姜浩 許向南

(吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130118)

0 引言

近年來，纖維加固技術(shù)作為安全有效的加固方法之一，應(yīng)用逐步廣泛，技術(shù)也日趨成熟，但現(xiàn)有纖維加固材料多用碳纖維，造價高是其致命缺點.2005年我國玄武巖纖維研發(fā)成功.與玻璃纖維、碳纖維、芳綸等其他高性能纖維相比，玄武巖纖維具有力學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫性能好，耐酸耐堿，有更好的耐環(huán)境性能等優(yōu)點.可以預(yù)見，玄武巖纖維將作為新型高性能纖維，廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域.

1 玄武巖纖維主要特點

玄武巖纖維，是由火山噴發(fā)形成的玄武巖為原材料，在1 450℃～1 500℃熔融后，通過拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)無機纖維，顏色一般為褐色.

玄武巖纖維與碳纖維，玻璃纖維，芳綸纖維等纖維對比，除了具有高技術(shù)纖維高強度、高模量的特點以外，還具有以下特點:玄武巖纖維具有良好的耐高溫性能;玄武巖纖維化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的抗氧化、抗輻射和隔音防熱等性能.玄武巖纖維具有良好的力學(xué)性能，抗壓縮強度和抗剪切強度高.玄武巖纖維具有取材廣泛，價格低廉等優(yōu)點，其價格約為碳纖維的10 %，高硅纖維的16 %～25 %.

2 現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)補強加固技術(shù)

混凝土構(gòu)件的加固方法主要可以分為兩大類:直接加固法和間接加固法.在實際工程中常用的鋼筋混凝土構(gòu)件加固方法主要有:

(1)加大截面法.采取增大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積，用以提高其承載力，使其滿足正常使用的一種加固方法.加大截面法可廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等部位.但這種加固方法施工周期長，且對使用環(huán)境有嚴(yán)重影響;

(2)粘鋼加固法.將鋼板用高性能的環(huán)氧類粘結(jié)劑粘結(jié)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面，使鋼板和混凝土構(gòu)件形成統(tǒng)一整體，利用鋼板良好的抗拉強度達到增強構(gòu)件承載力及剛度的目的;

(3)外包鋼加固法.外包鋼加固法可在不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下，大幅度地提高鋼筋混凝土構(gòu)件的抗壓和抗彎性能;

(4)預(yù)應(yīng)力加固法.利用柱角的加固角鋼和箍板或預(yù)應(yīng)力拉桿固定，通過加熱箍板或張拉拉桿產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，使構(gòu)件在三軸受壓情況下提高其承載力的方法;

(5)增設(shè)支點加固法.增設(shè)支點加固法是用增設(shè)支承點來減少結(jié)構(gòu)計算跨度，達到減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和提高其承載能力的加固方法.這種加固方法適用于梁、板、桁架、網(wǎng)架等水平結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是簡單可靠，缺點是原使用空間會受一定的影響;

(6)FRP加固法.纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics簡稱FRP)加固法，是一種用膠粘劑把FRP粘貼在結(jié)構(gòu)外部進行加固，使構(gòu)件承載力得到提高的加固法.外貼纖維復(fù)合材料加固方法除了具有粘鋼加固法的優(yōu)點外，同時還具有很高的抗化學(xué)腐蝕、保護被加固結(jié)構(gòu)及提高結(jié)構(gòu)耐久性等能力.且纖維復(fù)合材料加固還具有施工周期短，操作簡單，幾乎不改變原結(jié)構(gòu)的外形和尺寸，加固時噪音小、灰塵少，對結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境影響小等優(yōu)點.因此，纖維復(fù)合材料對在用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固，具有十分廣闊的應(yīng)用前景.

3 玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)中的最新研究成果

3.1 BFRP加固鋼筋混凝土梁耐久性能方向

在玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁耐久性領(lǐng)域，青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院的陳建偉和胡海濤等人，采用外貼玄武巖纖維布加固的方法，在循環(huán)凍融條件下混凝土梁的強度進行研究;指出凍融對玄武巖纖維布加固過的混凝土試件的受力性能有較大的不利影響.經(jīng)過25次凍融循環(huán)后的實驗試件的變形仍然能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，這表明玄武巖纖維的加固是有效的，玄武巖纖維布對于在寒冷地區(qū)加固的需求基本可以滿足.但試件在經(jīng)過50次凍融循環(huán)之后，承載力強度下降較大.

閆志剛采用玄武巖纖維水泥砂漿修補混凝土裂縫，同時粘貼玄武巖纖維布的方法，測試提高構(gòu)件承載力能力.實驗數(shù)據(jù)表明:玄武巖纖維布和玄武巖纖維水泥砂漿結(jié)合使用，能有效提高構(gòu)件抗裂性，耐久性和抗彎承載力，并且可以有效增加抗彎剛度［2］.

