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FRP 筋混凝土梁延性性能研究
石博文*
作者简介：石博文（1989-),男
（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）
摘要：本文以新型材料 FRP 为背景，FRP具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀等一系列优良特
性，然而 FRP 筋不具有延性，以往的研究往往是通过借助与钢筋的共同作用改善其延性。本
文提出采用混杂方式来改善 FRP 的延性，并将混杂 FRP 筋应用于混凝土梁中。研究 FRP 筋混
凝土梁的延性性能，包括 FRP 筋混凝土梁破坏情况延性研究和 FRP 筋与混凝土间粘结滑移的
延性研究，为以后 FRP 筋的研究提供一些帮助。
关键词：结构工程；FRP 筋；延性；混杂效应
中图分类号：TU532
Researches on ductility performance of FRP rebar concrete
reinforced beams
Shi Bowen
(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,WuHan 430070)
Abstract: In this paper, the investigation is carried out by taking the FRP as background. Although
FRP has lots of advantages, it has no ductility; the previous research usually combines the FRP with
steel bars to improve its ductility. In this paper, hybrid effect is used to improve the ductility of FRP.
Furthermore, the hybrid FRP rebar is applied to the concrete reinforced beams to observe its ductility.
The analysis includes ductility research on beam damage and the bond-slip between FRP bars and
concrete, which may offer some help for the research in the future.
Keywords:structural engineering;FRP rebar;ductility;hybrid effect
0 引言
当今土木工程领域中使用最为频繁的结构类型当属钢筋混凝土结构，而钢筋锈蚀一直是
传统钢筋混凝土结构讨论的一个重要课题。尤其是在海港、码头、化工、道路桥梁及大量使
用冻盐地区的结构工程中，钢筋锈蚀十分严重，使结构丧失原有承载力，难以达到预期使用
寿命。如何提高钢筋混凝土结构的耐久性、提高其使用寿命，成为一个研究的热点。为解决
此问题，国内外学者经过近半世纪的研究和探索[1]，研制开发了一种新型材料—纤维增强聚
合物（Fiber Reinforced Polymer）即 FRP。
FRP 具有抗拉强度高、重量轻、抗电磁辐射、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优良特性，而且
FRP 筋可以做成普通钢筋的形状，故 FRP 筋被认为是混凝土结构中预应力钢筋和普通钢筋
的一种良好的替代材料[2]。但 FRP 筋也有它的缺点：它的弹性模量低﹑刚度小﹑结构变形大，
其应力-应变曲线关系直至破坏时均为线弹性，无明显的屈服点，延性较差。由于 FRP 筋是
脆性材料，所以对 FRP 筋混凝土结构的延性性能的研究显得尤为重要。
延性，即延伸发展的性质。工程中所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用或其他间
接作用下，进入非线性状态后在承载能力没有明显降低的情况下承受变形的能力。从延性的
本质看，它反映了一种非弹性变形的能力，这种能力保证了强度不会因为发生非弹性变形而
急剧下降。延性可以使构件的某些部位进入弹塑性范围内工作，通过构件的变化吸收外力施
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于结构的巨大能量，产生局部损坏，但整个构件不致倒塌。
由于 FRP 筋的变形能力不足，所加固结构的延性差制约了 FRP 筋的广泛应用，为了改
