FRP筋的特点及其在土木工程中的应用

[摘要] 钢筋锈蚀一直是影响土木工程结构耐久性的一大不利因素。FRP具有耐腐蚀、抗拉强度高、抗剪强度低、比重小以及弹性模量低等特点，可代替普通钢筋以克服锈蚀的影响。目前国内外已对FRP进行了较多的材料特性与结构性能研究，并已将FRP成功地应用于桥梁、水工建筑物、海港码头以及加固工程等。文章主要介绍FRP筋的特点及有关FRP筋在土木工程中的应用情况。

[关键词] 纤维塑料筋( FRP) 材料特性 应用

1 前言

混凝土结构、钢结构以及钢－混凝土组合结构, 这些结构都有着各自的优势, 也在土木工程中得到了广泛的应用，但在工程实践中也暴露出一些问题, 最突出的问题是, 由于钢筋或钢材的锈蚀引起结构过早退化或结构功能不足。在美国, 已确认有40%以上的桥梁属结构耐久性不足或功能退化。这就要求应尽快发展经济有效的结构增强方法和新型的高性能结构材料, 以延长结构使用寿命, 提高结构性能。

FRP(Fiber Reinforced Polymer)以高强、轻质、施工方便、抗腐蚀、耐疲劳等优点在土木工程中得到了广泛的应用。FRP筋作为一种新型材料，具有高强轻质、耐腐蚀等特点，越来越广泛地应用到基础设施及海洋工程，以解决因钢筋腐蚀造成混凝土结构耐久性问题。

2 FRP筋的基本特性

2.1 FRP筋的基本力学性能

FRP筋由高性能纤维和基体材料组成，纤维为增强材料，起加劲作用，基材起粘结、传递剪力的作用。纤维的种类主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和混杂纤维，基材主要有聚酯、环氧树脂、乙烯基酯、聚酯树脂、聚酰胺树脂等。根据连续纤维种类的不同，现在常用的FRP筋主要有玻璃纤维增强塑料筋（GFRP筋）、碳纤维增强塑料筋（CFRP筋）、芳纶纤维增强塑料筋（AFRP筋）和混杂纤维增强塑料筋（HFRP筋）。不同类型的FRP筋性能有所不同，但是作为新型复合材料用于土木工程中，它们之间存在较多的共性。其优点主要有[1]：

1) 密度小，质量轻。FRP筋的密度一般仅为钢筋的1/ 6～1/4，有利于减轻结构自重，方便施工。FRP 索用作大跨度桥梁的悬索或斜拉索，可以显著提高桥梁的跨越能力。

2) 顺纤维方向抗拉强度高。远高于普通钢筋，与高强钢丝或钢绞线相近。

3) 耐锈蚀。FRP筋不会像钢筋那样因锈蚀而破坏，因此适合在腐蚀环境中工作，结构耐久性好，后期维修成本低。

4) 电磁绝缘性好。FRP筋无磁感应，代替钢筋使用后可使结构满足特殊要求。

5) 减振性能好。复合材料自振频率高，可避免早期共振；同时，复合材料的内部阻尼也很大，一旦激起振动，衰减也快。

6) AFRP筋和GFRP筋具有低传热性和低导电性，可用于对传热和导电有特殊要求的场所。

7) 作为一种复合材料，FRP筋具有可设计性，可以根据不同的需求加工成性能差异很大的产品。

FRP筋也存在一些不足之处，主要有：

1) 无塑性。FRP筋的应力－应变关系始终为线弹性。

2) FRP筋的极限延伸率远低于钢筋。CFRP筋的极限延伸率最小。

3) FRP筋的弹性模量比钢筋低。虽然FRP筋的弹性模量范围很宽，但常用CFRP筋、AFRP筋和GFRP筋的弹性模量大致分别为钢筋弹性模量的75％、35％和20％。

4) 抗剪和抗压强度较低。FRP筋是各向异性材料，轴向抗压、横向抗压和抗剪性能较差，横向抗剪强度仅为纵向抗拉强度的1/10左右。

5) 温度膨胀系数与混凝土之间存在一定的差别。CFRP 筋的轴向温度膨胀系数较低，AFRP筋的轴向温度膨胀系数甚至为负数，GFRP筋的轴向温度膨胀系数则与混凝土差不多。温度变化会引起CFRP筋预应力混凝土和AFRP筋预应力混凝土的预应力损失，而传统预应力混凝土结构则无此损失。FRP筋横向温度膨胀系数均较大，温差作用有可能造成FRP筋与混凝土间粘结的破坏或混凝土的胀裂,影响结构的耐久性。

