FRP筋在綜合管廊結構中的應用

鄒 桐，李雅婷

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

引 言

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱“FRP”），是由連續纖維和基體樹脂經過特殊工藝復合而成的高性能材料，其制品形式主要有片材、型材、筋材、網格材等。自20世紀60年代開始，隨著復合纖維材料的出現，其耐腐蝕的特點為解決鋼筋銹蝕問題提供了理想的途徑。目前 FRP筋在混凝土結構中代替鋼筋，可以發揮其輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞、無磁性等優點[1]。在高腐蝕、防電磁干擾環境中具有不可替代的作用。同時隨著材料技術、制作工藝的發展，其經濟性也在逐步提升，不僅體現在材料價格逐漸降低，其輕質的特性也有助于勞動力的解放，具有較高的應用價值。

本文針對洋山四期工程綜合管廊結構，運用FRP筋混凝土結構實現結構重載、防磁設計要求，并探討了 FRP筋混凝土結構的設計原理，存在問題，并結合工程實施過程中GFRP筋強度、耐久性等試驗驗證設計原理，提出優化建議，為后續FRP筋混凝土結構的工程應用積累工程實踐經驗。

1 FRP筋的特點

1）抗拉強度高

FRP筋抗拉強度明顯高于普通鋼筋，與高強鋼絲相近，彈性模量約為鋼筋的25 %。材料呈現各項異性，順纖維抗拉強度遠高于其抗剪強度。但由于材料的應力-應變關系始終為直線，沒有明顯的屈服點，因此破壞模式呈脆性破壞。

2）質量輕

FRP筋為人工合成材料，密度小。各類 FRP鋼筋的密度一般在1.3～1.7 kg/m3之間，僅為鋼筋密度的20 %左右。使得運輸成本大大降低，同時便于施工，減少安裝時間。

3）抗腐蝕

各種 FRP筋均具有良好的抗腐蝕能力，根據研究其在PH值3～13的鹽、堿環境中不會出現腐蝕，因此對于港口工程中長時間處于潮濕、海洋環境中的構建，是鋼筋較為理想的替代材料。

4）電磁絕緣

FRP筋由樹脂、復合纖維組成，無磁感應，代替鋼筋使用后可使結構滿足特殊要求。如自動化碼頭磁釘防干擾的需求、雷達站、地磁觀測站、醫療核磁共振設備結構等，具有替代的唯一性。

5）適用性強

可設計性強，可根據使用環境及使用要求進行針對性的設計，通過調整纖維、粘結材料的配比加工成性能各異產品，滿足各類結構使用需求。

2 工程背景

洋山四期工程是目前中國最大、最先進的全自動化港區，場地地坪通過埋設定位磁釘，引領無人駕駛的AGV車輛完成港區的全部裝卸作業，相比于常規港區AGV重載區存在2大不同點：①結構防磁要求：地面以下一定深度內不能有影響磁釘定位感應的金屬；②AGV小車輪壓較大（25 t/輪），遠超常規集卡（7 t/輪），且荷載作用頻率頻繁。

本工程綜合管廊正位于海側交換區，是 AGV作業車輛進出各箱區的必經之路，管廊貫穿61條箱區，總長2 300 m，綜合了供電、通信、光纜、排水等數種功能。綜合管廊共分為三倉、兩層，管廊頂寬3.4 m，底寬1.4 m。深4.25 m。底倉主要為排水功能，匯集各箱區雨水、排出，頂倉則主要布置為各類管線。

根據AGV車輛作業需要，綜合管廊頂板結構需考慮防電磁干擾。在此情況下采用 FRP筋替代常規鋼筋是一種較為理想的方案，不僅能解決自動化港重載區防磁的需求，還可以有效解決港口工程海洋環境中，混凝土結構耐久性的鋼筋銹蝕問題，延長其使用壽命。

