預應力FRP筋混凝土構件研究進展

吳 軍 （祁門縣建筑工程質量安全監督站，安徽 黃山 245400）

預應力FRP筋混凝土構件研究進展

吳 軍 （祁門縣建筑工程質量安全監督站，安徽 黃山 245400）

工程實踐中，由于纖維增強復合材料的高強、輕質、不易腐蝕、無導電、無磁性這些特性，FRP材料已經被用于混凝土構件中來替代預應力鋼筋。美國混凝土協會在纖維增強聚合物加固技術會議上做了有關預應力FRP筋混凝土構件方面的學術報告，出版了ACI440.4R-04規范。文章對規范中預應力FRP筋混凝土相關部分做一概述并比較了預應力FRP筋與傳統預應力鋼筋差別。

FRP；纖維增強聚合物；預應力；Paris公式；疲勞壽命；健康評估

1 緒論

FRP材料已經被建議用于預應力混凝土構件中，FRP材料的高強、輕質、不易腐蝕、無導電、無磁性等特性能夠使它很好的在預應力FRP筋混凝土構件中發揮作用。FRP材料從形狀上分為棒狀、片狀、網狀和筋的形式，從材質上可分為阿基米德FRP筋、碳纖維FRP筋和玻璃纖維FRP筋三種。FRP這種復合材料是不均質且各向異性的，它的強度取決于纖維樹脂的種類性能和加工過程，具體的細節則要從FRP筋制造商那里獲得。預應力FRP筋構件的受力系統包括FRP筋及錨具，因此預應力FRP混凝土構件的受力性能取決于FRP筋、錨具以及他們共同組成的受力系統，為了使整體受力性能達標，每部分構件的具體受力性能都需要試驗實測。

2 文獻的局限性

文獻重點研究了預應力阿基米德FRP筋和碳纖維FRP筋混凝土構件的抗彎性能，包括體內、體外兩種FRP筋布置方式構件的實驗性能。結論將應用于有粘結和無粘結的后張拉預應力FRP筋構件，并且只針對于全預應力構件，并沒有包括特定的部分預應力構件。美國混凝土學會認為本規范與鋼筋混凝土單跨和多跨橋是相關的。而對于在地震荷載下需要有較大延性及變形的FRP筋連續梁和受彎框架，本文并沒有給出意見建議。

3 FRP筋及錨具

FRP筋的種類由組成筋的纖維來區分，文獻ACI 440.4R-04中只提及了阿基米德FRP筋及碳纖維FRP筋，玻璃纖維FRP筋在持續荷載下抗蠕變性能較差，且相比于阿基米德FRP筋及碳纖維FRP筋更容易出現堿性降解?；谏逃肍RP筋制造商給出的數據，文獻給出了FRP筋的性能特點。給類FRP筋品牌包括Arapree，FiBRA，Technora，Parafil，Leadline，and CFCC。不同的預應力FRP筋應采用不同的錨固方式，如：錐塞式錨具、直套筒式錨具、輪廓套筒式錨具、金屬覆蓋式及分離式錨具。而其余失效的錨具形式可分為兩大類：錨具系統失效和外部FRP拉斷。一般認為如果3倍于錨具直徑的FRP筋沒有拉斷，那么此錨具就可以是滿足需求的。錨具系統的損壞可分為4種模式：①FRP筋與套筒之間的磨擦力不足一直FRP筋移動甚至滑出錨具；②FRP筋與套筒同時相對于楔形錨環滑動；③楔形錨具相對于孔洞的滑動；④錨具內部FRP筋被拉斷。

4 抗彎設計

傳統的預應力鋼筋混凝土構件在混凝土開裂前表現為彈性變形，鋼筋屈服后撓度迅速增加，直到混凝土受壓區壓碎或者鋼筋拉斷導致構件破壞。但對于FRP筋構件來說，FRP筋在混凝土開裂前表現為彈性變形，而在混凝土開裂后隨著荷載的增加，FRP的變形依舊近似為線性直至混凝土受壓區壓碎或者受拉筋被拉斷。鋼筋與FRP筋應力-應變關系對比如圖1。由于FRP的彈性模量較低，因此相比于預應力鋼筋混凝土構件，預應力FRP混凝土構件開裂荷載較低。

