FRP筋混凝土梁彎、剪性能研究現(xiàn)狀淺析①

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(1.東華理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西雄宇(集團(tuán))有限公司，江西 進(jìn)賢 331700)

引言

鋼筋和混凝土是目前基礎(chǔ)設(shè)施中的主要材料，但近些年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕、性能劣化問題卻日益嚴(yán)重，其中以鋼筋銹蝕最為常見。這不僅影響到結(jié)構(gòu)的正常使用和壽命，而且還會造成大量的安全事故或隱患。解決上述問題的方法之一是采用新結(jié)構(gòu)材料或發(fā)展新結(jié)構(gòu)體系。在新結(jié)構(gòu)材料中，纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)材料已被用于混凝土結(jié)構(gòu)中，旨在從根本上解決由鋼筋銹蝕引起的工程失效問題。

在混凝土結(jié)構(gòu)中使用FRP材料，已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)，也已成為世界范圍內(nèi)的熱點(diǎn)研究課題。近年來，F(xiàn)RP筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar)作為普通鋼筋的替代材料，被越來越多地用于混凝土結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為高耐久性結(jié)構(gòu)的主要研究方向之一。本文對FRP筋混凝土梁受彎、受剪性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

1 FRP筋混凝土梁的受彎性能

Santoh N等[1]討論了FRP加筋混凝土構(gòu)件的彎曲性能和設(shè)計(jì)方法，在抗彎設(shè)計(jì)中變形控制起主要作用，工作應(yīng)力法比極限強(qiáng)度法更有優(yōu)勢。Theriault M等[2]研究了FRP筋的配筋率和混凝土抗壓強(qiáng)度對FRP筋混凝土構(gòu)件彎曲性能的影響。研究表明，F(xiàn)RP筋的配筋率和混凝土抗壓強(qiáng)度對裂縫間距和裂縫寬度影響不大。Toutanji H A等[3]研究了GFRP梁的開裂、變形、筋應(yīng)力、極限荷載，包括20根不同配筋率的梁，大多數(shù)破壞是在受壓區(qū)，混凝土被壓碎而不是GFRP斷裂。Ferreira A J等[4]認(rèn)為FRP構(gòu)件應(yīng)設(shè)計(jì)為超筋，F(xiàn)RP筋可布置在受壓區(qū)。GFRP筋受壓破壞應(yīng)變?yōu)?.5%～2.0%，可使混凝土壓碎時(shí)的受壓荷載從混凝土向FRP筋傳遞[5]。

高丹盈等[6]對62根FRP加筋混凝土梁進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)研究，分析了FRP筋類型、配筋率對裂縫間距、寬度、梁的變形以及承載力的影響。薛偉辰[7]對FRP加筋混凝土梁和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP加筋混凝土梁的受力過程、正截面強(qiáng)度、最大裂縫寬度、裂縫間距、變形等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為可按普通鋼筋混凝土和普通預(yù)應(yīng)力混凝土的方法計(jì)算。張雪忠等[8]參照研究預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁受彎性能的試驗(yàn)方法，對預(yù)應(yīng)力GFRP筋混凝土梁的受彎性能進(jìn)行了研究，得出了預(yù)應(yīng)力GFRP筋混凝土梁的荷載-撓度曲線，并對其受力過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。王茂龍等[9]對5根以FRP筋為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋、以普通鋼筋為非預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

李加貴等[10]通過鋼筋混凝土梁與芳綸纖維筋梁的彎曲試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，探討了芳綸纖維筋梁的正截面受力性能和破壞模式，分析了芳綸纖堆筋配筋率對混凝土梁的裂縫寬度、撓度和承載力等的影響，為今后進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)AFRP筋受彎構(gòu)件提供了參考。江世永等[11]進(jìn)行了BFRP筋無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁與全預(yù)應(yīng)力梁、非預(yù)應(yīng)力梁受彎性能的對比試驗(yàn)，并對非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率對BFRP筋無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對比分析了各試驗(yàn)參數(shù)對受彎性能的影響，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論推導(dǎo)[12]。甘怡等[13]還進(jìn)一步分析了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力BFRP筋混凝土梁的受彎性能。