圖1 綜合管廊結構示意

3 FRP筋混凝土結構的設計

3.1 FRP筋的選擇

在 FRP筋混凝土結構中，常用的筋材種類有玻璃纖維增強聚合物（GFRP）、芳綸纖維增強聚合物（AFRP）以及碳纖維增強聚合物（CFRP），筋材抗拉強度依次增加。但由于 FRP筋普遍抗拉強度較高，即便是抗拉性能相對較弱的GFRP筋其抗拉強度也遠高于鋼筋，同時考慮到GFRP筋具有相對的價格優勢，因此建議在一般混凝土結構中FRP筋的選擇依次為GFRP筋、AFRP筋、CFRP筋。

GFRP筋分為耐堿和不耐堿兩種形式，不耐堿的GFRP筋在堿性環境中性能會顯著降低，因此在FRP筋混凝土結構中應選用耐堿類型的GFRP筋。同時混凝土結構中筋材強度的發揮受制于筋材粘結、錨固性能，作為主要受力筋，不應選用光圓鋼筋。本工程中采用表面噴砂纏繞的螺紋式FRP筋，以增強GFRP筋與混凝土的粘結效應。

3.2 設計要點

根據《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》（GB 50608-2010）[2]（簡稱規范）要求，FRP筋混凝土結構設計時與鋼筋混凝土結構同樣需進行正常使用極限狀態的裂縫寬度驗算、變形計算和承載能力極限狀態驗算，區別主要體現在以下幾點：

1）與常規鋼筋混凝土結構0.2 mm的控制裂縫寬度不同，由于 FRP筋具有較強的防腐蝕性，裂縫寬度主要取決于安全感和美觀的要求，因此最大裂縫寬度限制放寬至了0.5 mm。

2）傳統的鋼筋混凝土受彎構件設計中，通過控制結構的配筋率體現延性的設計理念。依據配筋率來控制結構不同的破壞形態。而在 FRP筋混凝土受彎構件中，破壞同樣分為兩種形態：筋材被拉斷以及混凝土被壓碎。但由于 FRP筋自身是一種彈脆性材料，沒有屈服階段，因此兩種破壞形態都近乎脆性破壞。但考慮到結構在破壞前也存在可辨識的條件（如混凝土壓碎、裂縫寬度變大等），因此兩種破壞模式都是允許的。同時國外規范中也提供了另外一種設計思路，在美國ACI 318規范以及CSAA 806加拿大規范中，建議采用超筋的設計理念，使混凝土臨界狀態時發生壓碎破壞，從而在結構崩潰前提供更多的明顯、易辨識的預警，在目前FRP材料性能還不穩定、設計理論還不完善的前提下，作者認為提高配筋率是更為穩妥的設計方案。

3）由于GFRP筋的彈性模量較低，因此FRP筋混凝土構件的設計中，裂縫寬度和撓度往往成為設計控制因素，因此 FRP筋混凝土構件設計時可首先進行正常使用極限狀態的裂縫寬度和變形計算，算得需要的 FRP筋的截面面積后，再進行承載力極限狀態的驗算，這與常規鋼筋混凝土結構配筋驗算是有所區別的。

4）GFRP筋的設計參數因其自身的材料特性，還需考慮環境影響系數和徐變斷裂折減系數，以提高結構的安全可靠度。

5）由于FRP筋材料的各項異性，以及目前合成材料制作工藝的限制，會存在一些特殊應力狀態、特殊部位的薄弱點，設計時應有所考慮。

3.3 強度折減系數的選取

在 FRP筋混凝土結構設計中，筋材的抗拉強度設計值是重要的設計參數，其表達形式為：

式中：

γf為材料分項系數，是考慮了材料制作工藝，以及FRP筋脆性破壞特性的折減系數；

γ3為材料環境影響系數，是考慮FRP筋在長期所處環境的酸堿鹽、濕度、溫度、日照等作用下性能出現的不同程度降的折減系數。

根據本工程海洋環境的特性以及筋材的制作工藝選取材料系數1.25，環境系數取值為1.6。經計算折減后的FRP筋強度設計值約為標準值的45 %，可見在目前材料制作工藝尚不成熟，材料穩定性仍有待驗證的情況下，為確保結構安全，規范[2]還是體現了安全第一的較為保守的設計理念。但隨著設計體系的完善以及制作工藝的提升，相信未來FRP筋材料強度扔有較大潛力可發掘。

