纖維復(fù)合筋-混凝土梁研究概況

杜澤冬

摘? 要：纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）型材是一種具有耐腐蝕、適用性廣、輕質(zhì)高強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料，將其與混凝土相結(jié)合，形成FRP-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕混凝土結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)承載力的同時(shí)，解決鋼筋易腐蝕、抗裂性差的問(wèn)題，希望可以為新型混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)聚合物;混凝土梁;承載力

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.7? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0074-02

Abstract： Fiber reinforced polymer （FRP） profile is a new type of composite material with many advantages， such as corrosion

resistance， wide applicability， light weight and high strength. It is combined with concrete to form FRP-concrete composite beam structure， so as to reduce the self-weight of concrete structure and improve the bearing capacity of the structure. At the same time， the problems of corrosion and poor crack resistance of steel bar are solved. It is hoped that it can make some contribution to the development of new concrete structure.

Keywords： fiber reinforced polymer （FRP）; concrete beam; bearing capacity

1 纖維聚合材料簡(jiǎn)介

FRP，纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料，是英文（Fiber Reinforced Plastics）的縮寫(xiě)，現(xiàn)有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。中文中玻璃鋼指的就是GFRP。FRP復(fù)合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。其中GFRP根據(jù)所使用的樹(shù)脂品種不同，有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等種類(lèi)。一般FRP具有質(zhì)輕而硬，不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度高，回收利用少，耐腐蝕等特性。

2 FRP-混凝土梁試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)FRP-混凝土梁受力性能進(jìn)行實(shí)際研究。

Gai X等人[1]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種GFRP現(xiàn)澆混凝土板模板體系。以GRRP剪切螺栓間距、加載方案為變量，對(duì)其延性性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模板體系在施工階段表現(xiàn)出足夠的剛度，有效地增加了混凝土構(gòu)件延性和穩(wěn)定性，避免混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。Hassan N Z等人[2]基于ANSYS軟件，研究了碳纖維和玻璃纖維加固同一截面尺寸混凝土梁的受彎性能，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，玻璃纖維能和碳纖維一樣為加固的鋼筋混凝土梁構(gòu)件提供相同的承載力。Koaik A等人[3]采用螺栓連接、粘接兩種不同連接技術(shù)制作了6根GFRP型材混凝土組合梁。通過(guò)彎曲試驗(yàn)重點(diǎn)研究了受力過(guò)程中試驗(yàn)梁截面特性和彎曲特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP型材與混凝土采用粘接連接可避免過(guò)早發(fā)生剪切破壞。采用混合連接技術(shù)試驗(yàn)梁受力性能最好，但使用過(guò)程中要防止連接截面發(fā)生破壞。Rizkalla S等人[4]進(jìn)行了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）圓管的受彎試驗(yàn)。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)中圓管的直徑、跨度等參數(shù)，研究了完全混凝土填充管、中心孔混凝土填充管和中間填充混凝土的管中管（同心和偏心）等不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)GFRP管受力性能的影響如圖1圓管結(jié)構(gòu)形式示意圖所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP管的抗彎性能與GFRP管的剛度、管徑比等因素密切相關(guān)，而與混凝土強(qiáng)度關(guān)系不大，但混凝土的約束作用使構(gòu)件延性得到了改善。最后，建立一種應(yīng)變協(xié)調(diào)模型，并對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）圓管進(jìn)行了參數(shù)化分析。

圖1 圓管結(jié)構(gòu)形式示意圖

郗恒東等人[5]提出了一種在混凝土梁受拉區(qū)采用高強(qiáng)灌漿和波紋套管支撐FRP筋代替普通鋼筋的新型結(jié)構(gòu)如圖2結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖所示，并與普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP-混凝土梁由于混凝土壓碎破壞而破壞，比普通鋼筋混凝土梁具有更高的抗彎承載力和更大的撓度。同時(shí)，在試驗(yàn)梁受拉區(qū)采用波紋套管灌漿FRP筋有效降低裂縫寬度，提高了試驗(yàn)梁抗彎性能。

3 FRP-混凝土梁理論研究現(xiàn)狀

目前工程界通過(guò)理論和有限元分析，對(duì)于各種新型FRP-混凝土新型梁在各工況下的受力性能進(jìn)行了分析，用以驗(yàn)證試驗(yàn)效果，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的不足，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)化分析。

