武汉理工大学硕士学位论文
1.2 FRP筋的发展应用现状 1.2.1 FRP材料的构成
FRP（Fiber Reinforced Polymer或Fiber Reinforced Plastic）是一种高性能纤维复合材料，其化学组成成分主要由两部分组成：1）基材，主要有聚酯树脂、聚酞胺树脂、环氧树脂三种，其作用是把纤维束粘聚，固化为整体，并在纤维外层形成保护膜从而避免外界腐蚀环境的影响。在树脂基体中放入特殊的添加剂，可以改善FRP的物理、化学性能，如提高强度、减小收缩、缓解徐变断裂等[5]。2）连续高性能纤维束，其中纤维的体积含量约占65%左右，一般来说一根FRP筋包含约10万根纤维束。纤维具体分为以下三种：（1）碳纤维（CFRP），碳纤维的抗拉强度最高，约为普通钢筋的10倍，但其延性较差，极限应变很小，制造成本也高。（2）玻璃纤维（GFRP），其弹性模量在三者中最小，但延伸率最高，极限应变最大，工程中常用的有E型和S型两种玻璃纤维，造价稍贵。（3）芳纶纤维（AFRP），芳纶纤维与碳纤维相比弹性模量稍低，但其延伸率要远优于碳纤维，且对紫外线较敏感。
1.2.2 FRP的加工工艺
FRP筋材是将多股连续有机高性能纤维溶入树脂材料，再经过专用的成产模具挤压、拉拔成型的一种高性能复合材料。在土木工程中，FRP筋材的主要受力体是纤维，纤维的体积含量约占FRP筋材的50%~65%左右，但它对力学性能的贡献在70%~80%左右，因此纤维的种类、体积含量、截面形式、构造的不同，在很大程度上决定了FRP筋整体的受力性能。一般来说，纤维的体积含量越高，FRP筋的抗拉强度也越高，但同时也增加了材料成型的难度。FRP筋中的树脂材料主要是将连续纤维粘结固化并有效传递纤维之间剪力作用。
FRP筋材的具体挤压成型工艺流程为：先将高性能纤维绑定在一起，然后经过基体浸胶槽，再由材料成型模拉出，形成束状产品；最后再经过固化室，使树脂在室内发生硬化固结。挤压成型工艺广泛适用于高弹性模量纤维以及不同类型的基体材料。具体工艺流程可以用图1-1示意：
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热金属粉纤维漆轴截断树脂浸渍器图1-1 FRP筋的制作工艺流程[6]
在土木工程中广泛应用的FRP材料，主要有以下5种形式：
（1）．FRP布：是用树脂作为纤维的润泽济和粘贴剂，后将纤维按一定的方向编织而成的纤维布材，此类大多用于建筑结构的加固和修复。
（2）．FRP板材：是在高温下，按照一定的比例将纤维和树脂固化挤压而成的，分为FRP板和FRP板条，也常用于结构的加固和修复
（3）．FRP型材：是将纤维和树脂按照一定的比例采用挤压成型工艺制作而成的，常用的有工字形、L形、槽形、圆形和矩形。
（4）．FRP棒材：即是FRP筋（见图1-2）和FRP格栅
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图1-2 FRP筋
（5）．FRP短纤维：由纤维长丝切短而成。
1.2.3 FRP筋的力学性能
FRP筋的性能由纤维种类、纤维含量、树脂的力学性能、纤维与树脂的适配性以及 FRP筋的成型工艺等因素来决定。FRP筋基本性能可概括如下：1）预应力FRP筋低松弛且弹性模量小，可以降低由徐变和混凝土收缩引起的预应力损失。2） FRP筋为脆性材料，应力—应变关系为线弹性，无明显的屈服点，极限应变小，表现为延性差。3）FRP筋一般表现为各向异性，顺纤维方向的强度和弹性模量很高，垂直纤维方向的强度和弹性模量很低，因此在受力上有许多不同于传统结构材料的现象，如拉伸翘曲[7] [8]。工程中广泛应用的几种FRP筋主要力学性能，见下表（表1-1）：
表1-1 FRP筋的力学性能
密度（g/m3） 屈服强度（MPa） 极限伸长率（%） 纵向热膨胀系数（10-6/°C）
11.7
0.6～1.0
4
钢筋 7.85
CFRP筋 1.5～1.6
GFRP筋 1.25～2.1 480-1600 - 35～65 1.2～3.1 8.0～10.0
AFRP筋 1.25～1.4 1200-2550 - 40～125 1.9～4.4 -6～-2
极限抗拉强度（MPa） 490～700 600～3700
280～420 -
120～580 0.5～1.7
>10
受拉弹性模量（MPa） 210
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表1-2 普通钢筋的力学性能
抗拉强度（Gpa） 抗拉模量（Gpa） 极限应变（%） 密 度（gcm3） 纵向膨胀系数（ppm0c）
