frp筋-钢筋复合增强ecc混凝土组合柱研究

鲍智雄，李晨艳

华东交通大学，江西 南昌 330013

摘 要：提出了一种仅将FRP筋配置在柱边角处，而ECC仅在柱的塑性铰区域使用的新型FRP筋-钢筋复合增强ECC-混凝土组合柱。该组合形式下，不但可以最大限度的发挥FRP筋和ECC材料的优势，而且具有良好的经济性。 关键词：FRP；ECC；组合柱中图分类号：TU311 文献标志码：B 文章编号：1006-20（2019）12-0016-02

Study on FRP Reinforced Composite Enhanced ECC Concrete 

Composite Column

Bao Zhixiong，Li Chenyan

East China Jiao Tong University， Nanchang， Jiangxi 330013

Abstract：A new FRP-reinforced composite ECC-concrete composite column with only FRP ribs placed at the corners of

the column and ECC only in the plastic hinge region of the column is proposed.In this combination， not only can the advantages of FRP bars and ECC materials be maximized.Moreover， it has good economy.Key words：FRP；ECC；Composite column

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）是一种高性能复合材料，它是通过将纤维材料和基体材料按一定比例混合并通过一定的工业工艺加工制成的。FRP筋具有轻质高强、耐腐蚀等优点。因此，在盐渍区的地下工程、海洋工程和水下工程中，用FRP筋代替钢筋可避免钢筋锈蚀引起混凝土膨胀开裂、混凝土保护层脱落、结构承载力下降等问题［1，2］。我国海岸线长3.2万公里，沿海地区结构钢筋锈蚀造成的经济损失每年都难以估计。因此，对FRP筋混凝土构件力学性能的研究极为必要。

1 国内外对于FRP筋增强混凝土的研究现状

FRP筋混凝土构件具有耐久性好、抗弯承载力高等优点［3］，但目前在工程的应用范围还很小。将FRP筋和钢筋复合使用可以提高筋材的弹性模量和延性。FRP筋布置于混凝土构件易受腐蚀的边角处［4］或将纤维复合材料包裹钢筋形成钢-连续纤维复合筋，不仅仅可以发挥抗拉强度高和耐腐蚀性能好的优点还可以提高屈服刚度和更小残余变形。柱构件的塑性铰面积随着屈服刚度变大而变大，柱构件的变形能力越来越好。

2002年Li［5］进行了GFPR筋增强ECC梁进行了静力弯曲试验，试验结果表明，ECC梁的在极限承载力、延性和损伤容限能力方面均优于普通混凝土梁。

2003年Fischer和Li［6］比较了在低周反复荷载试验下用FRP筋加固ECC受弯构件与用FRP筋加固混凝土受弯构件之间的差异。结果表明：在延性、能量耗散、裂纹发展模式、破坏模式等方面，FRP筋增强ECC混凝土构件发挥的性能优于FRP

作者简介：鲍智雄（1995-），男，江西上饶人，硕士，研究方向：约束混凝土。

筋增强混凝土构件。

2 FRP筋增强复合增强ECC混凝土组合柱理论分析

目前，FRP筋与钢筋复合混凝土构件的研究与应用主要在受弯构件，而对于压弯构件的研究还很少。FRP筋和钢筋复合的筋材与混凝土的协调变形能力不好，当混凝土受荷载开裂后，混凝土承受的拉伸荷载重新分配，应力大部分由筋材承担，复合筋材与混凝土之间的非协调变形造成界面粘结失效和局部滑移，导致纵向劈裂裂缝的产生，加剧了混凝土的脱落和筋材的屈服失效。虽然增加箍筋的使用量可以减慢纵筋的屈曲，但是配箍率的提高不仅给施工带来难题，也降低了我们混凝土构件浇筑的质量，而且构件的整体性难以得到保证。而高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCC）提高结构的安全性和耐用性很有效，而该类材料代表之一的高延展性纤维增强水泥基复合材料（简称ECC）是一种具有超高韧性和多裂纹开展机制特性的新型建筑材料。当纤维体积分数为2％时，极限拉应变稳定增加3％，极限拉应变下的平均裂纹宽度小于100mm。

在我们工程中的混凝土结构中使用的ECC不仅仅可以有效地提高结构的耐久性和可持续性，还可以很大程度上提高发生地震情况下的安全性，这是高性能混凝土的重要研究领域。在工程应用中因为混凝土的脆性导致很多的材料缺陷问题，而将ECC复合材料代替混凝土可以解决工程上的问题。第一，在往复荷载作用下，ECC复合材料具有比普通混凝土更强的损伤容许能力因为ECC中的纤维的桥联作用能够在发生裂缝后将基体连接成一个整体，不会造成大范围的基体脱落。所以在受力过程中，ECC始终可以为复合筋材提供有效的约束和保护。第二，ECC复合材料的多裂缝开展机制能够让复合筋在腐蚀环境下减少筋材锈蚀，从而提高构件的耐久性和极限承载力；最后，

