Research of Materials Science March 2014, Volume 3, Issue 1, PP.17-21
The Study and Application of FRP Meterial in Concrete Structures Li Wang Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi 545006, China Email: 109277974@qq.com
Abstract FRP materials due to its excellent performance, it has great potential for development in the application of concrete structure, it has become a hot spot of research and application in the field of civil engineering. Based on the domestic and foreign data, the paper summarizes the FRP material properties, characteristics and the current status of research and application of FRP material in concrete structure, and prospect on the research direction of FRP material in the future. Keywords: FRP; Concrete Structure; Research; Applications
FRP 材料在混凝土结构中的研究与应用 王丽 广西科技大学，广西 柳州 545006 要：FRP 材料由于其优异的性能在混凝土结构中的应用极具发展潜力，已成为国内外土木工程界研究与应用的热点。
摘
本文在国内外相关资料的基础上，综述了 FRP 材料的性能、特点以及 FRP 材料在混凝土结构中的研究及应用现状，并 展望了 FRP 材料今后的研究方向。 关键词：FRP；混凝土结构；研究；应用
前言 FRP 材料的是由纤维材料和基底材料组合而成，纤维材料是增强材料，为主要受力材料，基底材料起粘 传递剪力的作用。根据所用的纤维材料的种类和性能，常见的 FRP 材料有碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤 维增强塑料（GFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）和混杂纤维增强塑料（HFRP）。FRP 材料的研究与应用 从 20 世纪 60 年代始于美国，经过近几十年的发展，FRP 原材料的生产工艺不断进步，成本也逐渐下降，FRP 材料在土木工程界中的应用也越来越广泛。 FRP 材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要，符合现 代施工技术的工业化要求，因此正被越来越广泛低应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结 构[1]。土木工程学科的发展，在很大程度上取决于性能优异的新材料的发展与应用。FRP 材料凭借其优异的 性能，已成为当今土木工程界研究与应用的热点。
1 FRP 材料的性能及特点 FRP 材料中纤维的含量对材料的性能和制作也有影响，一般来说，增加纤维含量可以加强 FRP 材料抗拉 能力，但是会降低其它性能，同时也相应的增加制作难度，特别是挤压或者拉拔成型会很困难。根据资料一 般 FRP 材料中纤维体积的含量在 60%～65%左右为适宜[2]。总的来说，FRP 筋具有以下特点：
1.1 FRP 的优点 - 17 http://www.ivypub.org/rms
a. 抗拉强度高。FRP 的抗拉强度要明显高于钢筋, 是一般普通钢筋的 5 到 8 倍，与预应力钢筋或钢绞线 相近，甚至还要高。 b. 自重轻。一般 FRP 的密度仅为钢筋的 25%，甚至还小，如果将其代替钢筋使用可有效的减轻结构的 自重，适合运用到一些多高层和大跨度结构当中。 c. 耐化学腐蚀。FRP 筋中的纤维和基底材料都属于高分子有机化合物，化学性能稳定，因此，当处于腐 蚀性环境中时，不容易与周围介质发生化学反应而锈蚀，其耐久性能要远远优于钢筋。 d. 抗疲劳。一般情况下，FRP 筋抗疲劳性能比钢筋要好，是一种较好的抗震耗能建材。 e. 非磁性电绝缘。FRP 筋是非磁性电绝缘材料,适合应用到有特殊使用要求的结构（如电磁台，军事设 施等）。
1.2 FRP 的缺点 a. 抗剪强度低。FRP 的抗剪强度一般不超过其抗拉强度的 10%，很容易发生弯折和剪切破坏。 b. 弹性模量低。FRP 筋的弹性模量最大不超过钢筋的 75%，因此在同等荷载情况下，FRP 将比钢筋产生 更大的应变，从而使构件出现较大的裂缝和变形。 c. 存在老化和徐变现象。在较差的环境中长时间承受较大荷载时，FRP 筋中的基底材料会产生徐变从而 导致 FRP 筋的破坏，减少 FRP 筋的使用寿命。 d. 纵横向热胀系数差异大。由于 FRP 材料横向热胀系数较大而纵向系数小，因此在温度差异大的环境 中，FRP 筋将会产生较大的纵横向变形差，从而对 FRP 筋的性能产生影响，还会造成与混凝土之间粘结破坏 问题[3]。
