鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

登封電廠集團(tuán)有限公司 陳東玲

登封市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 任五進(jìn)

鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

登封電廠集團(tuán)有限公司 陳東玲

登封市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 任五進(jìn)

近年來高強(qiáng)混凝土在高層建筑中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于高強(qiáng)混凝土的脆性大，延性差，在抗震地區(qū)如何既發(fā)揮混凝土的優(yōu)勢又滿足構(gòu)件的延性要求，已成為研究的熱點(diǎn)問題之一。而單純的混凝土結(jié)構(gòu)已不能完全滿足結(jié)構(gòu)抗震的要求。在混凝土中摻入亂向分布的鋼纖維可以有效阻止混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，同時(shí)還可以阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而可以明顯提高結(jié)構(gòu)的變形能力，改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。

一、鋼纖維混凝土的特點(diǎn)

鋼纖維混凝土（SteelFibreReinforcedConcrete，簡稱SFRC）系指將短的不連續(xù)的鋼纖維均勻亂向分散于混凝土組成的復(fù)合材料。鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)可分為無筋鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)3種。鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料，能顯著提高混凝土的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)研究表明，相對于普通混凝土構(gòu)件來說，由于摻入了鋼纖維，其力學(xué)性能以及抗震性能得到很大改善。對于鋼筋混凝土梁或柱構(gòu)件，鋼纖維可以明顯提高其開裂強(qiáng)度，同時(shí)可以提高其抗剪能力。對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)受力狀態(tài)復(fù)雜，鋼纖維可以提高節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土抗拉強(qiáng)度，避免節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土過早開裂。

鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，因此對于其抗拉、抗剪、抗彎和抗扭強(qiáng)度有明顯的改善作用。而纖維的增強(qiáng)效果主要取決于基體強(qiáng)度、纖維的長徑比、纖維的體積率、纖維與基體間的黏結(jié)強(qiáng)度以及纖維在基體中的分布和取向。當(dāng)鋼纖維混凝土被破壞時(shí)，纖維是被拔出而不是被拉斷，因此改善纖維與基體間的黏結(jié)強(qiáng)度是改善纖維增強(qiáng)效果的因素之一。

在普通混凝土結(jié)構(gòu)中配置的鋼筋有區(qū)域性和方向性，所以采用配筋方式抵抗復(fù)雜應(yīng)力不是最有效的方法。而鋼纖維亂向分布于混凝土中，是抵御復(fù)雜應(yīng)力的理想材料。另外在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中，其抗剪承載力主要靠箍筋和彎起鋼筋承擔(dān)，這些鋼筋多了，不但造價(jià)提高，而且施工很不方便，影響施工質(zhì)量。加入鋼纖維可以減少鋼筋數(shù)量，方便混凝土施工澆注。

二、鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)特性研究開始于20世紀(jì)60年代。J.P. Romualdi等首先通過一系列研究討論了鋼纖維約束混凝土裂縫開展機(jī)理，提出了基于斷裂分析的纖維間距理論，為鋼纖維混凝土的實(shí)用化開辟了道路。R.N.Swamy和A.E.Naaman等則對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理提出了復(fù)合材料強(qiáng)化法則。而后，隨著鋼纖維混凝土的推廣應(yīng)用，美國混凝土學(xué)會(huì)根據(jù)需要增設(shè)了專門的纖維混凝土委員會(huì)（ACI544），國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也增設(shè)了纖維水泥制品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（ISOTC77）。許多專家學(xué)者對鋼纖維混凝土的基本強(qiáng)度特性和基本變形特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，對鋼纖維混凝土的斷裂性能和疲勞特性也開展了部分研究工作。鋼纖維混凝土抗彎、抗剪構(gòu)件以及框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、橋面板和建筑樓板等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能研究也取得了許多有益于理論分析和實(shí)際設(shè)計(jì)的成果，并且這些成果大多已反映在相關(guān)的鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)和施工規(guī)程中。

現(xiàn)有鋼纖維混凝土基本理論，是在纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬的基礎(chǔ)上運(yùn)用與發(fā)展起來的。由于鋼纖維混凝土的組成與結(jié)構(gòu)的多相、多相分和非勻質(zhì)性，加以鋼纖維的“亂向”與“短”的特征，它比纖維增強(qiáng)塑料或增強(qiáng)金屬要復(fù)雜得多，如何使增強(qiáng)機(jī)理性能，充分體現(xiàn)自身特性，仍在不斷爭論、完善和發(fā)展之中。對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，目前主要有兩種認(rèn)識，一種是運(yùn)用復(fù)合力學(xué)理論，另一種是建立在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的纖維間距理論。所有其他的增強(qiáng)理論均可認(rèn)為是以這兩個(gè)理論為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的。

復(fù)合力學(xué)理論用于分析纖維增強(qiáng)或其他復(fù)合材料時(shí)，大多是將復(fù)合材料視為多相體系，即對SFRC的簡化是以纖維為一相，以混凝土為一相的兩相復(fù)合材料。復(fù)合材料的性能為各相性能元和?；炯俣椋豪w維連續(xù)均勻平行排列，并與受力方向一致；纖維與基體黏結(jié)完好，即兩者產(chǎn)生相同應(yīng)變，無相對滑動(dòng)；纖維與基體均呈彈性變形、橫向變形等。

纖維間距理論是在1963年由J.P.Romuald和J.B.Batson提出的。該理論建立在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為混凝土內(nèi)部有尺寸不同的微裂縫、孔隙和缺陷，在施加外力時(shí)，孔、縫部位產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，引起裂縫的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此提高像混凝土一類的脆性材料的抗拉強(qiáng)度、縮小和減少其裂縫的尺寸和數(shù)量，緩和裂縫尖端應(yīng)力集中程度，提高抑制裂縫引伸和發(fā)展的能力是至關(guān)重要的。因此，在脆性材料中摻入鋼纖維后，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成和受力破壞的過程中，有效地提高了復(fù)合材料受力前后阻止裂縫引發(fā)與擴(kuò)展的能力，達(dá)到鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)與增韌的目的。

三、我國在早期對鋼纖維混凝土的研究應(yīng)用

從20世紀(jì)80年代起，我國開展了鋼纖維的研究工作。大連理工大學(xué)趙國藩教授首先從斷裂力學(xué)理論出發(fā)，導(dǎo)出了與復(fù)合材料理論相一致的亂向分布鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度公式，并分析了鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理和破壞形態(tài)?？哲姽こ虒W(xué)院章文綱、程鐵生進(jìn)行了單調(diào)軸壓荷載下鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程以及鋼纖維框架節(jié)點(diǎn)抗震性能和鋼纖維混凝土梁抗剪性能的試驗(yàn)研究。鐵道部科學(xué)研究院在推廣應(yīng)用鋼纖維混凝土于鐵路枕軌、橋面鋪裝和工程加固修復(fù)的同時(shí)，開展了材料基本強(qiáng)度和抗沖擊、抗磨性能的試驗(yàn)研究。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于1993年5月批準(zhǔn)實(shí)施了《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于施工規(guī)程》（CECS 38∶93），并已廣泛應(yīng)用于隧道、水工建筑物、道路等方面。