋的梁試件相比，玻璃纖維塑料筋梁的位移延性和變形能力較低。

湖南大學(xué)楊劍進(jìn)行了16根先張預(yù)應(yīng)力T形截面梁試驗(yàn)研究，試驗(yàn)考慮的主要參數(shù)為預(yù)應(yīng)力筋類型、混凝土種類、預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)方式、張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力度、梁高跨比和翼緣寬等。試驗(yàn)表明，配置CFRP筋的部分粘結(jié)、部分預(yù)應(yīng)力梁有較好的延性性能和變形能力。在相同的荷載作用下，完全粘結(jié)梁的應(yīng)力增量大于部分粘結(jié)梁的應(yīng)力增量;在相同的應(yīng)力增量下，部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁比完全粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁具有更大的變形能力。

張鵬進(jìn)行了18根部分粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的試驗(yàn)研究，變化參數(shù)為預(yù)應(yīng)力度及預(yù)應(yīng)力筋無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度與試件凈跨之比。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度小于兩加載點(diǎn)距離時(shí)，極限承載力和CFRP筋極限應(yīng)力為定值，且對(duì)每一個(gè)預(yù)應(yīng)力度值跨中撓度基本是常數(shù);當(dāng)無(wú)粘結(jié)部分超出兩加載點(diǎn)時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力隨無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而降低，降低的比例隨預(yù)應(yīng)力度的降低而減少。

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我們發(fā)現(xiàn)非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土受彎構(gòu)件在應(yīng)用中存在兩個(gè)問題。1)纖維筋的高強(qiáng)度特性不能得到充分發(fā)揮，當(dāng)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變的時(shí)候纖維筋還未達(dá)到極限強(qiáng)度。2)受彎構(gòu)件在正常使用階段的工作性能如梁裂縫和撓度均得不到有效限制，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者停留在混合配筋的矩形梁試驗(yàn)，對(duì)縱筋和箍筋均采用CFRP筋尚無(wú)研究，采用T形截面預(yù)應(yīng)力碳纖維筋，既利用了碳纖維筋高強(qiáng)度特性，還可以改善FRP筋混凝土梁的正常使用階段的工作性能。

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