善 FRP 筋的力学性能，克服没有屈服点成脆性破坏的缺点，常常采用混杂技术以同时达到
增强和增韧的的目的。根据采用纤维的不同，制成的 FRP 筋分别被称为碳纤维增强聚合物
(CFRP)筋、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋、芳纶纤维增强聚合物(AFRP)筋和混杂纤维增强
聚合物(HFRP)筋[3]。混杂增强技术能够充分发挥不同纤维的优势，扬长避短，优化 FRP 筋
的综合力学性能。
1 混杂效应对 FRP 筋延性的影响
混杂效应是混杂 FRP 筋所特有的一种现象，它不仅保留了单一 FRP 筋的优点，而且因
不同的纤维混杂使之获得更加优异的综合性能，混杂 FRP 筋的性质并不是单一纤维筋的代
数和。
从理论上分析，高弹性模量纤维能改善结构的刚度、开裂和屈服荷载，高弹性模量、高
强度的纤维能取得应变强化行为，从而抑制变形，而高延性纤维能增强延性。已有的研究[4]
表明，CFRP 的弹性模量、强度很高、应力-应变关系基本呈线性关系，极限应变小，能够增
大结构的刚度，但用其加固构件，破坏呈脆性；GFRP 的弹性模量低、抗拉强度较高，因而
加固构件时变形大，在使用范围内其强度不能充分发挥出来；AFRP 的弹性模量越高，其抗
拉强度就越低。故工程中一般的做法是在 CFRP 中混杂适当比例的 GFRP 或 AFRP，这样能
提高结构的延性。HFRP 能够在保证承载力的前提下提高延性、降低成本。
依据相关的混杂纤维复合材料方面的研究[5]表明，当两种抗拉强度﹑延伸率和极限应变
均不相同的纤维混杂时，只要低延伸率纤维的体积含量低于其临界体积含量，二者混杂后的
应力-应变关系就会出现类似于钢材的“屈服平台”。
例如将 CFRP 与 GFRP 混杂，当延伸率低的 CFRP 的体积含量低于其临界体积含量时，
混杂后的 FRP 筋的应力-应变关系曲线就会出现二次断裂现象，极限强度介于 CFRP 筋和
GFRP 筋之间，极限应变并不明显低于单一的 GFRP 筋，且一级断裂（类屈服点）对应的应
变明显大于单一的 CFRP 筋的极限应变。
由于 CFRP 和 GFRP 都是应力-应变线弹性材料，在受力过程中并无弹性模量的改变，
有相关实验[6]可知，在第一阶段应力保持线性增长，切线模量与初始模量相同；第二阶段是
极限应变小的 CFRP 开始大范围断裂，应力由原来的混合纤维承担逐步到 GFRP 独自承担，
应力曲线呈下降段，下降速度由 CFRP 的极限应变范围决定，故下降段实际是应力转化过程；
第三阶段是应力的缓慢增长到完全破坏过程，此阶段应力由 GFRP 独自承担，再次出现应力
应变线性增长过程，增长快慢由 GFRP 的弹性模量决定。第三阶段即混合纤维出现的延性段，
说明宏观上材料表现为延性，且延性与 GFRP 所占的比例关系密切。CFRP/GFRP 的混合比
例直接影响混合后材料的力学表现。分析可知，CFRP 比例越大下降段越陡峭，下降后稳定
值越小，表现越接近脆性；比例越小，下降段越平稳，下降后稳定值越大，越接近延性。
2 FRP 筋混凝土梁的延性分析
FRP 筋混凝土梁受弯破坏情况延性研究
根据 FRP 配筋率的不同和截面尺寸的不同，FRP 筋混凝土梁可能出现两种正截面破坏
形式，即受压区混凝土压碎破坏和 FRP 筋被拉断而破坏。这两种破坏均为脆性破坏，相比
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而言，前者的延性相对来说要好些。
FRP 筋混凝土梁受弯破坏与普通钢筋混凝土梁不同，FRP 筋混凝土梁的破坏与 FRP 的
种类、表面特征及配筋率有关。有相关实验[7]可得，对于混杂 FRP 筋而言，当配筋率较小且
为表面光滑的 FRP 筋时，FRP 筋与混凝土间的粘结性能退化严重，FRP 筋混凝土受弯梁的
裂缝逐渐向跨中集聚，且裂缝数量数量减少，间距加大，分布趋于不均，梁破坏时脆性明显；
当配筋率较大且为表面经过处理的 FRP 筋时，粘结性能几乎没有退化，FRP 与混凝土共同
工作能力好，裂缝集中在跨中，裂缝数量增加，间距减小，破坏时表现出一定的延性特征。
图 1 GFRP 筋与钢筋的荷载-挠度曲线比较
对普通钢筋混凝土简支梁和 GFRP 筋混凝土简支梁进行试验，得到其荷载-挠度曲线如
图 1 所示。由两条曲线可看出：随着荷载的增加，第一阶段荷载主要由混凝土承担，并产生
位移变形；至第二阶段，曲线变得平缓，斜率变小，相比而言钢筋的曲线上升的要慢些，该
阶段主要由钢筋/GFRP筋承受荷载。通过比较两曲线的斜率可看出，钢筋的变形能力比GFRP
筋的变形能力要强，GFRP 筋混凝土也具有一定的延性，但其延性不如钢筋混凝土。即 FRP
筋混凝土具备一定的延性。