5 強度設計方法

預應力FRP筋混凝土梁的近似強度設計計算方法是基于界限配筋率理論，即在情況下受壓區混凝土壓碎和FRP筋拉斷同時發生?；炷翂核闀r認為極限壓應變為0.003，由混凝土立方塊做軸心受壓試驗測得；FRP筋破壞時認為其受力到達極限受拉承載力。

圖1 預應力鋼筋混凝土構件與預應力FRP筋混凝土構件撓度彎矩曲線對比圖示

有粘結與無粘結FRP構件的設計方法均在文獻中被提出。預應力FRP筋梁的受彎承載力極限狀態取決于受壓區破壞或者受拉區破壞。當配筋率大于界限配筋率的時候混凝土發生受壓破壞，而受拉筋未破壞；當配筋率小于界限配筋率的時候表現為FRP筋受拉破壞而混凝土受壓區未壓碎。如同ACI318-02一樣，當鋼筋被拉伸引起強度下降的時候要考慮強度折減系數。受壓控制區與受拉控制區之間的過度區域理論同樣被提出。在受拉區域最邊緣最大拉應變大于等于0.005；而受壓控制區壓最大拉應變小于等于0.002，強度折減系數——拉應變關系如圖2。

圖2 強度折減系數對比

規范中提到，當鋼筋垂直方向排列（即在受壓面上預應力筋處于不同深度）時，構件的受彎承載力取決于其應力應變分布。由于不同深度處筋的預應力分布不同，所以最終統一取最大曲率處筋的應力分布，另一方面，由于混合配筋不同深度的配筋率也不同，如豎琴形鋼筋束和大量在底部翼緣的直線筋。

6 抗彎能力和張拉應力

規范中采用的混凝土的抗壓強度與AASHTO的公路橋梁標準規范是一樣的。除了對于混凝土中受拉應力的限值更為嚴格，這與文獻ACI318-02是一樣的。一般認為鋼筋通常達到其屈服應力的85%或者近似應變為0.005，但是對于文獻中提到的FRP筋的張拉應力只允許到達其極限應力的40%～65%。這種理論適用于應變在0.008～0.012之間或者是普通預應力鋼筋應變1.5～2.5倍的預應力FRP筋。

7 對豎琴形鋼筋束的應力修正

由于FRP筋曲率變化導致應變增加進而材料強度下降，文獻中給出對于撓曲鋼筋束及豎琴形鋼筋束的強度修正。

8 損失

規范描述了不同種類的FRP筋的預應力損失。由于預應力轉移引起的錨具支座損失是FRP筋體系的一種模式，由預應力筋蠕變、收縮和混凝土收縮引起的預應力損失可以與傳統預應力鋼筋采用一樣的計算方法。相關的摩擦擺動系數需從預應力系統制造商那里獲得。預應力FRP筋的松弛損失由以下3個原因造成：聚合物的松弛；纖維的伸直；纖維的松弛。分別考慮上述3個因素，總體松弛損失以應力百分比的形式表示。

9 延性及變形能力

因為FRP筋是脆性材料，并沒有傳統意義上的延性變形能力，所以要注意對構件破壞有足夠的預警。由于延性較低，其變形程度可以作為其破壞狀態的衡量指標。在構件彎曲破壞的時候可以將其變形能力定義為撓曲比，通過后者定義方式，預應力FRP構件可以有相當大的變形能力。另一種定義變形能力的方法是通過極限荷載下和正常使用荷載下撓度或曲率的數值比來表達。

10 可靠性

短期和長期荷載下預應力FRP梁的變形撓度的測定在文獻中給出：對于短期受荷梁的撓度，考慮到混凝土開裂后預應力FRP筋混凝土梁的軟化效應，提出了修正后的有效慣性矩計算方法；對于長期受荷下的FRP梁，其計算方式則與傳統預應力鋼筋混凝土類似（PCI，2000），并且引入調整系數來適應預應力FRP筋混凝土梁。

