第3章　GFRP筋的力學(xué)性能

3.1　FRP筋簡介

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer/plastics，F(xiàn)RP）筋是由增強(qiáng)材料和基體材料按照一定的比例混合并經(jīng)過拉擠成型固化工藝復(fù)合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，在航空航天、船舶、汽車、醫(yī)學(xué)及機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，土木工程領(lǐng)域所使用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要是由樹脂材料做基體的玻璃纖維（glass fiber）、碳纖維（carbon fiber）、玄武巖纖維（basalt fiber）、芳綸纖維（aramid fiber），其分別簡稱為GFRP、CFRP和AFRP。

FRP筋因其力學(xué)性能和耐久性的優(yōu)異，人們廣泛認(rèn)為FRP筋是鋼筋混凝土中鋼筋的一種可能替代材料。FRP筋一般由纖維和基底樹脂按一定的比例加熱固化而成，纖維的含量一般為65%～75%，基底樹脂含量為25%～35%。根據(jù)纖維種類不同，F(xiàn)RP筋可分為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）筋、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）筋和玄武巖纖維增強(qiáng)塑料（BFRP）筋，所用的基底樹脂主要有聚酯樹脂、乙烯基樹脂、不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂。FRP材料具有耐腐蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、自重輕、抗疲勞等優(yōu)點。其中GFRP筋因其價格低廉應(yīng)用最為廣泛，其次是BFRP筋和CFRP筋。到目前為止，F(xiàn)RP筋已廣泛應(yīng)用于民用建筑、道路橋梁、沿海近海及地下工程結(jié)構(gòu)中。

3.1.1　FRP筋的特點

常見的FRP筋包括玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）筋，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）筋和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）筋等幾種。FRP直筋是以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，合成樹脂為基體，經(jīng)拉擠纏繞成型的一種棒狀的新型復(fù)合材料筋材。若在FRP筋材表面形成一定的肋或者進(jìn)行表面噴砂處理，還可增強(qiáng)其與混凝土的黏結(jié)。

FRP筋產(chǎn)生與發(fā)展的基本思想是充分發(fā)揮增強(qiáng)材料和基質(zhì)的不同材料的特性，并將其有機(jī)組合，使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋具有傳統(tǒng)鋼筋所不具備的物理化學(xué)及力學(xué)特性，這種思想類似于鋼筋混凝土的特性，利用鋼筋承擔(dān)大部分受拉應(yīng)力，利用混凝土承擔(dān)大部分受壓應(yīng)力。所不同的是，在FRP筋中，絕大部分應(yīng)力均由具有較高強(qiáng)度的纖維絲承擔(dān)，而基質(zhì)主要起傳遞剪力和包裹纖維的作用。正是復(fù)合材料可以有機(jī)組合不同性質(zhì)的材料，因此FRP筋具有傳統(tǒng)材料（如鋼材）無法比擬的優(yōu)點，其優(yōu)點如下。

（1）順纖維向抗拉強(qiáng)度高　遠(yuǎn)高于普通鋼筋，與高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線相近。CFRP筋的拉伸強(qiáng)度一般為1500～2400MPa，有的可達(dá)3700MPa。

（2）密度小、重量輕　FRP筋的密度一般僅為鋼筋的1/6～1/4，這有利于減輕結(jié)構(gòu)自重，方便施工。FRP索用作大跨度橋梁的懸索或斜拉索，可以顯著提高橋梁的跨越能力。

（3）耐銹蝕　我國現(xiàn)階段因土木工程結(jié)構(gòu)中的鋼筋的銹蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失也在逐步的增長。而在近海建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程中，F(xiàn)RP筋優(yōu)良的耐腐蝕性已經(jīng)在國內(nèi)外得到了證明。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始在寒冷地區(qū)和近海地區(qū)的橋梁、建筑中較大規(guī)模地采用FRP結(jié)構(gòu)或FRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，極大地降低了結(jié)構(gòu)的維護(hù)費用，延長了結(jié)構(gòu)的使用壽命。CFRP筋耐久性最好，長期處于酸、堿、鹽、潮濕、紫外線等環(huán)境中的性能很少降低，因此適合在惡劣環(huán)境中使用。