由于在理想的情况下，混凝土受压具有很长的下降段，故与 FRP 筋的受拉应变相比，
受压混凝土的变形具有一定的塑性性能，变形情况较好。与 FRP 筋受拉破坏相比，FRP 筋
混凝土梁出现混凝土压碎破坏前可吸收较大的应变能，更能显现出一定的塑性特征。混凝土
受压破坏比 FRP 筋破坏具有更好的变形能力，受弯构件具有相当大的变形，能够满足结构
对延性的要求。尽管混杂的 FRP 具有一定延性，但与混凝土的相比可以忽略不计。对混凝
土施加外力可以提高其应变能力，也可增加 FRP 筋混凝土结构的延性。
因此，在实际中应把 FRP 筋混凝土梁设计成超筋混凝土梁，尽量使构件先出现混凝土
被压碎而不是 FRP 筋被拉断的情况。但值得注意的是，梁的配筋率不能太大。随着配筋率
的增大会导致梁的延性下降，当梁的配筋率超过一定的值时，应该调整截面尺寸，使配筋率
控制在一定范围内，否则，梁的配筋率过大既浪费了材料，又造成了结构的延性严重下降，
从而引发构件发生脆性破坏。
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FRP 筋与混凝土间粘结滑移破坏的延性研究
由于钢筋和 FRP 筋均是为增强混凝土结构性能而使用的加强筋，因此，FRP 筋和混凝
土粘结力的组成类似于钢筋混凝土结构，主要有以下三种：(1)化学胶结力；(2)摩阻力；(3)
机械咬合力。
粘结力的组成部分在不同的受力阶段有所变化[8]。在 FRP 筋相对于混凝土发生滑移以
前，粘结应力的传递取决于胶结力；在发生相对滑移以后，当 FRP 筋与混凝土的接触面发
生相对滑移时，该力立即消失，粘结力的大小主要取决于摩擦力和机械咬合力。因此，摩擦
力和机械咬合力是粘结力传递的主要方式。
当试件发生粘结破坏时，如果混凝土强度较低，FRP 筋与混凝土之间产生的粘结滑移就
较大，此时混凝土表面会出现许多很小的微观裂缝，这是结构破坏前的明显征兆，体现出一
定的延性；而当混凝土强度较高的试件发生粘结破坏时，FRP 筋与混凝土之间的粘结滑移很
小，混凝土表面会突然产生较大的裂缝，这种破坏往往会突然发生，属脆性破坏。
3 FRP 筋混凝土塑性铰区出现的理论分析
由以上分析可知，混杂 FRP 筋具有一定的延性，而混杂 FRP 筋连续梁是否具有足够的
延性来满足塑性铰区出现的要求也是一个值得探究的问题。
大量实验表明[9]：普通钢筋混凝土结构的内力重分布主要是在结构产生塑性铰以后完成
的，即结构在强度极限状态下，其真实内力取决于塑性铰的性能。在抗震、抗冲击破坏的钢
筋混凝土结构中，常允许出现塑性铰以便吸收大部分能量。
塑性铰最初是只对理想塑性材料提出的，它是非弹性变形集中产生的点，也就是说非弹
性转角是集中在结构构件的一个断面上。塑性铰与理想铰的区别在于：理想铰不能承受弯矩，
而塑性铰能够承受弯矩，其值即为塑性铰截面的极限弯矩。对于超静定结构，由于存在多余
约束，某一截面的纵向钢筋屈服，即某一截面出现塑性铰并不能使结构立即破坏，还能承受
继续增加的荷载。当继续加荷时，先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持不变，产生转动，
没有出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，直到结构形成几何可变体系。这就是塑性变
形引起的结构内力重分布，塑性铰转动的过程就是内力重分布的过程。经研究[10]发现混杂
FRP 无法出现塑性铰区。
经大量实验研究表明，由于 FRP 筋是弹性材料，不像钢筋是弹塑性材料，即使 FRP 筋
经过混杂后具有一定的延性，但 FRP 筋混凝土构件仍不可能有相应的塑性转动能力，同时
也不可能进行弯矩重分布。
4 结论
(1)利用混杂效应将两种或两种以上的 FRP 筋混合形成复合筋，不仅可以保证设计抗拉
强度，且其应力-应变曲线呈类似于钢筋的屈服平台，有效提高了 FRP 筋的延伸率。可见，
混杂后的 FRP 筋也具有了一定的延性。
(2)实际应用中应把混杂 FRP 筋混凝土梁设计成超筋混凝土梁，FRP 筋构件破坏形式应
为混凝土先被压碎而不是 FRP 被拉断，这种破坏形式能够使构件在破坏前有明显的征兆，
使结构破坏时表现出一定的延性特征，而结构的延性主要体现在混凝土身上。
(3) 虽然 FRP 筋发生粘结破坏时的滑移值很小，但 FRP 筋与混凝土的粘结滑移还是体
现出了结构一定的延性。
(4) FRP 筋混凝土构件不可能有相应的塑性转动能力，同时也不可能进行塑性内力重分
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布。
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