6) 热稳定性较差。当超过某一温度范围,FRP筋的抗拉强度将有所下降，抗剪强度和粘结强度则显著下降,因此FRP筋不宜应用于60°C 以上的高温环境，此外，FRP 筋不耐火，其防火保护要求比钢筋更为严格。

7) 不便现场加工。FRP筋虽可制成任意形状、如直线形、直线带90。弯钩或矩形箍筋等。但由于在生产FRP筋时，均采用热固性树脂制作，因而一旦成形后，一般在施工现场将难以改变其形状。

8) 成本较高。生产制作工艺较复杂，一般需专门的长线挤拉台座才能完成。单位质量的FRP筋的价格约为钢筋的8～12倍。不过FRP筋的密度大约是钢筋的四分之一，这样，单位体积FRP筋的价格约为钢筋的2～3倍。当然，随着FRP筋制作工艺的改进和FRP材料的大批量生产，其价格也将会随之降低。

2.2 FRP筋与钢筋的区别

FRP筋的力学性能与钢筋有所不同，表1为各种FRP筋与钢筋力学性能指标。

图1为GFRP筋与普通钢筋、冷拉钢丝的应力－应变曲线。从应力－应变曲线可以看出，在达到极限抗拉强度之前，GFRP筋的应力应变基本呈线性关系，无塑性变形发生。

3 FRP筋在土木工程中的应用

FRP筋可以应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构中。FRP筋具有抗腐蚀能力，可用于化工厂、废水处理厂、海堤、码头、水下结构等；具有较小的弹性模量及低松弛性能，用作预应力筋，可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失，还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。工程实践表明，FRP筋能够适应现代工程向大跨、高耸、重载、轻质高强发展及承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求。

3.1 FRP筋在桥梁中的应用[2-4]

目前，世界各地都存在桥梁和道路工程中钢筋混凝土的腐蚀问题。仅加拿大就有20多万座桥梁和结构物需要解决承载能力不能满足使用要求的问题。早在1969年，CFP筋就开始应用于工程实际，最具有代表性的当数瑞士的依巴赫桥。此桥为一多跨箱形连续梁预应力混凝土结构，全长228m，箱形截面宽16m，高152m，中间有一纵肋，将箱形截面分为两孔。该桥在安装新的交通信号设备时在箱梁边肋上钻孔时，不慎将长39m跨的预应力钢筋损坏，重载车不能通行，必须加固维修。因为桥位于繁忙的公路上，加固工作只能在夜间进行。在加固时对究竟采用钢筋还是CFRP筋进行了比较。由于采用CFRP网扳的重量仅为钢材重量的3.5%，并且可以采用移动平台施工，无需搭设脚手架，所以最后确定采用碳纤维网板进行加固。加固时共布置了三层碳纤维网板于梁的下部作为附加受拉筋，其中二层厚度为1.75mm，一层厚度为2.0mm。CFRP网板的轴向抗拉强度为19000MPa，弹性模1.29×105MPa。竣工后，采用840KN的重载车对加固跨进行了荷载试验，结果表明采用CFRP网板加固的效果令人满意。

1993年，在加拿大西南部城市卡尔加里，用混有光纤传感器的FRP筋建造了世界上第一座FRP筋增强混凝土桥[2]。在美国使用FRP筋的最大工程项目是西弗吉尼亚州的Mackinleyville桥，这是美国第一座使用FRP筋增强桥面板的公路桥。美国的RJD工业公司采用FRP筋已在伊利诺斯州、衣阿华州和威斯康星州的公路上投入应用。1980年，德国在一座实验性人行桥上采用了玻璃纤维增强筋；1986年在杜塞尔多夫一座通行重型货车的桥梁上使用了玻璃纤维增强预应力筋；1991年在路德希港建造了一座跨度80m的预应力碳纤维增强的混凝土桥梁。德国的美里恩费尔得人行桥建于1988年，该桥的特点是在梁的外侧布置了GFRP预应力筋，充分利用了这类材料不怕腐蚀的特性。桥为两跨双T形截面梁，跨度分别为22.98m和27.6lm，梁高1.1m，在两跨双T形截面梁上配有七根GFRP预应力筋。GFRP预应力筋在支座处布置在梁的上部，跨中布置在梁的下部。预应力筋在梁端锚固于十字梁上。竣工后进行了荷载试验和实测分析，在桥面覆盖5层250mm厚的混凝土板，相当于全部交通荷载的的两倍，加载时利用预埋的光纤维量测器进行了全面的测量，其中包括量测预应力筋的应力变化和跨中度等，所测指标完全符合预定要求。1989年，CFRP作为预应力筋应用于一座双跨预应力混凝土桥梁上，地点在日本的Kitakyusyu市。该桥12.3m宽，35.8m长，结构上由一跨18.25m 的先张大梁和一跨17.55m 后张大梁组成，CFRP 作为预应力筋用于后张大梁上。欧洲其他国家如英国、法国、荷兰和挪威等也进行了研究及应用。