·16·

2019年12月江西建材研究与应用在柱的受拉侧，ECC复合材料的高韧性使得它与FRP筋/钢筋可以协调变形、协同工作，避免了纵筋因为应力集中和纵向劈裂裂缝的产生引起的大面积混凝土剥落现象的发生。与普通混凝土相比，ECC具有超高的塑性和韧性，但其成本约为普通混凝土的四倍。压弯构件中钢筋的屈服，混凝土剥落和曲率集中主要发生在塑性铰区域。因此，将ECC复合材料布置在柱构件的塑性铰区域，保证柱的力学性能的同时达到提高工程经济性的目的。ECC复合材料在梁柱中的使用可以提高他们的抗弯刚度和变形恢复能力，提高框架的荷载-位移的响应能力。2012年陈威［7］对FRP筋增强PPECC柱的轴压性能进行了试验研究，试验结果表明：FRP筋增强PPECC短柱和长柱的极限承载力比FRP筋混凝土柱分别提高了30%和53%。极限变形能力更是提高了一两倍。而使用了PPECC的柱子没有发生和混凝土柱一样的基体剥落或崩出现象。

3 新型FRP筋增强复合增强ECC混凝土组合柱的提出

通过在静力荷载作用下对CFRP筋增强ECC梁的力学性能进行了试验研究，并且利用ECC复合材料的本构模型和截面条带法对新型组合柱进行数值计算，模拟得到柱的弯矩-扰度曲线与实验结果吻合较好。也就可以说：ECC材料在组合构件中的使用对提高建筑结构或构件的承载力、延性或变形能力、耗能能力和裂缝控制能力等方面都具有显著作用，所以ECC在建筑结构的抗震领域使用具有广阔的应用前景和意义。然而，经过查阅大量文献，迄今为止，仅有的几个关于FRP筋增强ECC构件力学性能的研究都集中在受弯构件，对于FRP筋或FRP筋-钢筋复合增强ECC压弯构件力学性能方面的研究，尚未发现有关报道，导致了其工程应用的局限性。

因此，有必要以FRP筋-钢筋复合增强ECC柱为研究对象，本文提出将FRP筋主要置于不易腐蚀的边角处，ECC仅应用于构件塑性铰区域，具体布置情况如图一所示，通过对其力学性能进行深入研究，为腐蚀环境和地震多发区的FRP筋-钢筋复合增强ECC柱力学性能评估和抗震设计奠定理论基础和设计依据。

4 结束语

综上所述，本文提出一种新型FRP筋-钢筋复合增强ECC-混凝土组合柱构件，ECC仅用于构件塑性铰区域，将FRP筋主要置于易受腐蚀的边角处，一方面，在地震荷载作用下，ECC可以为复合筋提供有效的约束和保护。另外，FRP筋的使用提高了组合柱的极限承载力和屈服刚度，与此同时柱的残余变形和震后损伤都减小。钢筋则能够保证构件的延性。本文中的新型组合柱构件具有承载力高、力学性能好和耐久性能优越的特点。参考文献

［1］段世昌，徐千军.FRP与混凝土组合结构研究综述［J］.水力发

电学报，2005，24（5）：55-59.

［2］严雨浩，黄欣然.盐类侵蚀环境下混凝土耐久性研究综述［J］.

江西建材.2018，（05）：7-16.

［3］冯鹏，陆新征，叶列平.纤维增强复合材料建设工程应用技术-试验、理论与方法［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.［4］Li VC.On engineer edcementitious composites （ECC） A

review of the material and its applications［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（3）：215-229.

［5］Harris G，Win S，Frank KK.New ductile hybrid FRP

reinforcing bar for concrete structures ［J］.Journal of composites for construction，1998，2（1）：28-37.

［6］Fischer G，Li VC.Deformation behavior of fiber-reinforced

polymer reinforced engineered cementitious composite（ECC）flexural members under reversed cyclic loading conditions［J］.ACIStructuralJournal，2003，100（1）：25-35.

［7］陈威.FRP筋增强PPECC柱的力学性能研究［D］.沈阳建筑大学，

2012.

图 1

（上接第15页）

将等离子体技术应用到废物处理中，目前等离子体处理技术发展较成熟的国家有美国、英国、德国、日本等，其中西屋环境公司、美国Retech公司、英国Tetronics公司等的等离子体处理技术均已达到商业化运转的水平，可利用等离子技术处理各种危险废弃物，包括生活垃圾焚烧飞灰、污泥、污染土壤等，并已实现工业应用［3］。

等离子体熔融气化技术处理固体废弃物在国内起步较晚，中科院、中广核等几家科研机构对其在固废处理中的应用有所研究。目前国内在上海地区、广州地区已有一些等离子体处理设施商业运营的案例［4］。4 展望

等离子气化熔融处理危险废物具有显著的减量化、资源化和无害化效果。在合理配伍和工艺参数前体下，等离子体处理后产生的玻璃体渣相对于回转窑残渣减容更显著，且玻璃体渣浸出毒性远低于浸出标准限值，属于一般固废，可作为绿色建

筑材料原料，能减少安全填埋费用，如未来国家颁布相关标准明确玻璃体渣可资源化利用，该技术具有较大发展潜力。

目前危险废物等离子处理技术和回转窑焚烧技术相比，其建设和运行成本较高，因此现阶段更适用于处理高毒性、难处置的危险废物（如飞灰）、和含可回收贵金属的危险废物等，通过较高处置收费、或回收产品的高附加值来平衡技术经济性。参考文献

［1］生态环境部 .2018 年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报

［Z］.北京：2018.

［2］王传英.等离子体处理危险废弃物的研究［J］.西安文理学院学

报（自然科学版），2010，13（03）：79-82.［3］杨德宇，俞建荣.等离子体熔融气化技术处理废弃物的研究［J］.

新技术新工艺，2014（02）：106-109.

［4］陈辉.危险废物等离子体处置技术装备的国产化研究与开发［J］.

环境保护科学，2009，35（06）：26-28.

·17·