第3章　GFRP筋的力学性能

3.1　FRP筋简介

纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer/plastics，FRP）筋是由增强材料和基体材料按照一定的比例混合并经过拉挤成型固化工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料从20世纪40年代出现以来，在航空航天、船舶、汽车、医学及机械等领域得到广泛的应用。目前，土木工程领域所使用的纤维增强复合材料主要是由树脂材料做基体的玻璃纤维（glass fiber）、碳纤维（carbon fiber）、玄武岩纤维（basalt fiber）、芳纶纤维（aramid fiber），其分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。

FRP筋因其力学性能和耐久性的优异，人们广泛认为FRP筋是钢筋混凝土中钢筋的一种可能替代材料。FRP筋一般由纤维和基底树脂按一定的比例加热固化而成，纤维的含量一般为65%～75%，基底树脂含量为25%～35%。根据纤维种类不同，FRP筋可分为碳纤维增强塑料（CFRP）筋、玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋和玄武岩纤维增强塑料（BFRP）筋，所用的基底树脂主要有聚酯树脂、乙烯基树脂、不饱和树脂和环氧树脂。FRP材料具有耐腐蚀性好、抗拉强度高、自重轻、抗疲劳等优点。其中GFRP筋因其价格低廉应用最为广泛，其次是BFRP筋和CFRP筋。到目前为止，FRP筋已广泛应用于民用建筑、道路桥梁、沿海近海及地下工程结构中。

3.1.1　FRP筋的特点

常见的FRP筋包括玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋，碳纤维增强复合材料（CFRP）筋、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）筋和玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）筋等几种。FRP直筋是以连续纤维为增强材料，合成树脂为基体，经拉挤缠绕成型的一种棒状的新型复合材料筋材。若在FRP筋材表面形成一定的肋或者进行表面喷砂处理，还可增强其与混凝土的黏结。

FRP筋产生与发展的基本思想是充分发挥增强材料和基质的不同材料的特性，并将其有机组合，使纤维增强复合材料筋具有传统钢筋所不具备的物理化学及力学特性，这种思想类似于钢筋混凝土的特性，利用钢筋承担大部分受拉应力，利用混凝土承担大部分受压应力。所不同的是，在FRP筋中，绝大部分应力均由具有较高强度的纤维丝承担，而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用。正是复合材料可以有机组合不同性质的材料，因此FRP筋具有传统材料（如钢材）无法比拟的优点，其优点如下。

（1）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筋的拉伸强度一般为1500～2400MPa，有的可达3700MPa。

（2）密度小、重量轻　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。

（3）耐锈蚀　我国现阶段因土木工程结构中的钢筋的锈蚀而造成的经济损失也在逐步的增长。而在近海建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程中，FRP筋优良的耐腐蚀性已经在国内外得到了证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。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。

（4）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。

（5）电磁绝缘性好　FRP筋无磁感应，代替钢筋使用后可使结构满足特殊要求。

（6）良好的可设计性　与传统结构材料相比，这是FRP所独有的。工程师可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度及弹性模量的FRP产品。而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计。

但同时FRP筋材也存在一些不足之处，其缺点大致如下。

①FRP筋的拉伸从开始至断裂都是处于线弹性阶段，无明显的塑性阶段，延性较差，其拉伸破坏具有一定的脆性。从结构设计的角度来考虑，应尽量避免这一缺点。

②FRP筋的抗剪强度和抗压强度远不如其抗拉强度，因为FRP筋为各向异性，横向抗剪强度仅为纵向抗拉强度的1/10，因此应避免在抗压和抗剪的结构中使用FRP筋。此外，如带有锚固的FRP筋构件需在工厂中预制，且弯曲锚固处的强度也显著降低。

③FRP材料的耐热和耐火性能较差。当超过某一温度范围，FRP筋的抗拉强度将有所降低，抗剪强度和粘接强度下降将会非常明显，因此FRP筋不适合长时间用于高温环境。

④FRP筋在承受持续荷载时存在徐变断裂现象。经过一些试验研究发现，GFRP筋是最易发生徐变断裂的FRP材料，CFRP筋是最不易发生徐变断裂的FRP材料，AFRP筋则介于GFRP筋和CFRP筋之间。

⑤热胀系数与混凝土之间存在一定差异。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项损失。FRP筋横向温度膨胀系数均较大，温差作用有可能造成FRP筋与混凝土间粘接的破坏或混凝土的胀裂，影响结构的长期耐久性。

3.1.2　FRP筋的物理力学性能

FRP筋的抗拉强度都比钢筋的要高，其强度是钢筋强度的数倍到数十倍不等。尤其是，FRP筋是一种脆性材料，其应力-应变曲线呈线性关系，无明显的屈服阶段，在达到极限抗拉强度之前没有塑性变形。几种不同的FRP筋的应力-应变关系曲线如图3-1所示。

FRP筋由于组成纤维与基底材料的不同，其力学性能差别也很大。不同FRP筋类型与钢筋（钢丝）的力学性能见表3-1，不同树脂类型的主要性能见表3-2，不同纤维类型的主要性能见表3-3。

FRP筋的力学性能受到纤维的种类（例如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等）、树脂的种类（例如环氧树脂基、聚酯和乙烯基酯等）和纤维的方向等因素的影响，这些参数的不同会导致FRP筋的力学性能有显著差别，表3-4为ACI 440.1R-06和《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB 50608—2010）中提供的FRP筋抗拉性能的相关参数，从中可以发现，FRP筋的抗拉性能有很大的离散性。