3.4 徐變斷裂折減系數

徐變斷裂是指 FRP筋在永久荷載長期作用下發生突然斷裂的現象，這是FRP材料特有的問題。為保證 FRP筋在結構設計基準期內不發生斷裂，其長期承受的應力不能大于某一限值。因此規范[2]規定了長期作用下筋材內力的最大值，但由于目前關于筋材徐變斷裂破壞機理的研究還不盡充分，關于徐變折減系數的取值尚未得出統一的結論，故為安全起見，徐變折減系數的取值趨于保守，根據規范[2]，本工程環境下，筋材在長期作用下拉應力不應超過抗拉強度標準值的17.8 %。但由于本工程控制荷載為活荷載，長期作用荷載折減較大，同時FRP筋自身強度較高，因此并不影響常規設計，而如果是在以恒荷載為控制工況的結構驗算時或對于 FRP預應力結構來說，徐變因素則是結構安全決定性的因素，不容忽視。

表1 FRP筋的徐變斷裂折減系數

3.5 計算模型

1）計算模型

綜合管廊頂板可簡化為兩端固結的兩跨簡支梁。取每延米板寬作為計算單元。

2）設計荷載

管廊頂板承受如下荷載：

①永久荷載：頂板自身重力；

②活荷載：AGV小車輪壓，根據車輛軸距，管廊頂板單位板寬最大輪壓取25 t。

圖2 管廊頂板計算模型

3）材料特性

本工程初步選用直徑20 mm的GFRP筋材，根據規范[2]設計強度標準值為600 MPa，經材料、環境修正后的抗拉強度設計值取300 MPa。

4）管廊頂板內力計算

①彎矩

根據上述簡支梁模型，考慮流動荷載最不利位置作用，計算得管廊頂板結構彎矩如圖3所示，最大彎矩發生在鄰近荷載作用點的固定端，最大彎矩Md=99 kN·m。

圖3 管廊頂板彎矩分布

②剪力

FRP筋抗剪性能較弱，彎折后強度更會顯著下降，因此本次管廊頂板配筋未考慮設置抗剪彎起鋼筋及箍筋，僅依靠混凝土截面自身抗剪強度抵抗截面剪力，不進行筋材的抗剪驗算。同時將縱向筋對于混凝土界面抗剪性能的提高作為結構安全儲備。（El-Sayed等[3]對無腹筋的GFRP筋的斜截面承載力進行的對比研究表明，縱向鋼筋的配筋率越大，梁的斜截面承載力越高）。

3.6 結構設計

1）裂縫寬度計算

根據 FRP筋混凝土結構受彎構件設計體系，可先進行結構裂縫寬度的驗算。FRP筋混凝土結構最大裂縫寬度的計算與鋼筋混凝土結構基本相同，對于是選用鋼筋還是 FRP筋計算裂縫寬度的區別主要是構件受力特征系數以及鋼筋的相對粘結特征系數。對于受彎構件，鋼筋混凝土結構可取1.9，而FRP筋結構取2.1，筋材的粘結系數在沒有具體實驗資料的情況下，FRP筋取0.7，與光圓鋼筋的粘結系數相同。因此 FRP筋計算的最大裂縫寬度較鋼筋混凝土結構大10 %～30 %。

依據初步選定的φ20間距130 mm進行驗算，結構最大裂縫寬度ωmax)為 0.283 mm，小于0.5 mm，滿足規范要求。

2）撓度的計算

規范[2]中對于 FRP筋撓度的計算原則與鋼筋混凝土完全相同，經計算結構最大撓度0.455 mm，小于受彎構件極限撓度l0/200=5.5 mm，滿足規范[2]要求。