郝慶多等[5，14]對配筋率不同的GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的受彎性能進(jìn)行了分析，通過對16根GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁進(jìn)行三分點(diǎn)靜載試驗(yàn)，研究了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋配筋率和混凝土強(qiáng)度對GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的影響。張慧勇[15]通過對4根FRP筋新建混凝土錨固梁的試驗(yàn)，研究了GFRP筋混凝土梁的受彎性能。

2 FRP筋混凝土梁的受剪性能

目前，國內(nèi)外針對FRP筋混凝土梁的抗彎性能已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，但是關(guān)于FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究還非常有限，尤其是國內(nèi)開展的更少。王作虎等[16]評述了國內(nèi)外有關(guān)FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究成果，對今后開展研究和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

Tureyen A K等[17]試驗(yàn)了9根大尺度沒有橫向配筋的混凝土淺梁(a/d>2.5)，目的是測驗(yàn)不同F(xiàn)RP筋和鋼筋彈性模量對梁的抗剪承載力中混凝土貢獻(xiàn)的影響，試驗(yàn)中采用了3種FRP筋(兩種GFRP筋，一種CFRP筋)和兩種不同屈服強(qiáng)度的鋼筋。Park S Y等[18]試驗(yàn)了16根混凝土梁，對FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)與研究。Paul A W等[19]采用連續(xù)螺旋FRP筋來承受剪切力，通過改變螺旋FRP筋的粘結(jié)方式、形狀和布置方式，研究了FRP筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力梁的抗剪性能，研究表明預(yù)應(yīng)力對增加FRP筋混凝土梁的剪切力有明顯幫助。Grace N F等[20]通過改變箍筋的間距和種類，試驗(yàn)研究了6根CFRP筋預(yù)應(yīng)力箱形梁的抗剪性能。

杜修力等[21]通過27根混凝土梁的受剪試驗(yàn)，研究了預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的剪切破壞形態(tài)，以及各種參數(shù)對其受剪承載力的影響，并與鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。李炳宏等[22]設(shè)計(jì)制作了6根配置BFRP連續(xù)螺旋箍筋的混凝土梁和2根配置矩形連續(xù)螺旋鋼箍的對比混凝土梁。通過試驗(yàn)，得出了BFRP連續(xù)螺旋箍筋混凝土梁的抗剪性能，分析了配箍率、剪跨比和縱筋率等因素對構(gòu)件抗剪性能的影響。葉泳等[23]對構(gòu)件在受剪狀態(tài)下兩種不同的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)箍筋的抗拉試驗(yàn)方法進(jìn)行了描述，模擬BFRP箍筋在構(gòu)件中的受力狀態(tài)，一種為L型BFRP箍筋抗拉試驗(yàn)方案；另一種為U型BFRP箍筋抗拉試件。

3 結(jié)語

本文在參考國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對FRP筋混凝土梁的受彎、受剪性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，同時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問題需要進(jìn)一步地開展研究：

(1)GFRP/鋼絞線復(fù)合筋是有效利用FRP材料性能的重要材料之一。然而，在國內(nèi)外范圍內(nèi)，目前關(guān)于GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎、受剪性能的研究還很少，建議進(jìn)一步研究。

(2)國外關(guān)于FRP筋混凝土梁抗剪性能的分析主要集中在無腹筋梁的研究方面，而對于有腹筋梁抗剪性能的研究還很不夠，今后應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究。

(3)由于FRP筋的抗剪強(qiáng)度低，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨具的研發(fā)存在困難，這也是FRP筋預(yù)應(yīng)力技術(shù)推廣的一個(gè)瓶頸問題，今后需要加強(qiáng)這方面的研究。

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