摘要：通过试验研究局部弯折对芳纶纤维增强塑料（AFRP）筋极限抗拉强度、加载速率和加载历史对编织型芳纶纤维筋（FiBRA）型AFRP 筋弹性模量，以及应力水平对FiBRA 型AFRP 筋松弛率的影响，建立了规格为FA11 的FiBRA 型AFRP 筋的松弛率计算公式。结果表明，局部弯折可能导致FRP 筋的极限抗拉强度下降，FiBRA 型AFRP 筋编织状的成型特征造成其弹性模量在张拉过程中是渐趋稳定的，并且造成其总松弛量较大，工程应用时需充分考虑这些因素。通过分析工程结构用FRP 筋的组成和物理力学性能特点，并将其性能和钢筋性能进行全面对比，指出了FRP 筋的适用性及应用前景，并对其若干重要性能开展了试验研究。
关键词：工程结构；FRP筋；分析
材料的变革对土木工程的发展起着至关重要的推动作用，而高性能纤维复合材料是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料，目前，FRP 片材在工程结构维修加固中已得到了广泛的应用。FRP 筋材用作大跨度桥梁的悬索和斜拉索，可以充分地发挥其自重小的优势，显著地提高桥梁的跨越能力。
1.FRP 筋组成
FRP 筋由纤维丝、树脂、添加剂及表面附着层等材料复合而成，其性能主要取决于纤维丝。纤维材料多种多样，有碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维，还有长链的聚乙烯纤维、聚丙烯纤维，以及不常用的聚缩醛纤维、聚酰亚胺纤维、硼纤维等。其中碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维是应用最广泛的纤维。树脂和添加剂也是影响FRP 筋物理、化学及力学性能的重要因素。树脂有热固性树脂和热塑性树脂两大类，目前，大部分的FRP 筋中所使用的均为热固性树脂。树脂基体中会放入一些添加剂，主要是为了改善树脂的物理、化学性能。通过合理加入添加剂，可以改善复合材料的力学性能，如增加强度、减小收缩、增加韧性、缓解徐变断裂等，树脂的性能是影响FRP 筋优越性能发挥的瓶颈，因此，改性树脂研究对于推动FRP 健康发展具有重要意义。
2.FRP 筋性能特点及适用性
不同类型的FRP 筋性能有所不同，但是作为新型复合材料用于土木工程中，它们之间存在较多的共性。
2.1优点
顺纤维向抗拉强度高。远高于普通钢筋，与高强钢丝或钢绞线相近。CFRP 筋的抗拉强度一般为1500-2400 MPa，有的可达3 700 MPa。
密度小，质量轻。FRP 筋的密度一般仅为钢筋的1/ 6- 1/ 4，这有利于减轻结构自重，方便施工。FRP 索用作大跨度桥梁的悬索或斜拉索，可以显著提高桥梁的跨越能力。
耐锈蚀。FPR 筋不会像钢筋那样易锈蚀，因此非常适合在强腐蚀环境中工作，结构耐久性好，后期维修成本低。CFRP 筋耐久性最好，长期处于酸、碱、盐、潮湿、紫外线等环境中的性能很少降低，因此适合在恶劣环境中使用。
疲劳性能优良。CFRP 筋与AFRP 筋的疲劳性能明显优于钢筋，CFRP 筋的疲劳性能最好。
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2.2不足之处
FRP 筋的极限延伸率低于钢丝和钢绞线，远低于钢筋。CFRP 筋的极限延伸率最小。FRP 筋的弹性模量比钢筋低。虽然FRP筋的弹性模量范围很宽，但常用CFRP 筋、AFRP 筋和GFRP 筋的弹性模量大致分别为钢筋弹性模量的75%、35% 和20% 。
抗剪和抗压强度较低。FRP 筋是各向异性的，轴向抗压、横向抗压抗剪性能较差，横向抗剪强度仅为纵向抗拉强度的1/ 10 左右，因此，设计中不考虑其抗压和抗剪强度。抗剪性能差导致其销栓力小、FRP 筋与混凝土之间的粘结性能变差、锚固比高强钢筋或钢绞线困难。另外，FRP 筋端部的弯钩及FRP箍筋的弯折必须在工厂中预制，且弯折处的抗拉强度显著降低。与CFRP 筋和GFRP 筋相比，AFRP 筋的一个最显著的特点是其横向抗剪强度相对最高，且冲击韧性最好.