（4）疲勞性能優(yōu)良　CFRP筋與AFRP筋的疲勞性能明顯優(yōu)于鋼筋，CFRP筋的疲勞性能最好。

（5）電磁絕緣性好　FRP筋無磁感應(yīng)，代替鋼筋使用后可使結(jié)構(gòu)滿足特殊要求。

（6）良好的可設(shè)計性　與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，這是FRP所獨有的。工程師可以通過使用不同纖維種類、控制纖維的含量和鋪陳不同方向的纖維設(shè)計出各種強(qiáng)度及彈性模量的FRP產(chǎn)品。而且FRP產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計。

但同時FRP筋材也存在一些不足之處，其缺點大致如下。

①FRP筋的拉伸從開始至斷裂都是處于線彈性階段，無明顯的塑性階段，延性較差，其拉伸破壞具有一定的脆性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來考慮，應(yīng)盡量避免這一缺點。

②FRP筋的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)不如其抗拉強(qiáng)度，因為FRP筋為各向異性，橫向抗剪強(qiáng)度僅為縱向抗拉強(qiáng)度的1/10，因此應(yīng)避免在抗壓和抗剪的結(jié)構(gòu)中使用FRP筋。此外，如帶有錨固的FRP筋構(gòu)件需在工廠中預(yù)制，且彎曲錨固處的強(qiáng)度也顯著降低。

③FRP材料的耐熱和耐火性能較差。當(dāng)超過某一溫度范圍，F(xiàn)RP筋的抗拉強(qiáng)度將有所降低，抗剪強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度下降將會非常明顯，因此FRP筋不適合長時間用于高溫環(huán)境。

④FRP筋在承受持續(xù)荷載時存在徐變斷裂現(xiàn)象。經(jīng)過一些試驗研究發(fā)現(xiàn)，GFRP筋是最易發(fā)生徐變斷裂的FRP材料，CFRP筋是最不易發(fā)生徐變斷裂的FRP材料，AFRP筋則介于GFRP筋和CFRP筋之間。

⑤熱脹系數(shù)與混凝土之間存在一定差異。CFRP筋的軸向溫度膨脹系數(shù)較低，AFRP筋的軸向溫度膨脹系數(shù)甚至為負(fù)數(shù)，GFRP筋的軸向溫度膨脹系數(shù)則與混凝土差不多。溫度變化會引起CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土和AFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)應(yīng)力損失，而傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)則無此項損失。FRP筋橫向溫度膨脹系數(shù)均較大，溫差作用有可能造成FRP筋與混凝土間粘接的破壞或混凝土的脹裂，影響結(jié)構(gòu)的長期耐久性。

3.1.2　FRP筋的物理力學(xué)性能

FRP筋的抗拉強(qiáng)度都比鋼筋的要高，其強(qiáng)度是鋼筋強(qiáng)度的數(shù)倍到數(shù)十倍不等。尤其是，F(xiàn)RP筋是一種脆性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，無明顯的屈服階段，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前沒有塑性變形。幾種不同的FRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3-1所示。

FRP筋由于組成纖維與基底材料的不同，其力學(xué)性能差別也很大。不同F(xiàn)RP筋類型與鋼筋（鋼絲）的力學(xué)性能見表3-1，不同樹脂類型的主要性能見表3-2，不同纖維類型的主要性能見表3-3。

FRP筋的力學(xué)性能受到纖維的種類（例如玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等）、樹脂的種類（例如環(huán)氧樹脂基、聚酯和乙烯基酯等）和纖維的方向等因素的影響，這些參數(shù)的不同會導(dǎo)致FRP筋的力學(xué)性能有顯著差別，表3-4為ACI 440.1R-06和《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608—2010）中提供的FRP筋抗拉性能的相關(guān)參數(shù)，從中可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP筋的抗拉性能有很大的離散性。