3）內力配筋驗算

在裂縫及撓度滿足的前提下，對截面彎矩進行配筋驗算。FRP筋配筋驗算流程如圖4所示。

通過計算，當主筋采用φ20間距130 mm布置時，實配鋼筋面積2 417 mm，筋配筋率0.8 %，滿足設計要求。

圖4 內力配筋驗算流程

4 FRP筋性能實測

對比鋼筋混凝土結構，FRP筋混凝土結構的設計體系尚不完善，工程實踐經驗較少，因此在本工程的實施階段，為進一步驗證設計的合理性，以及積累材料的物理、力學性質數據，進行了一系列的室內試驗。室內試驗結合港口工程海洋環境特點，圍繞材料強度特性、耐久性進行研究。

4.1 耐久性測試

耐久性測試主要是針對 GFRP筋的使用環境情況依據材料老化試驗規程對工程用 GFRP筋在鹽、堿環境中浸泡不同齡期后抗拉強度的損失情況進行試驗。取φ16的GFRP筋分別進行了3種情況下的加速老化測試，測試結果見表2～表4。

表2 在60 ℃鹽溶液中浸泡抗拉強度檢測結果

表3 在60 ℃堿溶液中浸泡抗拉強度檢測結果

表4 在60 ℃堿+鹽溶液中浸泡抗拉強度檢測結果

根據美國 University of Missouri-Rolla的Francesco Micelli在 2001年發表的《Mechanical Properties and Durability of FRP Rods》專著提出，FRP材料加速腐蝕浸泡齡期與材料正常使用條件下的使用壽命遵循下述關系：

式中：

N為FRP材料在正常環境下的使用壽命；

C為FRP材料在加速腐蝕條件下浸泡的齡期；T為加速腐蝕試驗溫度。

該模型基于美國當地平均氣溫12 ℃，與本工程區域年平均氣溫相近，可類比分析。

通過上述公式換算，試驗條件下加速腐蝕 90天，即相當于FRP筋在正常條件下使用壽命60年，從三組試驗數據上看材料強度保留率均能達到85 %以上。加速老化6個月后（相當于正常使用條件下約122年）強度保留率為70 %以上。對比規范[2]，當環境影響系數取 1.6時（對應海洋環境），折合為強度保留率為65 %，與試驗數據基本吻合。

根據試驗分析，由于材料的耐久性與設計使用年限緊密相關，從試驗數據可以看出，當使用壽命在60年以內時，材料的強度保留率可控制在85 %以上，而規范[2]中并未區分。因此如果能將環境影響系數依據結構的設計使用年限進行細分，可變相的提高材料強度設計值，從而節省工程投資。

4.2 抗拉強度測試

FRP筋根據其纖維材料、粘結材料、制作工藝，尤其是纖維摻量的不同會導致 GFRP筋抗拉強度有較大差異，掌握工程中實際應用的GFRP筋抗拉強度特性，并與設計理論參數值進行對比，對確保結構安全，積累 FRP筋設計經驗都具有一定的現實意義。圖5為φ20 GFRP筋抗拉強度實測值及工程試驗照片。

圖5 GFRP筋抗拉強度測試

表5 φ20 FRP筋抗拉強度、彈性模量實測值

從實驗結果可以看出，實測GFRP筋的抗拉強度可以達到900 MPa左右，超出規范[2]中推薦選用的材料抗拉強度標準值（600 MPa）近50 %。分析原因，一方面 FRP筋是一種人工合成材料，其抗拉強度隨著纖維材料、粘結材料的不斷發展，也在不斷提高，相信隨著制作工藝的成熟、新材料新技術的應用，今后 FRP筋的材料強度會繼續提高。另一方面也正是因為不同材料、不同工藝導致的材料強度的差異較大，也使得規范[2]中只能選擇更為保守的取值原則，來確保規范[2]的通用性，但對于具體工程而言，建議可提前通過實驗掌握具體材料的力學特性，根據實測值優化設計，避免材料強度的浪費。

