工程结构用FRP筋的力学性能

姚昆

陕西新卓瀛建筑设计工程有限公司 陕西 西安 710000

摘要：随着建筑行业的迅猛发展，工程施工中逐渐大量使用新材料和新技术，这在很大程度上使得工程施工工期和成本支出大大地缩减。众所周知，钢筋的易锈蚀特性一直是影响工程结构耐久性最不利的因素之一，而纤维增强塑料筋（FRP筋）具有着耐腐蚀性、抗拉强度高、抗剪强度低和轻质等特性，从而能够在恶劣的施工环境下，能够有效地替代普通钢筋，提高钢筋混凝土结构的耐久性，避免后期因除锈或采用的各种防腐蚀措施而造成不必要的工程成本支出及工程进度的影响。

关键词：纤维增强塑料；力学性能；应用；耐久性；钢筋

1、前言

常见的工程结构有钢筋混凝土结构、钢结构和钢-钢筋混凝土组合结构都有着各自的优缺点。然而实际工程建设中钢筋锈蚀十分突出的问题，容易造成工程结构过早老化，从而破坏其结构功能。新材料的广泛应用对土木工程行业未来的发展有着举足轻重的影响。

FRP筋正因其具有高抗拉强度、耐腐蚀性、轻质、施工方便和耐疲劳等优势，才得以在工程建设领域中受到广泛的应用，特别是在恶劣的施工环境下。其中，FRP筋应用最多的是基础设施和海洋工作中，主要是为了解决钢筋锈蚀导致钢筋混凝土耐久性差等问题的发生。

2、FRP筋的基本特点

2.1、FRP筋的基本力学性能

FRP筋主要是由高性能纤维和基体材料所组成的，纤维是一种增强材料，具有加劲等效果，而基体材料则具有粘结和传递剪力等效果。其中，纤维的种类众多，主要包括玻璃纤维、混杂纤维、芳纶纤维和碳纤维等四种，而同样基体材料也是众多，主要包括聚酰胺树脂、聚酯、聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯等五种。根据上述所描述的纤维，可知不同种类的纤维所组成的FRP筋类型也是不同的，所以不同类型的FRP筋性能也是有着很大的区别的，当下的建材市场中最常见的FRP筋主要包括了混杂纤维增强塑料筋（HFRP筋）、玻璃纤维增强塑料筋（GFRP筋）、芳纶纤维增强塑料筋（AFRP筋）和碳纤维增强塑料筋（CFRP筋）这四类，可是作为应用于工程建设领域的一种新型复合材料，其中存在着相当多的共性。因此，FRP筋主要有以下8种优点^[1]：

1. 密度小，质量轻。据实验数据显示，FRP筋的密度很小，通常相当于1/6～1/4钢筋的密度，这无疑大大地降低了结构的自重，便于施工现场的吊运。然而常见的大跨度桥梁的悬索或斜拉索通常使用的都是FRP索，这一定程度上使得桥梁的横跨能力得以大大地提升。

2. 顺纤维方向抗拉强度高。与普通钢筋相比，则要远高于，而与之相近的则是高强钢丝或钢绞线这类。其中，CFRP筋的抗拉强度最高，一般都有1500～2400MPa，甚至有的还高达3700MPa。

3. 耐锈蚀性。众所周知，钢筋是很容易因为锈蚀而导致结构受到严重的破坏，而FRP筋则不会，所以说FRP筋是十分合适在恶劣的且具有强腐蚀性的环境中使用，利用其耐锈蚀性的特性，确保结构的耐久性良好，从而降低后期因锈蚀而需要维护的成本费用。其中，又以CFRP筋耐久性为最好，就算长期处在强酸强碱、潮湿、紫外线强，甚至是多盐等环境下，其结构性能的降低也是微乎其微的，因此，CFRP筋是最适合在特别恶劣的环境下使用。