2 FRP 材料在国内外的研究及发展 2.1 美国 早在 20 世纪 60 年代，美国就已经开始了将 FRP 筋材应用于混凝土结构研发工作，主要是为了解决高速 路桥上用盐解冻所造成钢筋严重锈蚀而产生的结构耐久性问题[4]。到 80 年代，以康奈尔为首的部分院校研制 出玻璃纤维塑料增强筋（GFRP 筋），并进行了将该 GFRP 筋作为预应力筋的梁试验研究。1991 年，美国的 混凝土协会专门成立了名为 ACI440 委员会，主要研究 FRP 筋材的开发和应用，并同时开始了 FRP 筋混凝土 结构的试验方法标准及设计施工规程编制工作[6]。1999 年，美国推出了 FRP 加固钢筋混凝土结构技术指南。 2001 年，ACI440 委员会提出了 FRP 筋混凝土结构的设计和施工准则，并于 2003 年正式出版了《FRP 筋混 凝土结构的设计及施工指南（ACI440.1R -03）》[5]。
2.2 日本 日本对 FRP 材料的研究、开发及应用中一直占据领先地位。日本对 FRP 筋的研究开始于上世纪 70 年代， 主要对 FRP 筋的生产工艺进行了研究。1988 年，日本了成立专门的纤维复合材料研究委员会，并于 1991 年 完成了对 FRP 筋混凝土结构的评估方法，并于 1993 年在世界上最先编制出 FRP 筋混凝土结构的设计准则， 颁布了世界上第一本关于 FRP 加固的设计指南，1997 年，日本公布了 FRP 筋混凝土结构设计施工建议[6]。 目前，日本生产 FRP 筋的公司多达十几家，是生产纤维增强筋的最多的国家，其中最主要的是碳纤维。
2.3 加拿大 加拿大在 1989 年成立了专门研究高性能复合材料的委员会（简称 ACM），用于 FRP 筋的相关研究和应 用，该委员会分别在 1992、1996、2000 年举行 FRP 筋的学术交流论坛（简称 ACMBS）来促进该领域的深 入研究。并在 1993 年成立了 ACMBS Networks 组织，用于 FRP 筋的研究，生产和实际应用，并于同年建成 了加拿大第一座预应 FRP 筋桥。1995 年，加拿大成立了智能传感开发中心（简称 ISISCANADA 组织），主 - 18 http://www.ivypub.org/rms
要负责研究如何在钢筋锈蚀严重的桥梁中运用 FRP 筋以及其在相关领域的新用途。与此同时，以加拿大魁北 克 Sherbrooke 大学的 Brahim.Bemnokrane 教授为首的研究小组也开展了 FRP 筋在混凝土结构中的研究及应用 工作，在 FRP 筋的物理特性、弹性特征、力学性能和结构特性等方面取得了较为系统的研究成果[11]。
2.4 国内 我国对于 FRP 材料的开发和应用的研究工作开始的相对比较晚，主要开始与 90 年代末，但发展的十分 迅速。1995 年，中国水利部首次开展了 FRP 筋的研究与应用工作，该项目主要由河海大学建筑工程系承担 [6]-[10]
。1996 年，中国工程院院士吕志涛教授在东南大学成立了专门的 FRP 筋的研究小组，对 FRP 筋的各种
力学性能力学性能、FRP 筋预应力结构及其锚固系统、FRP 筋在斜拉桥中的应用、FRP 筋应变检测方法等开 展了系统的研究工作，取得了较好的成果[6][7]。1997 年，薛伟辰副教授在河海大学首次完成了 FRP 筋混凝土 结构的试验研究[11]。研制出了国内首批 FRP 筋材，由于 FRP 筋本构关系为线弹性，因次首次定义出 FRP 筋 的名义屈服强度，即将 80%的极限抗拉强度作为其屈服强度[12]。并对 FRP 筋与混凝土的粘结锚固性能的试 验提出了意见，给出了预应力和非预应力 FRP 筋混凝土构件的设计方法[12]。2000 年，郑州工业大学高丹盈 教授与加拿大 Sherbrooke 大学教授 Brahim.Benmokrane 合作对 FRP 筋的力学性能以及其混凝土构件的受力性 能进行了一系列研究[6]取得了丰硕的成果。2003 年，张鹏教授对 CFRP 筋预应力混凝土梁的受弯性能也进行 了试验研究。主要内容包括：对梁的破坏模式、承载能力、变形、裂缝开展、延性等情况进行了研究，分析 了各种参数对梁受力性能的影响，探讨了不同的预应力筋无粘结长度以及与环氧树脂钢筋共同工作时对梁受 力性能的影响，并首先提出了“部分预应力部分粘结”的设计概念，同时研制了 FRP 预应力筋专用锚具[4]。
3 FRP 材料在混凝土结构中的应用 FRP 材料在混凝土结构中的应用主要可分为两大类：一是对现有结构进行加固和修复；二是直接用于增 强新建结构，尤其是预应力构件和防腐要求较高的工程结构，以代替钢筋和其他形式的增强作用。此外，FRP 因其较好的抗腐蚀性还被用于海洋结构和近海结构。
