FRP筋性能及在混凝土结构中的应用

第24卷 第1期 2006年 3月 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 IOURNA OF HEBEI INSTITUTE OF ARCHITECPURAL ENGINEERING v01. 24 No. I March 2006 FRP筋性能及在混凝土结构中的应用 李树新，李贵春2 河北建筑工程学院;2张家口市第一建筑工程公司 摘 要 简要介绍了FRP筋的类型及生产过程，重点讲述了FRP筋的力学特性及在混凝土 工程结构中的应用 关键词 FRP筋;力学性能;混凝土结构 中图号 TU22 FRP筋是由多股连续纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等)通过基底材料(如聚酞胺树脂、聚乙 烯树脂、环氧树脂等)进行胶合后，经特制的模具挤压并拉拔成型的一种新型钢筋代用材料. 1 FRP筋类型及发展 常见的FRP筋所采用的纤维原料，一般有玻璃纤维增强塑料(简称GFRP)、碳纤维增强塑料(简称 CFRP)和芳纶纤维增强塑料(简称AFRP)等几种.这些FRP筋中，GFRP筋研制最早.早在1942年，美国 橡胶公司将玻璃纤维和碳酸树脂复合、固化，制成了玻璃纤维增强塑料.1970年，欧洲首先开始将玻璃 纤维增强塑料制成GFRP筋应用于混凝土结构，并开展了一些有关的初步试验研究.CFRP筋是美国联 合碳化物公司在1959年开发的，该公司生产了以人造丝为原料的世界上第一种高弹模的碳纤维增强塑 料.AFRP筋是美国杜邦公司于1972年开发生产的，它也具有轻质、高强、高弹模等特点，而且价格比碳 纤维便宜. 2 FRP筋生产工艺过程 在FRP筋的生产过程中(以GFRP筋为 例).首先将多股玻璃纤维轻微扭转后通过树 脂浸渍器浸渍，然后进行矫直处理，并通过一个 热金属模张拉，再去除多余的树脂即可生产出 所要求直径的光面GFRP筋，如图1(a)所示: GFRP筋的最终组成成分中玻璃纤维约占 (.)q技过程 CFRP筋 (b)缠绕过程 图1 FRP的生产过程 70%，热固性树脂约占30%一般来说，玻璃纤维含量愈高,GFRP筋强度愈高，但挤拉成型愈困难， 玻璃纤维本身直径很小，为提高GFRP筋与混凝土的粘结力，还可采用如图1(b)所示的缠绕过程， 在光面GFRP筋的表面周围缠绕一束螺旋形玻璃纤维，形成螺纹GFRP筋.实验证明，螺纹GFRP筋与 混凝土的粘结强度要明显高于光圆GFRP筋与混凝土的粘结强度. 作为混凝土结构配筋用的FRP筋，其外形可做成光圆、螺纹、矩形及工字形等，这也是国外较常用 的四种形式的FRP筋.此外，也可直接将FRP筋制作成网板用于板的配筋，或直接将连续纤维制作成 FRP板用于各种结构的加固. 3 FRP筋力学性能 不同的连续纤维化学成分是不同的，其物理力学性能差别也很大，相应的FRP筋的物理力学性能 也是不同的.作为钢筋的新型代用材料，FRP筋与普通钢筋或高强钢丝相比，主要有以下一些特点: 3.1 杭转强赌商 收稿日期:2005一09一28 作者简介:男，1970年生，讲师，张家口市，075024 第1期 李树新 李贵春 FRP筋性能及在混凝土结构中的应用 钢筋和几种常见的连续纤维及相应的FRP筋力学性能分别见表1、表2. 表1钢筋【钢丝)和连续纤维的物理学性质 密 度 弹性模量 抗拉强度 (MPa) 极限拉应变 (%) 10.0 4.0 2.4 106 2-吕 ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? ? 芳纶纤维 ， ? ， ? ? ? ? ? ， ? 7850 7850 2580 1800 1440 表 2 钢筋(钢丝)和FRP的物理学性质 材料种类 R级钢筋 高强钢丝 GFRP筋 CFRP筋 AFRP筋 密 度 (Kg/.') 抗拉强度 (MP.) 极限拉应变 1500 l3仪 1 弹性模量 (MPa) 2.0x10' 1.8 x 10' 5.1 .101 1.5.10, 6.4x1护 335 1800 1670 1700 1610 (%) 10.0 4.0 3.3 1.1 2.5 从表1和表2可以看出，作为钢筋的一种新型替代材料，连续纤维和用其制作的FRP筋与普通钢 筋及高强钢丝相比，其抗拉强度远高于普通钢筋.而且，当采取特殊工艺时，GFRP的强度可以达到 2000MPa以上，与高强钢丝相当. 32 塑性变形小 图2为FRP筋与普通钢筋、冷拉钢丝的。一。曲 线.从变化曲线可以看出，在达到极限抗拉强度之前 FRP筋的。一。曲线基本呈线性关系，无塑性变形 发生. 3.3 抗腐蚀性能好 各种FRP筋均具有非常良好的抗腐蚀性能，这是 FRP筋最突出的优点之一 所以对于水利工程、桥梁、 码头等在潮湿环境或其它侵蚀性环境中工作的结构构 n (M'a) 修遗钢筋 冷拉例丝 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? 10 15 1〔， 图ZFRP与普通钢筋，冷拉钢丝的应力应变曲线 件，FRP筋非常适合于用作为钢筋的替代材料，还是对结构构件进行加固处理良好材料. 3.4 重度小 从表1及表2也可看出，FRP筋的重度一般仅为钢筋的20%左右，有利于减轻结构自重. 