FRP筋和普通钢筋（见表1-2）比，主要优点如下：
（1）．抗拉强度高：FRP筋的抗拉强度高是它相对于普通钢筋主要的力学优点之一。FRP筋的极限抗拉强度约为普通热轧钢筋的3~6倍，其中CFRP筋的强度最高约为2500Mpa，其次是AFRP筋和GFRP筋；正由于FRP筋的高强度，使得它可以和高强钢筋、钢绞线一样作为预应力筋使用。
（2）．强度质量比高：在相同直径的情况下，FRP筋的重量仅为普通钢筋的1 /7~1 /5；而且FRP筋轻质、高强、更有利于施工的使用，可节省工程造价。
（3）．耐腐蚀性好： 抗腐蚀也是FRP筋能够代替普通钢筋的主要优点之一。因为连续纤维是FRP筋的主要材料，它具有电化学活性小，耐酸、耐碱等抗腐蚀特性。优良的耐腐蚀性可以大大提高建筑结构的使用寿命和安全性，是替代普通钢筋的基础。但不同的FRP筋的耐久性也不相同，有研究表明，在碱性环境中工作六个月，GFRP筋的抗拉强度将下将25%，AFRP筋对水分也比较敏感，CFRP筋的耐腐蚀性的能力相对其他类型FRP筋要强。
（4）．密度小：FRP筋的密度约为1200kgm3~1500kgm3，仅为普通钢筋的25%左右，特别在大跨度结构中用FRP筋代替普通钢筋，可大大减少结构自重。
（5）．弹性模量低：相对于普通钢筋200Gpa的弹性模量，FRP筋的弹性模量较低，约为普通钢筋的1/3。将其应用于预应力混凝土结构，弹性模量低可相应减少预应力的损失。但在非预应力FRP筋混凝土结构中，产生较大的挠度和裂缝也是很难避免的[9]。
（6）．绝缘性好：FRP材料具有优良的电磁绝缘性，对一些有特殊要求的建筑，如医院、实验室、雷达站等，用它来代替普通钢筋是非常适用的。
FRP筋的不足之处主要有以下几点：
（1）．不适合现场加工：生产FRP筋的工艺要求较高，一般只在特定工厂
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普通热轧钢筋 高强钢筋、钢绞线
2.1~2.4 1800 10 7.85 11.7 5.4~3.6 2000 4 7.85 11.7
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预制而成，成形后，在施工现场很难对其进行加工。
（3）．抗剪强度低：相对于抗拉强度，FRP筋的抗剪切强度很低，通常仅为前者的10%，因此使用FRP筋时，一般不考虑FRP筋的抗剪作用[10]。特别在进行预应力FRP筋的材料试验时，为防止锚具损坏FRP筋，不能使用普通预应力钢筋的锚具，须研制专用的锚具和夹具[11]。
（4）．热胀系数与混凝土的差异： FRP筋的温度膨胀系数与混凝土差别较大，AFRP筋的纵向热膨胀系数为负值，CFRP筋纵向热膨胀系数为0.5?10?6。在预应力FRP筋混凝土结构中，因温度变化产生的预应力损失较预应力钢筋混凝土结构大。其次FRP筋的横向温度膨胀系数较大，在温度作用下产生变形，也会影响结构的耐久性[12]。
（5）．热稳定性差：环境温度若超出FRP的适宜范围，其抗拉强度会显著降低，因此在一些特殊温度条件下的结构需慎用FRP筋[13]。
（6）．存在徐变断裂现象。有研究表明，在持续高强度荷载作用下，FRP筋会表现出像混凝土那样因徐变影响而产生断裂的现象。一般当外荷载持续高于FRP筋极限强度的75%时，它的使用寿命就会受到影响，但只要控制张拉应力不超过其极限强度的60%，则产生徐变断裂的可能性就非常小，也就可以忽略FRP筋徐变的影响。
1.3 预应力FRP筋混凝土结构的发展和应用
1.3.1 国外
在美国，由于冬季大量解冻盐的使用，导致众多公路桥梁中的预应力筋和普通钢筋因锈蚀而损坏。上个世纪80年代美国就开始研发FRP复合材料应用于公路桥梁混凝土结构。康奈尔大学与南达科他矿业理工学院率先研发了玻璃纤维塑料筋(GFRP筋)，并将其应用于预应力混凝土梁试验，同时也配套研制了相应的锚固系统。1991年召开的第三界桥梁工程会议中，预应力FRP筋混凝土结构的研究成为重要议题并引起广泛关注，同时确定每年将在华盛顿TRC总部举行关于预应力FRP材料的研讨会。1993年，美国混凝土协会(ACI)组织举办了FRP混凝土结构研讨会，会上讨论了多项预应力FRP混凝土结构的研究成果并发表了60多篇有关研究论文。1999年美国混凝土协会首次提出FRP筋性能试验规程，取得了预应力FRP筋梁疲劳性能等阶段性成果。随后，Wyoming大学在2000年完成了CFRP筋预应力梁和桥面板设计的研究项目[14]。
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