考慮到FRP筋的特殊性質，對于ACI318-02中給出的計算預應力FRP筋混凝土構件抗剪強度公式，文獻作出了適當的修正。預應力FRP筋構件的抗剪承載力有3部分提供：混凝土提供的剪切強度；考慮變形后強度折減后FRP筋的剪切強度；垂直構件提供的剪切強度。

同ACI318-02給出非預應力FRP筋的最大間距限制一樣，文獻給出了預應力FRP筋的最大間距限制。并且為了保證剪切力不會引起構件突然的開裂破壞，以至于過大的危害，限定了FRP筋的最小配筋率。文獻中采用FRP筋的變形后有效強度代替鋼筋的屈服強度，對ACI318-02給出的最小配筋率公式作出修正。由于鋼筋和FRP在力學性能上有很大的不同，文獻還給出了FRP受剪筋的最小彎曲半徑與直徑的比率，即r/db，為3，同時最小尾長為12db。此外，FRP箍筋的彎曲封閉角要為90°。

11 粘結作用

由于FRP材料與鋼筋的粘結機理不同，導致他們的形狀、表面處理和彈性模量均不同。FRP筋的表面紋理的不同影響著其與周圍混凝土的粘結作用。FRP筋的變形增長長度與FRP筋直徑的關系在文獻中給出，CFRP筋的變形與延長長度的計算公式在文獻中給出，同時給出了不同FRP筋的變形延長的典型值。

12 無粘結體外FRP筋構件

對于無粘結體外預應力FRP筋來說，其與混凝土之間的拉力是無法確定的。預應力FRP筋混凝土中的最終拉應力由Naaman給出近似的計算方法，該方法通過對有粘結筋預應力構件應力的計算公式乘以折減系數，在得到預應力筋的應力之后，即可同有粘結筋構件一樣計算極限彎矩。極限狀態的應力折減系數有多個影響因素，包括：加載方式；裂縫在梁上的分布范圍；0和1.0之間取值的不同，其中1.0代表有粘結筋。

體內無粘結筋與體外無粘結筋最大的不同之處就在于體外無粘結筋在受力的過程中。另外，由于是體外無粘結筋，其在混凝土轉向塊處的極限應力也要予以不同的考慮，文獻中給出了計算體內無粘結和體外預應力FRP筋的極限作用效應不同的公式。

13 打樁與原地彎曲

文獻給出了不同的預應力混凝土打樁過程中可能出現的破壞模式，出了各類已有的研究，美國還對全尺寸預應力FRP筋混凝土樁進行了驅動監測試驗以驗證其表現特點。

14 研究展望

規范中提到，協會關注的一些相關領域問題仍有待研究，包括：①經濟節約型FRP筋和錨固系統的研究；②無粘結筋錨固系統的疲勞效應和抗火性能；③受到反復作用力的設備需要研究應力集中對于FRP筋的影響；④有粘結預應力FRP筋的長期作用性能有待研究；⑤電化腐蝕有待研究；⑥后張拉體外FRP筋的收縮。

[1]AASHTO(1998).Standard Specifications for Highway Bridges,LRFD.US Customary Units,SecondEdition,AmericanAssociationof StateHighwayandTransportation Officials,Washington,D.C.,1998.

[2]ACI440.4R-04(2004).“Prestressing Concretewith FRP Tendons”,American Concrete Institute,Farmington Hills,Mich.,35.

[3]ACI Committee 318 (2002).“Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-02)and Commentary(318R-02),”American Concrete Institute,Farmington Hills,Mich.,443.

[4]Naaman,A.E.,Burns,N.,French,C.,Gamble,W.L.,and Mattock,A.H.(2002).“Stresses in UnbondedPrestressing Tendons at Ultimate: Recommendation,”ACI Structural Journal,V.99,No.4,July-Aug., pp.520-531.

[5]PCI(1975).“Recommendations for Estimating Prestress Losses,”PCI Journal,V.20,No.4,July-Aug.,pp.43-75.

[6]PCI(2000).Design Handbook,Fifth Edition,Precast/Prestressed Concrete Institute,Chicago,Ill.,690.

TU37

A

1007-7359（2016）06-0140-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.053