3.5 热胀系数与混凝土接近 FRP筋的热胀系数一般在((0.8一1.2) x10一，左右，与混凝土接近，当周围环境温度变化时，不会产 生较大的温度应力，破坏FRP筋与混凝土之间的粘结.从而保证了FRP筋与混凝土之间能协同工作 3.6 抗疲劳性能较好 根据试验资料，FRP的抗疲劳性能与钢筋相当，能够满足结构构件对抗疲劳的要求. 3.7 电磁绝缘性好 在一些特殊的建筑(如变电所基础、飞机跑道、医院以及有特殊要求的实验室)中，由于钢筋混凝土 结构中钢筋的存在而对整个结构的电磁场会产生不利于使用的影响，而FRP筋是非金属材料。其电磁 绝缘性能好，用以替代钢筋是十分合适的. 3.8 光面FRP筋粘结强度差 光面FRP筋与混凝土之间的粘结强度极低，因此除无粘结FRP筋预应力混凝土外，必须采用螺纹 FRP筋. 3.9 杭前弓吊席蛤呀氏 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 第24卷 一般FRP筋的抗剪强度仅有50 -60MPa。不超过抗拉强度的10%，故它们可以很容易地被剪断 故 在进行FRP筋材料试验以及将FRP筋作为预应力筋时，需研制专门的锚、夹具. 3.10 弹性模f较低 一般GFRP筋在拉伸时的弹性模量在4x10-0一7 x 10-'MP.之间，约为钢筋弹性模量的25%- 70%.这样，在配有FRP筋的混授土结构中，如不施加预应力，挠度较大和裂缝开展较宽将是不可避免的， 3.11热稳定性较差 一般来说，FRP筋的弯曲强度在温度超过204℃后将明显下降，因此在一些特殊的建筑中需专门考 虑温度对FRP筋强度的影响.但对于一般土木工程中的基础、挡土墙、灌注桩、地面、楼板、路面和人行 道等混凝土结构，因环境温度不高且变化也较小，使用FRP筋不会受到明显影响‘ 3.12 不便现场加工 FRP筋虽可制成任意形状，如直线形、直线带900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.(目前正在研究采用热塑性 树脂制作FRP筋，以克服这一缺点.) 3.13成本较离 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. 4 FRP筋在工程结构中的应用 FRP筋的应用主要有以下几个方面.(1)由于FRP筋轻质高强及抗腐蚀性好，常用做混凝土桥梁大 梁和板中的配筋或外部加固筋.(2)用做斜拉桥的拉索.(3)用做预应力筋.由于FRP筋具有较小的弹 性模量及低松弛性能，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.(4)用于码头结构、混凝土槽道及喷射混凝土.(5)由于FRP筋的非磁性，可用于雷 达站结构中.(6)由于重量较轻携带方便，可用于极地考察站结构的建设中.(7)可用做水泥路面的传力 杆，因为普通钢筋传力杆的腐蚀会引起混凝土路面的剥落，降低路面的使用性和耐久性.(8)用做地锚. 5 结语 虽然FRP筋在我国的研究起步较晚，但可以借鉴国外的先进研究成果和实践经验，缩小与国际先 进水平的差距.在FRP筋的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 过程中，应注意FRP筋与普通钢筋的差异，根据FRP筋自身的特点进 行设计，同时保证结构的安全性能和使用功能.随着研究和实践的深人 FRP筋会成为一种常用的建筑 材料，应用于一般的结构中. 参 考 文 献 [1]茅卫兵.混凝土结构中新型钢筋代用材料FRP筋的配筋试验研究.1998,11 汇2」王文炜.纤维复合材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究.2003,5 [3]陈杰 FRP加固钢筋混凝土柱抗震性能的试验研究.2004,3 [4〕王勃.FRP加筋混凝土梁的力学与自感知性能研究.2004,4 [5)陈博.纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺及其应用.中国玻璃钢工业协会，2005,4 Function of FRP Steel and its Application in the Concrete Structure Li Shuxint Li Guichun2 l. Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering 2. Zhangjiakou No. I Construction Group Abstract The authors of this paper give a brief introduction on the category and production process of FRP steel, mainly focusing on the dynamic property of FRP steel and its application in the construction of concrete structure. Key words FRP steel;dynamic property; application