温度膨胀系数与混凝土之间存在一定的差别。CFRP 筋的轴向温度膨胀系数较低，AFRP 筋的轴向温度膨胀系数甚至为负数，GFRP 筋的轴向温度膨胀系数则与混凝土差不多。温度变化会引起CFRP 筋预应力混凝土和AFRP 筋预应力混凝土的预应力损失，而传统预应力混凝土结构则无此损失。FRP 筋横向温度膨胀系数均较大，温差作用有可能造成FRP 筋与混凝土间粘结的破坏或混凝土的胀裂，影响结构的耐久性。
存在徐变断裂现象。GFRP 筋最容易徐变断裂，CFRP 筋不易徐变断裂，AFRP 筋则介于GFRP 筋和CFRP 筋之间。热稳定性较差。当超过某一温度范围，FRP筋的抗拉强度将有所下降，抗剪强度和粘结强度则显著下降，因此FRP 筋不宜应用于60 C 以上的高温环境.
2.3 适用性及应用前景
根据分析可知，FRP 筋作为以受拉为主的非金属材料，虽然不可能取代钢筋，但却是一种十分重要的补充材料。CFRP 筋可在各种腐蚀性的干湿环境中使用，AFRP 筋不宜在高湿度环境中使用，GFRP 筋不宜在高湿度及碱性环境中使用，且不宜作预应力筋。CFRP 筋性能最好，但在延性要求高的结构中应慎重使用。此外，不宜使用光圆FRP 筋。
3.AFRP 筋力学性能试验
3.1 弯折对AFRP 筋抗拉极限强度的影响。是否弯折以及弯折程度将影响FRP筋的强度为套筒灌胶式锚具锚固的AFRP筋拉伸后的破坏形态。其中1 根为AFRP筋从锚具中滑出破坏，5根为AFRP筋拉断破坏，且均在锚口处断裂。由于长时间的盘圆造成了AFRP 筋中树脂出现塑性变形，盘条放松后，AFRP 筋仍呈弯曲状，在结构胶凝固后张拉时拉直因而锚口处出现了弯折，从而强度下降，最先断裂。FRP 筋不宜进行弯折，如需弯折或者已发生了弯折，应考虑弯折处FRP 筋极限强度的下降。弯折处设计强度的计算公式应是FRP 筋横截面高度、弯曲半径、纤维种类以及弯折角度的函数：
3.2 应力水平对AFRP 筋松弛率的影响。采用不同初始张拉力在钢梁上锚固定长的AFRP 筋。具体试验方案[1] 扣除初期滑移影响后两根筋的初始拉应力比值为1.35。将松弛率与时间用半对数关系表示，并对数据进行拟合，AFRP 筋的松弛率与时间的对数关系及不同年限下的松弛率，1# 筋与2# 筋拟合直线的斜率比值为1.3，扣除初期滑移影响后两根筋的初始拉应力比值为1.35，与斜率比很接近。结果表明，规格为FA11 的AFRP 筋的松弛率与时间对数线性相关，其松弛率与张拉控制应力成正比，任一张拉控制应力下的松弛率可通过计算公式插值得到。
从AFRP 筋5 a 可完成50 a 松弛率的85%，基本达到稳定状态。AFRP 筋的松弛率呈现出前期发展较快、后期发展较慢的规律，这与低松弛钢丝和钢绞线的松弛现象类似，但总松弛率比低松弛钢丝大得多。
结束语
通过分析FRP 筋的优缺点，阐述了FRP 筋的适用性和应用前景。FRP 筋具有许多优点，但同时也存在缺点，因此，在FRP 筋的研究和应用中需融入更多理性，才能真正促进其健康发展。特别应加强产品开发力度，力争实现FRP 的国产化，并加快改性树脂、改性纤维的研究步伐。
参考文献
[1] 胡芳芳，刘伯权，王步.FRP 约束混凝土圆柱体轴心抗压强度研究[J] . 建筑科学与工程学报，2013，23（1）：63- 67.
[2] 楼梦麟，白建方. FRP 加固梁模态分析的摄动解法[J] . 建筑科学与工程学报，2005，22（2）：21- 24.
论文作者:周晓燕
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/10
标签：松弛论文; 性能论文; 纤维论文; 树脂论文; 抗拉强度论文; 钢筋论文; 弹性模量论文; 《建筑学研究前沿》2018年第30期论文;