3.1 FRP 材料对混凝土结构进行加固的应用 FRP 材料加固混凝土结构的技术在 20 世纪 80 年代最早产生于瑞士联邦实验室，Meier 等人对 FRP 板代 替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究，并在 1991 年用 CFRP 板成功加固了瑞士的 Ibach 桥[13]。此 后，FRP 材料加固混凝土结构技术的研究在欧洲、美国、日本和加拿大等国家得到迅速发展，并逐步广泛的 被应用到实际工程中。尤其是在美国旧金山、洛杉矶地震和日本阪神地震后，被损坏建筑结构的修复加固中， FRP 加固技术的优越性得到很好的验证。瑞士的 Sika 公司应用 CFRP 薄板加固的工程已经超 1000 项。美国 报到了 JRCI 公司应用 FRP 材料加固了 3480 座混凝土桥墩，工期仅 3 个月。1996 年，意大利应用 FRP 材料 进行了五项大的工程加固，涉及建筑物、桥梁等；1997 年，来自瑞士、奥地利、意大利、比利时、法国、希 腊和德国等欧洲 9 国启动《高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南》项目，经过 4 年完成。我国对于 FRP 加固技术的应用起步较晚，1998 年开始完成第一项加固工程。此后，这一技术被推广，在人民大会堂、 民族文化宫等重大工程的加固改造中，都应用了 FRP 材料，效果良好[1]。
3.2 FRP 作为增强材料在混凝土结构中的应用 FRP 材料在混凝土结构中应用的另一方面，就是作为新结构的增强材料。如用 FRP 筋代替钢筋或预应 力筋，用于提高受压强度。应用实例较多：1996 年，美国公路管理局在西弗吉利亚大学北边建造了一座 FRP 筋实验桥梁，用于进行研究 FRP 筋材的实际应用，该桥的主要配筋均采用了 AFRP 筋[14]；2004 年，美国佛 蒙特州建成了 GFRP 筋桥，桥长 44m，宽 11m，在桥面板中均采用 GFRP 筋作为配筋，同时还在该桥上实行 了智能监控技术。1990 年，日本建成了名为 TabrasGolfClub 的桥，在桥板采用了 CFRP 筋作为主要的受拉区 - 19 http://www.ivypub.org/rms
配筋，另外还采用 AFRP 筋作为其预应力斜拉索；在 1991 年，日本还建造了名为 Birdie 和 Sumilomo 的两座 桥梁，这两座桥梁中的预应力斜拉索全部采用 AFRP 筋，取得了良好的实际效果[15]。2005 年，在江苏镇江市 的由江苏大学建成了一座斜拉索的人行天桥，该桥共分两跨，跨度分别为 30m 和 18m，桥宽 7m，所有的斜 拉索均采用 CFRP 筋，并且还应用了与之配套的预应力锚固系统。
3.3 FRP 材料在海洋结构和近海结构中的应用 海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出，采用 FRP 材料可以较好的解决此问题，因而 FRP 被应 用于海洋结构和近海结构具有很好的发展前景[1]。目前在建的海洋钢筋混凝土结构，采用最厚的混凝土保护 层（一般为 150mm 左右，相当于陆地混凝土结构保护层的 5 倍以上）及防腐措施，其对内部钢筋防氯盐腐 蚀也仅有 15 年左右，这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远。采用 FRP 材料可以从根本上解决 海洋结构钢筋腐蚀的问题。近几年，随着研究的不断发展，FRP 材料开始被应用与实际海洋结构。日本 Niihama 市 Sumitomo 化工有限公司兴建的一座海港码头，采用了预应力混凝土面板，板宽 13.8m，长 61m，宽度方 向由 17 根简支空心梁组成，长度方向共分为 5 跨，其中的 4 跨采用了高强钢绞线作预应力束，另一跨采用 AFRP 作预应力束（跨度 9m）[1]。2004 年，天津市的水利局在国内首次研制出以 FRP 筋为原材料的无金属 水工闸门，并将其下水投入使用，目前该闸门在水下环境中运行状况良好，性能优良。
4 展望 综上所述，FRP 材料在土木工程中的发展潜力已经日益凸显，因此对 FRP 材料的设计方法及施工技术的 研究具有十分重要的意义，为更好地应用这项新材料，仍需进一步研究： （1）应制定相应的验收标准，以便控制 FRP 材料的施工质量问题。 （2）加强对 FRP 材料的抗震加固研究，到目前为止，国内外的研究仅考虑了单向地震作用，即进行单 向拟静力试验研究，实际上地震作用是多维的，这样得出的结果偏小、不安全。 （3）自诊断智能纤维的开发。通过优化FRP材料，并利用结构材料中不同阶段的纤维材料的断裂特性和 不同的导电性能，再配置先进的自感和测量系统，开发自诊断智能纤维及智能结构是具有重要意义的[16]。 总之，FRP 材料凭借其优异性能，在土木工程中的研究发展迅速，也越来越多的被应用到实际工程中。 但是，FRP 材料要真正实现从“低用量，高技术要求”到“高用量，较低技术要求”，仍需要进行更多的研 究。FRP 材料要被广泛的接受与应用，还需要一个过程。
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【作者简介】 王丽（1983-），女，汉族，山西晋城人，工学学士，广西科技大学鹿山学院讲师。研究方向：新材料在结构工程中的应用。
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