4. 电磁绝缘性好。由于FRP筋是属于无磁感应的材料，所以说是最佳的代替钢筋用于工程建设领域的一种新型复合材料，并且能使结构的性能满足各种特殊要求。

5. 减振性能好。复合材料最大的共性则是自振频率高，因此，工程建设施工时，要做好早期共振的避免措施；况且复合材料的内部阻尼是相当之大的，因此引起振动的同时，其衰减速度也是相当之快的。

6. 低传热性和低导电性。而具有低传热性和低导电性的特性只有AFRP筋和GFRP筋，十分适合用于对传热和导电等有特殊要求的工程建设项目中去。

7. 作为一种复合材料，FRP筋是具备着可设计的条件，可依据构件的不同需求特征来加工成性能不同，且具有一定差异的产品。

8. 疲劳性能良好。与钢筋的疲劳性能相比，CFRP筋与AFRP筋明显要更优，而疲劳性能最好的则属于CFRP筋。

FRP筋除了上述八大优势之外，也是存在着一些劣势的，主要有以下7种：

1. 无塑性。据相关实验数据表明，FRP筋的应力—应变曲线关系图可看出，其表现为线弹性。

2. FRP筋的极限延伸率远低于钢筋。其中，极限延伸率最低的则为CFRP筋。

3. FRP筋的弹性模量低于钢筋。根据实验数据得出的曲线关系图，并计算汇总得到FRP筋的弹性模量范围相当大，可是常用的CFRP筋大约只占钢筋弹性模量的75％，而AFRP筋大约只占钢筋弹性模量的35％，最后GFRP筋大约只占钢筋弹性模量的20％。

4. 温度膨胀系数与混凝土之间存在一定的差别。根据实验数据可知，轴向温度膨胀系数由大到小依次为GFRP筋、CFRP筋和AFRP筋，而GFRP筋的轴向温度膨胀系数与混凝土相当接近。所以温度变化势必会导致引起CFRP筋和AFRP筋的预应力混凝土中预应力大量的损失，这是传统预应力混凝土结构并没有的损失。FRP筋横向温度膨胀系数均是相对较大的，因此，温度的过大变化是十分容易导致FRP筋无法与混凝土间很好的粘结，从而致使混凝土膨胀开裂，破坏整体结构的耐久性。

2.2、FRP筋与钢筋的区别

从上述对FRP筋的力学性能进行分析，不难发现其与钢筋的力学性能是有一定区别的，各种FRP 筋与钢筋力学性能指标的对比，见下表2.1所示。

表2.1 FRP筋与钢筋力学性能指标

类别	屈服强度(MPa)	极限抗拉强(MPa)	弹性模量(GPa)	屈服应变(%)	极限应变(%)
钢筋	276~517	483~690	200	1.4-2.5	6~12
GFRP	/	483~1600	35~51	/	1.2~3.1
CFRP	/	600~3690	120~580	/	0.5~1.7
AFRP	/	1720~2540	41~125	/	1.9~4.4

FRP筋与普通钢筋、冷拉钢丝的应力—应变曲线关系图，见下图2.1所示。从应力—应变曲线进行分析，可得知在达到极限抗拉强度之前，FRP筋的应力—应变的本构关系是呈线性的，没有出现任何的塑性变形迹象。

图2.1 FRP筋与普通钢筋、冷拉钢丝的应力－应变曲线

四、总结

综上所述，随着社会科技的快速发展，很多新型复合材料的诞生，一定程度上取代了传统材料性能无法满足当下建筑的功能需求。因此，与钢筋对比，FRP筋具有独特的力学性能，被广泛应用于工程建设领域中，能充分发挥出其特性的优势，但也存在着一些劣势，仍有待研究和加强。

参考文献

[1]赵荣海.FRP筋的特点及其在土木工程中的应用[J].海峡科学,2008(11):67-69.

[2]凌亚青,邓宇,姬帅,聂威,王丽.FRP筋材的研究及在工程中的应用[J].四川建材,2013,39(02):43-44.

3