第3章　GFRP筋的力學性能

3.1　FRP筋簡介

纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer/plastics，FRP）筋是由增強材料和基體材料按照一定的比例混合并經過拉擠成型固化工藝復合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀40年代出現以來，在航空航天、船舶、汽車、醫學及機械等領域得到廣泛的應用。目前，土木工程領域所使用的纖維增強復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筋因其力學性能和耐久性的優異，人們廣泛認為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%。根據纖維種類不同，FRP筋可分為碳纖維增強塑料（CFRP）筋、玻璃纖維增強塑料（GFRP）筋和玄武巖纖維增強塑料（BFRP）筋，所用的基底樹脂主要有聚酯樹脂、乙烯基樹脂、不飽和樹脂和環氧樹脂。FRP材料具有耐腐蝕性好、抗拉強度高、自重輕、抗疲勞等優點。其中GFRP筋因其價格低廉應用最為廣泛，其次是BFRP筋和CFRP筋。到目前為止，FRP筋已廣泛應用于民用建筑、道路橋梁、沿海近海及地下工程結構中。

3.1.1　FRP筋的特點

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

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

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

（2）密度小、重量輕　FRP筋的密度一般僅為鋼筋的1/6～1/4，這有利于減輕結構自重，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　我國現階段因土木工程結構中的鋼筋的銹蝕而造成的經濟損失也在逐步的增長。而在近海建筑、鹽漬地區的地下工程、海洋工程中，FRP筋優良的耐腐蝕性已經在國內外得到了證明。一些發達國家已經開始在寒冷地區和近海地區的橋梁、建筑中較大規模地采用FRP結構或FRP配筋混凝土結構以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，極大地降低了結構的維護費用，延長了結構的使用壽命。CFRP筋耐久性最好，長期處于酸、堿、鹽、潮濕、紫外線等環境中的性能很少降低，因此適合在惡劣環境中使用。

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

（5）電磁絕緣性好　FRP筋無磁感應，代替鋼筋使用后可使結構滿足特殊要求。

（6）良好的可設計性　與傳統結構材料相比，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計出各種強度及彈性模量的FRP產品。而且FRP產品成型方便，形狀可靈活設計。

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。從結構設計的角度來考慮，應盡量避免這一缺點。

②FRP筋的抗剪強度和抗壓強度遠不如其抗拉強度，因為FRP筋為各向異性，橫向抗剪強度僅為縱向抗拉強度的1/10，因此應避免在抗壓和抗剪的結構中使用FRP筋。此外，如帶有錨固的FRP筋構件需在工廠中預制，且彎曲錨固處的強度也顯著降低。

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

④FRP筋在承受持續荷載時存在徐變斷裂現象。經過一些試驗研究發現，GFRP筋是最易發生徐變斷裂的FRP材料，CFRP筋是最不易發生徐變斷裂的FRP材料，AFRP筋則介于GFRP筋和CFRP筋之間。

⑤熱脹系數與混凝土之間存在一定差異。CFRP筋的軸向溫度膨脹系數較低，AFRP筋的軸向溫度膨脹系數甚至為負數，GFRP筋的軸向溫度膨脹系數則與混凝土差不多。溫度變化會引起CFRP筋預應力混凝土和AFRP筋預應力混凝土的預應力損失，而傳統預應力混凝土結構則無此項損失。FRP筋橫向溫度膨脹系數均較大，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，影響結構的長期耐久性。

3.1.2　FRP筋的物理力學性能

FRP筋的抗拉強度都比鋼筋的要高，其強度是鋼筋強度的數倍到數十倍不等。尤其是，FRP筋是一種脆性材料，其應力-應變曲線呈線性關系，無明顯的屈服階段，在達到極限抗拉強度之前沒有塑性變形。幾種不同的FRP筋的應力-應變關系曲線如圖3-1所示。

FRP筋由于組成纖維與基底材料的不同，其力學性能差別也很大。不同FRP筋類型與鋼筋（鋼絲）的力學性能見表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，這些參數的不同會導致FRP筋的力學性能有顯著差別，表3-4為ACI 440.1R-06和《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》（GB 50608—2010）中提供的FRP筋抗拉性能的相關參數，從中可以發現，FRP筋的抗拉性能有很大的離散性。