3.2 在海港码头的应用

在日本的Niihama市，Sumitomo化工有限公司兴建了一座海港码头，该码头的预应力混凝土面板的板宽为13.8m，长度为61m ，在宽度方向上是由17 根简支空心梁组成，在长度方向上共分5 跨，其中4跨的预应力混凝土空心梁采用了高强钢绞线作预应力束，另一跨的预应力混凝土空心梁采用了AFRP作预应力束(跨度9m)。码头建成后，进行了50t的起重机和35t的挖土机的荷载试验，经实测分析，完全满足使用要求[4]。

4 应用上存在的问题

FRP筋在许多方面都获得了应用，但与钢筋相比，虽然有强度高、不会因氯化物离子而发生劣化等优点，但是在实际工程的应用上也还存在一些问题。

4.1 FRP材料本身也具有一定的缺陷，尽管抗拉强度高，通常可达3000MPa左右，但其弹性模量与强度的比值较低，因而纤维必须在相当大的变形下才能充分发挥其高强特性。大量试验结果表明，FRP仅在构件受拉钢筋屈服后才发挥出较大的作用，纤维的实际强度利用率很低。因此预应力FRP筋也逐渐得到广泛的应用。但是相应的锚具、施工方法等还尚未成熟，有待于进一步研究。

4.2 FRP筋压缩强度与其拉伸强度相比而言较低。因此，传统的设计方式不再有效。在圆柱四周包绕FRP的效果研究表明，这会引起断裂荷载和断裂应变的增加，在设计中需要考虑。

4.3 耐火性不如钢材，在设计某些类型的建筑物时需要考虑。

4.4 FRP筋与混凝土的粘结锚固性能。表面光滑的FRP筋与混凝土之间的粘结强度仅是钢筋与混凝土粘结强度的10%～20%，并不适合作为结构构件的受力筋。因此，如何改变FRP筋的表面状况，加强FRP筋与混凝土自然粘结是一项重要的研究课题，也是解决两者之间粘结性能的关键所在。由于FRP 筋与混凝土界面处的内部滑移难以测定，目前多利用平均粘结应力与试件加载端或自由端的滑移绘制的关系曲线，并得到FRP 筋与混凝土的粘结本构关系。显然，这个关系并不能反映粘结滑移沿FRP 筋锚固长度变化的规律，也不能描述粘结滑移刚度退化的现象。因此，应研究随不同位置变化的FRP筋与混凝土的粘结滑移性能和规律。

5 结论

FRP具有耐腐蚀、抗拉强度高、抗剪强度低、比重小以及弹性模量低等特点。因此，FRP筋可用作大跨度桥梁的悬索和斜拉索，充分发挥其自重小的优势，显著提高桥梁的跨越能力。FRP筋也可以配置于混凝土结构体内或体外作为加强筋或预应力筋，或者用作土层锚杆、岩石锚杆，从而替代钢筋应用于恶劣环境中而不被腐蚀，在新建结构和既有结构加固改造中具有广阔的应用前景。但是FRP筋的性能与普通钢筋的性能还存在较大的区别，包括力学性能、粘结滑移性能等，而且也存在一些不足，因此还有待于大量的研究。

参考文献

[1] 朱虹, 钱洋. 工程结构用FRP筋的力学性能[J]. 建筑科学与工程学报, 2006, 23(3):26-31.

[2] 薛伟辰，康清梁. 纤维塑料筋在混凝土结构中的应用[J]. 工业建筑, 1999, 29(2):19-21.

[3] 李义, 费传军. 纤维增强复合材料（FRP）筋在土木工程中的应用[J]. 玻璃纤维, 2005, (3).

[4] 钱锐, 茅卫兵. 国外对沉凝土结构中新型材料FRP筋的研究及应用[J]. 江苏建筑, 2001, (1):28-33.