纤维复合筋-混凝土梁研究概况

杜泽冬

摘  要：纤维增强聚合物（FRP）型材是一种具有耐腐蚀、适用性广、轻质高强等诸多优点的新型复合材料，将其与混凝土相结合，形成FRP-混凝土组合梁结构，以达到减轻混凝土结构自重，提高结构承载力的同时，解决钢筋易腐蚀、抗裂性差的问题，希望可以为新型混凝土结构发展做出一定贡献。

关键词：纤维增强聚合物;混凝土梁;承载力

中图分类号：U455.7         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0074-02

Abstract： Fiber reinforced polymer （FRP） profile is a new type of composite material with many advantages， such as corrosion

resistance， wide applicability， light weight and high strength. It is combined with concrete to form FRP-concrete composite beam structure， so as to reduce the self-weight of concrete structure and improve the bearing capacity of the structure. At the same time， the problems of corrosion and poor crack resistance of steel bar are solved. It is hoped that it can make some contribution to the development of new concrete structure.

Keywords： fiber reinforced polymer （FRP）; concrete beam; bearing capacity

1 纖维聚合材料简介

FRP，纤维增强复合塑料，是英文（Fiber Reinforced Plastics）的缩写，现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。中文中玻璃钢指的就是GFRP。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。其中GFRP根据所使用的树脂品种不同，有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢等种类。一般FRP具有质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀等特性。

2 FRP-混凝土梁试验研究现状

国内外学者通过试验，对FRP-混凝土梁受力性能进行实际研究。

Gai X等人[1]设计开发了一种GFRP现浇混凝土板模板体系。以GRRP剪切螺栓间距、加载方案为变量，对其延性性能进行试验研究。试验结果表明，该模板体系在施工阶段表现出足够的刚度，有效地增加了混凝土构件延性和稳定性，避免混凝土结构发生脆性破坏。Hassan N Z等人[2]基于ANSYS软件，研究了碳纤维和玻璃纤维加固同一截面尺寸混凝土梁的受弯性能，并通过试验对模型结果进行了验证。结果表明，玻璃纤维能和碳纤维一样为加固的钢筋混凝土梁构件提供相同的承载力。Koaik A等人[3]采用螺栓连接、粘接两种不同连接技术制作了6根GFRP型材混凝土组合梁。通过弯曲试验重点研究了受力过程中试验梁截面特性和弯曲特性。试验结果表明，GFRP型材与混凝土采用粘接连接可避免过早发生剪切破坏。采用混合连接技术试验梁受力性能最好，但使用过程中要防止连接截面发生破坏。Rizkalla S等人[4]进行了玻璃纤维增强塑料（GFRP）圆管的受弯试验。通过改变试验中圆管的直径、跨度等参数，研究了完全混凝土填充管、中心孔混凝土填充管和中间填充混凝土的管中管（同心和偏心）等不同结构形式对GFRP管受力性能的影响如图1圆管结构形式示意图所示。试验结果表明，GFRP管的抗弯性能与GFRP管的刚度、管径比等因素密切相关，而与混凝土强度关系不大，但混凝土的约束作用使构件延性得到了改善。最后，建立一种应变协调模型，并对玻璃纤维增强塑料（GFRP）圆管进行了参数化分析。

图1 圆管结构形式示意图

郗恒东等人[5]提出了一种在混凝土梁受拉区采用高强灌浆和波纹套管支撑FRP筋代替普通钢筋的新型结构如图2结构构造图所示，并与普通钢筋混凝土梁进行对比试验。试验结果表明，FRP-混凝土梁由于混凝土压碎破坏而破坏，比普通钢筋混凝土梁具有更高的抗弯承载力和更大的挠度。同时，在试验梁受拉区采用波纹套管灌浆FRP筋有效降低裂缝宽度，提高了试验梁抗弯性能。

