预应力FRP筋混凝土构件研究进展

吴 军 （祁门县建筑工程质量安全监督站，安徽 黄山 245400）

预应力FRP筋混凝土构件研究进展

吴 军 （祁门县建筑工程质量安全监督站，安徽 黄山 245400）

工程实践中，由于纤维增强复合材料的高强、轻质、不易腐蚀、无导电、无磁性这些特性，FRP材料已经被用于混凝土构件中来替代预应力钢筋。美国混凝土协会在纤维增强聚合物加固技术会议上做了有关预应力FRP筋混凝土构件方面的学术报告，出版了ACI440.4R-04规范。文章对规范中预应力FRP筋混凝土相关部分做一概述并比较了预应力FRP筋与传统预应力钢筋差别。

FRP；纤维增强聚合物；预应力；Paris公式；疲劳寿命；健康评估

1 绪论

FRP材料已经被建议用于预应力混凝土构件中，FRP材料的高强、轻质、不易腐蚀、无导电、无磁性等特性能够使它很好的在预应力FRP筋混凝土构件中发挥作用。FRP材料从形状上分为棒状、片状、网状和筋的形式，从材质上可分为阿基米德FRP筋、碳纤维FRP筋和玻璃纤维FRP筋三种。FRP这种复合材料是不均质且各向异性的，它的强度取决于纤维树脂的种类性能和加工过程，具体的细节则要从FRP筋制造商那里获得。预应力FRP筋构件的受力系统包括FRP筋及锚具，因此预应力FRP混凝土构件的受力性能取决于FRP筋、锚具以及他们共同组成的受力系统，为了使整体受力性能达标，每部分构件的具体受力性能都需要试验实测。

2 文献的局限性

文献重点研究了预应力阿基米德FRP筋和碳纤维FRP筋混凝土构件的抗弯性能，包括体内、体外两种FRP筋布置方式构件的实验性能。结论将应用于有粘结和无粘结的后张拉预应力FRP筋构件，并且只针对于全预应力构件，并没有包括特定的部分预应力构件。美国混凝土学会认为本规范与钢筋混凝土单跨和多跨桥是相关的。而对于在地震荷载下需要有较大延性及变形的FRP筋连续梁和受弯框架，本文并没有给出意见建议。

3 FRP筋及锚具

FRP筋的种类由组成筋的纤维来区分，文献ACI 440.4R-04中只提及了阿基米德FRP筋及碳纤维FRP筋，玻璃纤维FRP筋在持续荷载下抗蠕变性能较差，且相比于阿基米德FRP筋及碳纤维FRP筋更容易出现碱性降解。基于商用FRP筋制造商给出的数据，文献给出了FRP筋的性能特点。给类FRP筋品牌包括Arapree，FiBRA，Technora，Parafil，Leadline，and CFCC。不同的预应力FRP筋应采用不同的锚固方式，如：锥塞式锚具、直套筒式锚具、轮廓套筒式锚具、金属覆盖式及分离式锚具。而其余失效的锚具形式可分为两大类：锚具系统失效和外部FRP拉断。一般认为如果3倍于锚具直径的FRP筋没有拉断，那么此锚具就可以是满足需求的。锚具系统的损坏可分为4种模式：①FRP筋与套筒之间的磨擦力不足一直FRP筋移动甚至滑出锚具；②FRP筋与套筒同时相对于楔形锚环滑动；③楔形锚具相对于孔洞的滑动；④锚具内部FRP筋被拉断。

4 抗弯设计

传统的预应力钢筋混凝土构件在混凝土开裂前表现为弹性变形，钢筋屈服后挠度迅速增加，直到混凝土受压区压碎或者钢筋拉断导致构件破坏。但对于FRP筋构件来说，FRP筋在混凝土开裂前表现为弹性变形，而在混凝土开裂后随着荷载的增加，FRP的变形依旧近似为线性直至混凝土受压区压碎或者受拉筋被拉断。钢筋与FRP筋应力-应变关系对比如图1。由于FRP的弹性模量较低，因此相比于预应力钢筋混凝土构件，预应力FRP混凝土构件开裂荷载较低。

5 强度设计方法

预应力FRP筋混凝土梁的近似强度设计计算方法是基于界限配筋率理论，即在情况下受压区混凝土压碎和FRP筋拉断同时发生。混凝土压碎时认为极限压应变为0.003，由混凝土立方块做轴心受压试验测得；FRP筋破坏时认为其受力到达极限受拉承载力。

图1 预应力钢筋混凝土构件与预应力FRP筋混凝土构件挠度弯矩曲线对比图示

有粘结与无粘结FRP构件的设计方法均在文献中被提出。预应力FRP筋梁的受弯承载力极限状态取决于受压区破坏或者受拉区破坏。当配筋率大于界限配筋率的时候混凝土发生受压破坏，而受拉筋未破坏；当配筋率小于界限配筋率的时候表现为FRP筋受拉破坏而混凝土受压区未压碎。如同ACI318-02一样，当钢筋被拉伸引起强度下降的时候要考虑强度折减系数。受压控制区与受拉控制区之间的过度区域理论同样被提出。在受拉区域最边缘最大拉应变大于等于0.005；而受压控制区压最大拉应变小于等于0.002，强度折减系数——拉应变关系如图2。