4.3 FRP筋彎折后的強度折減

FRP筋是一種各向異性的合成材料，其垂直于纖維的強度遠遠低于順纖維強度，而當筋材彎折后，在彎曲段將產生復雜的應力狀態，強度答復降低，產生這種現象主要有以下兩個原因：

首先由于目前 GFRP筋的生產工藝基本為熱塑性擠拉工藝或熱塑性擠拉纏繞工藝，彎曲這個環節的制作質量水平起伏較大，會出現鼓包、扁平等現象，截面形態的變化將會引起GFRP筋應力狀態的變化。

其次在 FRP筋彎折后位于曲率中心一側的纖維會發生蜷曲，從而可能導致纖維失效[4]，如圖6所示。

圖6 FRP筋彎折部位受力狀態

根據相關研究彎折后的筋材抗拉強度僅為直筋抗拉強度的30 %～80 %。其次FRP筋的彎折半徑對彎折后的筋材強度也起著決定性的作用。彎折半徑與筋材直徑的比值越大，其抗拉強度越接近直筋強度。因此在 FRP筋混凝土結構的設計過程中對于受力鋼筋錨固長度，以及箍筋的設計中，應考慮彎鉤對筋材抗拉強度的削弱。而筋材直徑越粗，其抗拉強度受彎折影響也就越大。因此在工程設計中應盡可能的遵循“小直徑、密布”的配筋原則，既可減少筋材彎折對強度的折減性，同時也更有利于結構裂縫寬度的控制。

圖7 筋材彎折試驗

5 結 語

隨著材料技術、制作工藝以及設計理論的不斷完善，纖維增強復合材料（FRP）已漸漸具備全面應用與結構建設的階段。FRP筋具有輕質、高強的特性，特別是其良好的抗腐蝕性、耐久性以及防磁性，使其在一些特定環境的結構設計上具有不可替代的作用。但同時作為一種人工合成新材料，要想完全替代鋼筋，仍需要大量的理論研究、工程實踐作為支撐。本文在規范[2]的指導下，利用FRP筋替代鋼筋，實現了重載作用下管廊抗磁頂板的結構設計，管廊結構使用安全、板頂預埋定位磁釘無電磁干擾，設備運行良好。歸納、總結設計經驗如下：

1）FRP筋抗拉強度較高，結構最大裂縫寬度的控制往往決定了結構配筋。因此在 FRP筋混凝土結構的設計中，可優先進行正常使用極限狀態的裂縫驗算再對承載能力極限狀態進行復核。

2）FRP筋作為一種各向異性的人工合成材料，其抗剪性能遠低于其抗拉性能，同時目前 FRP筋抗剪強度以及破壞機理仍有待研究，因此對于重要結構現階段不建議將 FRP筋作為抵抗剪切作用的主要構件。其脆性破壞模式以及強度的折減不利于結構的安全。

3）本工程通過GFRP筋的加速老化試驗，得到筋材在鹽、堿環境中抗拉強度的變化，折合正常使用環境下，持久狀態筋材強度保留率約70 %與規范[2]中環境影響折減系數折算強度保證率接近（65 %），因此規范中采用的環境影響系數是合理且必要的。同時根據實驗結果正常使用狀態下筋材60年強度保留率約85 %，如同樣采用規范中環境折減系數，則略顯保守，因此建議對于明確設計使用年限較短的非重要結構構件，可根據設計使用年限調整環境折減系數。

4）本工程 GFRP筋的抗拉強度實測值可達900 MPa左右，超出規范[2]中推薦選用的材料抗拉強度標準值（600 MPa）近50 %。究其原因主要是由于目前新材料、新技術的不斷升級，材料性能逐步提高。因此建議對于擬大量應用FRP筋的工程，應提前通過實驗掌握具體材料的力學特性，優化結構設計。

5）由于目前FRP筋制作工藝的限制，其彎折后，截面形態、彎折區的應力狀態性都將發生改變，成為筋材力學性能的薄弱點。因此在 FRP筋目前的應用中，應盡可能避免最大內力作用于筋材彎折區，同時“小直徑、密布”的配筋原則對材料強度的發揮更加有利。