3 FRP-混凝土梁理论研究现状

目前工程界通过理论和有限元分析，对于各种新型FRP-混凝土新型梁在各工况下的受力性能进行了分析，用以验证试验效果，弥补试验研究的不足，同时进行参数化分析。

Zou X等人[6]通过试验和有限元研究了FRP筋作为混凝土梁抗剪连接件的抗剪性能。结果表明，FRP抗剪切能力和抗滑移能力远高于普通钢螺栓，影响滑移量的主要因素为混凝土板厚和FRP开孔孔径，据此推导了考虑这两个参数的滑动模量理论。最后，建立了FRP的剪切承载力和滑移量的计算公式，为设计提供了参考。Choobbor S S等人[7]进行了碳纤维与玄武岩纤维复合材料加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验。并建立了有限元模型来预测试件的挠度变化和承载能力。Mofidi A等人[8]通过对当前FRP加固钢筋混凝土梁的抗剪性能进行研究，分析了影响抗剪性能的主要因素，提出了关于抗剪箍筋影响FRP加固钢筋混凝土梁体的计算模型。蔡金明等人[9]使用ATENA/GID求解软件对BFRP筋加固混凝土梁和BFRP筋加固工程胶凝材料（ECC）梁的抗弯性能进行了数值模拟。模拟结果表明：ECC材料在受压区具有更高的极限压应变，其破坏过程比BFRP筋加固普通混凝土梁更具有延性。同时，BFRP筋加固ECC梁的承载能力、变形能力、裂缝控制能力等方面性能更加优异。葛文杰等人[10]通过BFRP筋拉伸试验、拉拔试验以及BFRP筋混凝土梁抗弯试验，研究了BFRP筋对混凝土组合梁抗弯性能的影响，并与普通钢筋混凝土梁进行对比。试验结果表明，与普通钢筋相比，BFRP筋抗拉强度高但弹性模量低。而BFRP筋与混凝土粘接强度与钢筋混凝土的粘接强度相似，粘接性能优异。并系统分析了混凝土梁受弯承载力，提出了计算组合梁抗弯承载力的简化公式，并与试验值进行对比，验证了该简化公式的可行性。

4 結束语

本文对纤维增强材料进行研究，综述了国内外学者关于FRP-混凝土梁的研究现状，分别阐述了国内外关于FRP-混凝土梁的试验、理论以及ABAQUS有限元模拟疯方面研究现状，可为相关工程实践和理论研究提供了一定的借鉴。

参考文献：

[1]Gai X， Darby A， Ibell T， et al. Experimental investigation into a ductile FRP stay-in-place formwork system for concrete slabs[J]. Construction and Building Materials， 2013，49：1013-1023.

[2]Hassan N Z， Sherif A G， Zamarawy A H， et al. Finite element analysis of reinforced concrete beams with opening strengthened using FRP[J]. Ain Shams Engineering Journal， 2017，8（4）：531-537.

[3]Koaik A， Bel S， Jurkiewiez B， et al. Experimental tests and analytical model of concrete-GFRP hybrid beams under flexure[J]. Composite Structures， 2017，180：192-210.

[4]Rizkalla S， Fam A. Flexural Behavior of Concrete-Filled Fiber-Reinforced Polymer Circular Tubes[J]. Journal of Composites for Construction， 2002，6（2）：123-132.

[5]Dong H， Zhou W， Wang Z， et al. Flexural performance of concrete beams reinforced with FRP bars grouted in corrugated sleeves[J]. Composite Structures， 2019，215：49-59.

[6]Zou X， Feng P， Wang J， et al. Perforated FRP ribs for shear connecting of FRP-concrete hybrid beams/decks[J]. Composite Structures， 2016，152：267-276.

[7]Choobbor S S， Hawileh R A， Abuobeidah A， et al. Performance of Hybrid Carbon and Basalt FRP Sheets in Strengthening Concrete Beams in Flexure[J]. Composite Structures， 2019，217：111337.

[8]Mofidi A， Chaallal O. Shear Strengthening of RC Beams with EB FRP： Influencing Factors and Conceptual Debonding Model[J]. Journal of Composites for Construction， 2011，15（1）：62-74.

[9]Cai J， Pan J， Zhou X， et al. Flexural behavior of basalt FRP reinforced ECC and concrete beams[J]. Construction and Building Materials， 2017，142：423-430.

[10]Ge W， Zhang J， Cao D， et al. Flexural behaviors of hybrid concrete beams reinforced with BFRP bars and steel bars[J]. Construction and Building Materials， 2015，87：28-37.