图2 强度折减系数对比

规范中提到，当钢筋垂直方向排列（即在受压面上预应力筋处于不同深度）时，构件的受弯承载力取决于其应力应变分布。由于不同深度处筋的预应力分布不同，所以最终统一取最大曲率处筋的应力分布，另一方面，由于混合配筋不同深度的配筋率也不同，如竖琴形钢筋束和大量在底部翼缘的直线筋。

6 抗弯能力和张拉应力

规范中采用的混凝土的抗压强度与AASHTO的公路桥梁标准规范是一样的。除了对于混凝土中受拉应力的限值更为严格，这与文献ACI318-02是一样的。一般认为钢筋通常达到其屈服应力的85%或者近似应变为0.005，但是对于文献中提到的FRP筋的张拉应力只允许到达其极限应力的40%～65%。这种理论适用于应变在0.008～0.012之间或者是普通预应力钢筋应变1.5～2.5倍的预应力FRP筋。

7 对竖琴形钢筋束的应力修正

由于FRP筋曲率变化导致应变增加进而材料强度下降，文献中给出对于挠曲钢筋束及竖琴形钢筋束的强度修正。

8 损失

规范描述了不同种类的FRP筋的预应力损失。由于预应力转移引起的锚具支座损失是FRP筋体系的一种模式，由预应力筋蠕变、收缩和混凝土收缩引起的预应力损失可以与传统预应力钢筋采用一样的计算方法。相关的摩擦摆动系数需从预应力系统制造商那里获得。预应力FRP筋的松弛损失由以下3个原因造成：聚合物的松弛；纤维的伸直；纤维的松弛。分别考虑上述3个因素，总体松弛损失以应力百分比的形式表示。

9 延性及变形能力

因为FRP筋是脆性材料，并没有传统意义上的延性变形能力，所以要注意对构件破坏有足够的预警。由于延性较低，其变形程度可以作为其破坏状态的衡量指标。在构件弯曲破坏的时候可以将其变形能力定义为挠曲比，通过后者定义方式，预应力FRP构件可以有相当大的变形能力。另一种定义变形能力的方法是通过极限荷载下和正常使用荷载下挠度或曲率的数值比来表达。

10 可靠性

短期和长期荷载下预应力FRP梁的变形挠度的测定在文献中给出：对于短期受荷梁的挠度，考虑到混凝土开裂后预应力FRP筋混凝土梁的软化效应，提出了修正后的有效惯性矩计算方法；对于长期受荷下的FRP梁，其计算方式则与传统预应力钢筋混凝土类似（PCI，2000），并且引入调整系数来适应预应力FRP筋混凝土梁。

考虑到FRP筋的特殊性质，对于ACI318-02中给出的计算预应力FRP筋混凝土构件抗剪强度公式，文献作出了适当的修正。预应力FRP筋构件的抗剪承载力有3部分提供：混凝土提供的剪切强度；考虑变形后强度折减后FRP筋的剪切强度；垂直构件提供的剪切强度。

同ACI318-02给出非预应力FRP筋的最大间距限制一样，文献给出了预应力FRP筋的最大间距限制。并且为了保证剪切力不会引起构件突然的开裂破坏，以至于过大的危害，限定了FRP筋的最小配筋率。文献中采用FRP筋的变形后有效强度代替钢筋的屈服强度，对ACI318-02给出的最小配筋率公式作出修正。由于钢筋和FRP在力学性能上有很大的不同，文献还给出了FRP受剪筋的最小弯曲半径与直径的比率，即r/db，为3，同时最小尾长为12db。此外，FRP箍筋的弯曲封闭角要为90°。

11 粘结作用

由于FRP材料与钢筋的粘结机理不同，导致他们的形状、表面处理和弹性模量均不同。FRP筋的表面纹理的不同影响着其与周围混凝土的粘结作用。FRP筋的变形增长长度与FRP筋直径的关系在文献中给出，CFRP筋的变形与延长长度的计算公式在文献中给出，同时给出了不同FRP筋的变形延长的典型值。

12 无粘结体外FRP筋构件

对于无粘结体外预应力FRP筋来说，其与混凝土之间的拉力是无法确定的。预应力FRP筋混凝土中的最终拉应力由Naaman给出近似的计算方法，该方法通过对有粘结筋预应力构件应力的计算公式乘以折减系数，在得到预应力筋的应力之后，即可同有粘结筋构件一样计算极限弯矩。极限状态的应力折减系数有多个影响因素，包括：加载方式；裂缝在梁上的分布范围；0和1.0之间取值的不同，其中1.0代表有粘结筋。

体内无粘结筋与体外无粘结筋最大的不同之处就在于体外无粘结筋在受力的过程中。另外，由于是体外无粘结筋，其在混凝土转向块处的极限应力也要予以不同的考虑，文献中给出了计算体内无粘结和体外预应力FRP筋的极限作用效应不同的公式。

13 打桩与原地弯曲

文献给出了不同的预应力混凝土打桩过程中可能出现的破坏模式，出了各类已有的研究，美国还对全尺寸预应力FRP筋混凝土桩进行了驱动监测试验以验证其表现特点。

14 研究展望

规范中提到，协会关注的一些相关领域问题仍有待研究，包括：①经济节约型FRP筋和锚固系统的研究；②无粘结筋锚固系统的疲劳效应和抗火性能；③受到反复作用力的设备需要研究应力集中对于FRP筋的影响；④有粘结预应力FRP筋的长期作用性能有待研究；⑤电化腐蚀有待研究；⑥后张拉体外FRP筋的收缩。

[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