FRP组合结构在结构工程中的应用与发展

摘要:FRP混凝土组合结构可以充分发挥FRP的抗拉强度和混凝土的抗压强度，同时降低成本，是一种理想的FRP组合结构形式，本文总结了国内外关于FRP-混凝土组合结构的最新研究成果，简要介绍了FRP-混凝土组合结构的截面形式，对未来FRP-混凝土组合结构的研究发展方向做出了展望。

关键词：FRP；混凝土；组合结构

Abstract: FRP concrete composite structures can give full play to the FRP tensile strength and compressive strength of the concrete, and to reduce costs at the same time, it is an ideal combination of FRP structure, this paper summarizes the latest research results at home and abroad on the FRP-concrete composite structures， FRP-concrete composite structures section forms a brief introduction, FRP-concrete composite structures for the future development direction made.Key words: FRP; concrete; composite structure

中图分类号：TU2文献标识码：A

前言

纤维增强复合材料（FRP）从上世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来，FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。除了应用FRP片材加固修补结构工程外，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。

为了使FRP合理有效地用于新建结构，应尽量降低其自身缺点的影响，因此，当FRP用于新建结构时应遵循三个主要原则：1）从结构的全寿命来考虑，造价合理；2）尽可能用于抵抗拉力；3）FRP的耐火性能对设计不起决定作用。桥梁结构或其它户外结构自然满足原则，而前两个原则意味着FRP应与其它材料联合使用以形成组合结构。

基于上述讨论，可见组合结构领域应该是FRP在新建结构中应用的重点发展方向，且FRP应尽量与钢材或混凝土这两种传统的结构材料组合，这样才能降低结构的造价。

FRP-混凝土组合结构

FRP-混凝土组合梁、板是一种合理的FRP与混凝土组合的结构形式，其设计概念与钢-混凝土组合梁、板相同：上部为混凝土主要受压，下部为FRP构件主要受拉，它们之间通过剪力连接件使两者协同工作，使FRP得到充分利用，并获得较大的刚度；同时，FRP构件可兼为模板，便于施工。FRP组合梁、板的研究在各国都有开展，FRP型材的形式和种类多样，剪力传递的方式也多样，包括：接触摩擦、粘结、螺栓、特制剪力件等。但这种结构形式目前在实际工程中的应用却不多。北京密云的FRP桥经过改造后成为FRP-混凝土组合箱梁桥，该工程的实践表明，组合构件比单纯的FRP构件的刚度大，同时可避免一些局部破坏的发生。

图1 FRP斜拉桥

FRP管混凝土结构

缠绕成型的FRP管中填充混凝土，形成FRP管混凝土组合构件是最为合理的一种FRP-混凝土组合结构构件，且FRP管可以充当模板，节省模板消耗，提高施工速度，并具有很好的耐久性。由于它的优势非常明显，在结构工程中已得到广泛的应用。

FRP管混凝土结构由于FRP管的约束作用，使内部混凝土的强度得到了很大提高，延性也有所改善，同时FRP管能够有效保护混凝土防止其受腐蚀，而且由于混凝土的支撑作用也可防止外FRP管发生局部屈曲。截面形式，见图2。

还有一些学者对FRP管混凝土构件进行了改进。提出了以下几种FRP管混凝土结构：

（2）FRP约束钢筋混凝土柱

FRP约束钢筋混凝土柱是在FRP管内设置带有箍筋的钢筋笼，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。内填混凝土由于受到FRP管和箍筋的双重约束作用使其强度进一步得到提高，同时，由于混凝土的支撑作用也可防止外FRP管发生局部屈曲。

（3）FRP约束钢骨混凝土柱

FRP约束钢骨混凝土柱是在FRP管内设置型钢，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。FRP管能够有效保护内部混凝土和型钢，防止混凝土腐蚀和型钢锈蚀，同时由于FRP的约束作用可以增加混凝土的抗压承载力和延性，而且，由于混凝土的支撑作用可以防止FRP管发生局部屈曲，内部型钢可以增加组合构件的抗剪能力和抗震延性。

（4）FRP约束劲性钢筋混凝土柱

FRP约束劲性钢筋混凝土柱是在FRP管内设置带有箍筋的钢筋笼，在钢筋笼内设置型钢，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。

(a) (b)（c） (d)

图2 FRP约束实心混凝土柱截面图

FRP管混凝土组合结构的研究现状

随着FRP约束混凝土在实际工程中的应用日益增多，有关其力学性能的研究也不断取得了新的突破，其中研究的热点包括FRP约束混凝土的应力-应变关系模型、构件的静力性能以及抗震性能等方面的研究。但由于在不同受力状态下，FRP约束混凝土本身的力学性能比较复杂，目前国内外的研究成果主要仍以试验研究为主。

FRP布约束混凝土柱的轴压试验早期是针对圆形截面柱的，近几年对这方面的研究仍然在继续。

1997年，Watanable等进行了9根直径为100mm、高为200mm的混凝土强度为30.2MPa的FRP约束混凝土轴压试验，其使用的FRP有两种，即CFRP和AFRP。

1998年，Amir Mirmiran对24根FRP管约束混凝土圆柱进行了试验研究，柱的长细比范围为2~5。试验结果表明：长细比在2~5之间，构件的强度和延性降低并不明显。

2000年，Xiao和Wu进行了25根直径为150mm、高为300mm的FRP约束混凝土轴压试验，共采用了3种混凝土强度等级，分别为33.7MPa、43.8MPa和55.2MPa，其使用的FRP类型为CFRP。

2009年，秦国鹏，王连广等对4根GFRP管混凝土组合柱进行了轴压试验，以GFRP管壁厚度、混凝土强度等因素为主要参数对构件轴压性能的影响进行了比较，最后通过对数值计算结果的回归分析，得出了实用的组合柱轴心受压承载力计算公式。

2009年，Issa等对30根CFRP布约束圆形截面混凝土短柱进行了轴压试验。试验结果表明：CFRP布越宽，柱的强度越大。

2010年，陈百玲，秦国鹏，王连广对5根GFRP管钢骨混凝土组合柱进行了轴压试验，通过编制程序，以配骨率、GFRP管壁厚度、混凝土强度为主要参数，得到了其轴向荷载与应变关系曲线，并且给出了组合柱轴心受压承载力计算公式。

FRP组合梁、板

FRP组合梁和FRP组合板是受弯的FRP组合结构，通过组合作用使上部的混凝土受压，下部FRP材料受拉。关于FRP组合梁和FRP组合板的研究在各国都有开展。美国saiidi等人采用树脂粘贴的方法将混凝土板与CFRP构件组合在一起，并且研究了它们的受力。

结语

FRP材料在结构工程中有着非常广阔的应用前景，但仍有大量关于FRP结构和FRP组合结构基本理论和设计方法的科研工作亟待进行，FRP-混凝土组合结构充分发挥了FRP与混凝土的力学特性，截面形式多样，能够较好地承受荷载，具有良好的抗弯、抗疲劳性能，是取代传统钢筋混凝土结构的较佳选择。

参考文献：

1. 冯鹏，叶列平. FRP结构和FRP组合结构在结构工程中的应用与发展[C]，第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会议论文集，北京：清华大学出版社，2002：51-63.

2. 秦国鹏，王连广，周乐. GFRP管混凝土组合柱轴压性能研究[J]，工业建筑，2009，39(10)：72-75.

3. 龙志勤. 纤维复合材料在桥梁加固中的应用[J]，广西交通科技，2002(4)：32-37.