Zou X等人[6]通過(guò)試驗(yàn)和有限元研究了FRP筋作為混凝土梁抗剪連接件的抗剪性能。結(jié)果表明，F(xiàn)RP抗剪切能力和抗滑移能力遠(yuǎn)高于普通鋼螺栓，影響滑移量的主要因素為混凝土板厚和FRP開(kāi)孔孔徑，據(jù)此推導(dǎo)了考慮這兩個(gè)參數(shù)的滑動(dòng)模量理論。最后，建立了FRP的剪切承載力和滑移量的計(jì)算公式，為設(shè)計(jì)提供了參考。Choobbor S S等人[7]進(jìn)行了碳纖維與玄武巖纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)。并建立了有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)試件的撓度變化和承載能力。Mofidi A等人[8]通過(guò)對(duì)當(dāng)前FRP加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行研究，分析了影響抗剪性能的主要因素，提出了關(guān)于抗剪箍筋影響FRP加固鋼筋混凝土梁體的計(jì)算模型。蔡金明等人[9]使用ATENA/GID求解軟件對(duì)BFRP筋加固混凝土梁和BFRP筋加固工程膠凝材料（ECC）梁的抗彎性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：ECC材料在受壓區(qū)具有更高的極限壓應(yīng)變，其破壞過(guò)程比BFRP筋加固普通混凝土梁更具有延性。同時(shí)，BFRP筋加固ECC梁的承載能力、變形能力、裂縫控制能力等方面性能更加優(yōu)異。葛文杰等人[10]通過(guò)BFRP筋拉伸試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)以及BFRP筋混凝土梁抗彎試驗(yàn)，研究了BFRP筋對(duì)混凝土組合梁抗彎性能的影響，并與普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鋼筋相比，BFRP筋抗拉強(qiáng)度高但彈性模量低。而B(niǎo)FRP筋與混凝土粘接強(qiáng)度與鋼筋混凝土的粘接強(qiáng)度相似，粘接性能優(yōu)異。并系統(tǒng)分析了混凝土梁受彎承載力，提出了計(jì)算組合梁抗彎承載力的簡(jiǎn)化公式，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化公式的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行研究，綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于FRP-混凝土梁的研究現(xiàn)狀，分別闡述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于FRP-混凝土梁的試驗(yàn)、理論以及ABAQUS有限元模擬瘋方面研究現(xiàn)狀，可為相關(guān)工程實(shí)踐和理論研究提供了一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gai X， Darby A， Ibell T， et al. Experimental investigation into a ductile FRP stay-in-place formwork system for concrete slabs[J]. Construction and Building Materials， 2013，49：1013-1023.

[2]Hassan N Z， Sherif A G， Zamarawy A H， et al. Finite element analysis of reinforced concrete beams with opening strengthened using FRP[J]. Ain Shams Engineering Journal， 2017，8（4）：531-537.

[3]Koaik A， Bel S， Jurkiewiez B， et al. Experimental tests and analytical model of concrete-GFRP hybrid beams under flexure[J]. Composite Structures， 2017，180：192-210.

[4]Rizkalla S， Fam A. Flexural Behavior of Concrete-Filled Fiber-Reinforced Polymer Circular Tubes[J]. Journal of Composites for Construction， 2002，6（2）：123-132.

[5]Dong H， Zhou W， Wang Z， et al. Flexural performance of concrete beams reinforced with FRP bars grouted in corrugated sleeves[J]. Composite Structures， 2019，215：49-59.

[6]Zou X， Feng P， Wang J， et al. Perforated FRP ribs for shear connecting of FRP-concrete hybrid beams/decks[J]. Composite Structures， 2016，152：267-276.

[7]Choobbor S S， Hawileh R A， Abuobeidah A， et al. Performance of Hybrid Carbon and Basalt FRP Sheets in Strengthening Concrete Beams in Flexure[J]. Composite Structures， 2019，217：111337.

[8]Mofidi A， Chaallal O. Shear Strengthening of RC Beams with EB FRP： Influencing Factors and Conceptual Debonding Model[J]. Journal of Composites for Construction， 2011，15（1）：62-74.

[9]Cai J， Pan J， Zhou X， et al. Flexural behavior of basalt FRP reinforced ECC and concrete beams[J]. Construction and Building Materials， 2017，142：423-430.

[10]Ge W， Zhang J， Cao D， et al. Flexural behaviors of hybrid concrete beams reinforced with BFRP bars and steel bars[J]. Construction and Building Materials， 2015，87：28-37.