解放軍后勤工程學(xué)院李炳宏等人，為探索先張法預(yù)應(yīng)力玄武巖纖維塑料筋加固混凝土梁受彎的力學(xué)性能增強效果，采用玄武巖纖維筋作為強化材料，運用先張法工藝，測試構(gòu)件的開裂荷載、裂縫和撓度發(fā)展情況、屈服荷載和極限荷載等性能.結(jié)果表明，對玄武巖纖維筋施加預(yù)應(yīng)力可以有效提高粱的抗裂度，減小裂縫寬度;而極限抗彎承載力與是否用預(yù)應(yīng)力筋無關(guān)，只與配筋率有關(guān)［3］.

華僑大學(xué)楊勇新、陳緒軍等人，通過實驗分析玄武巖纖維布加固混凝土梁抗彎疲勞性能的影響.對比試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論:經(jīng)過玄武巖纖維布加固后，梁的疲勞抗裂性能得到了較大改善.粘貼1層和2層纖維布后，梁的疲勞壽命分別提高了66 %和235 %，且在循環(huán)加載50萬次時，對比未加固梁其疲勞變形減小26.04 %和35.40 %.若梁的配筋率不超過2.5 %且纖維布與梁可靠粘結(jié)，則加固梁極大可能發(fā)生鋼筋疲勞斷裂破壞［4］.

3.2 BFRP加固鋼筋混凝土梁受彎性能數(shù)值模擬分析方向

在玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁受彎受剪承載力計算公式分析、數(shù)值模擬分析領(lǐng)域也有一定的研究.上海大學(xué)土木系歐陽煜、王鵬等人，運用混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范關(guān)于粘貼纖維增強復(fù)合材料加固方法的現(xiàn)行計算理論為基礎(chǔ)，探討玄武巖纖維加固鋼筋混凝土梁的計算方法及效果［5］;

武漢大學(xué)土木工程學(xué)院的陳尚建、劉海波等人，對BFRP預(yù)應(yīng)力筋加固鋼筋混凝土梁進行了實驗研究和非線性有限元分析，并根據(jù)預(yù)應(yīng)力加固可以改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，且降低原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平等特點，利用有限元軟件ANSYS對加固構(gòu)件進行非線性有限元分析，從理論上分析結(jié)構(gòu)的破壞特征及承載力變化［6］.

3.3 BFRP加固鋼筋混凝土簡支梁基本力學(xué)性能

在玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土簡支梁領(lǐng)域，江西省交通科學(xué)研究院江祥林、易漢斌等人，采用外貼玄武巖纖維布的方法加固T型簡支梁，討論構(gòu)件受彎性能.結(jié)果表明，粘貼玄武巖纖維布加固的鋼筋混凝土梁，其開裂荷載，屈服荷載，極限荷載均有所提高.但構(gòu)件的延性也會出現(xiàn)相應(yīng)餓下降，在受拉鋼筋屈服后玄武巖纖維布出現(xiàn)脆性斷裂，導(dǎo)致所加固梁體表現(xiàn)為脆性破壞［7］.

上海大學(xué)歐陽煜、張云超等人，采用不同方式粘貼玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁，研究其抗剪力情況.試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維布抗剪原理和箍筋類似，能夠有效地增強梁的剛度，從而提高梁的跨中位移以及梁的抗剪承載力.加固梁的最終破壞形式為剪壓破壞，是無預(yù)兆的脆性破壞［8］.

青島理工大學(xué)孫衍英等人對4根玄武巖纖維布加固的鋼筋混凝土梁進行實驗，并得出結(jié)論:BFRP使用層數(shù)較少時，承載力提高幅度較大，且BFRP的使用也增加了構(gòu)件的抗彎剛度［9］.

Wendel對FRP加固梁的破壞模式進行了研究，重點分析了裂縫對粘結(jié)破壞的影響及粘結(jié)破壞的形式.試驗結(jié)果表明，粘結(jié)破壞是一種脆性破壞方式［10］.

Malke等人研究了FRP端部和梁彎曲裂縫處的應(yīng)力分布情況，并對有限元計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行了比較，給出了剝離彎矩和剝離破壞準(zhǔn)則［11］.

目前，多數(shù)實驗數(shù)據(jù)都是在無荷載情況下進行纖維材料加固得到的，普遍不考慮二次受力，但在實際工程中幾乎不存在.因此，在實際的加固施工和加固分析時均要考慮二次受力.國內(nèi)對二次受力的研究較少，就目前完成的成果來看，大多集中在碳纖維加固領(lǐng)域，主要有大連理工大學(xué)的王文煒，在其博士論文中對6根CFRP布加固己承受荷載的鋼筋混凝土梁的抗彎性能的試驗研究.試驗結(jié)果表明:無論混凝土梁荷載歷史如何，只要實驗試件承受的初始荷載相同，破壞時的極限荷載就基本相同.梁端錨固對預(yù)先承受荷載加固梁的極限抗彎荷載影響不是很明顯［12］;

王滋軍、劉偉慶等人對考慮二次受力的碳纖維加固鋼筋混凝土梁進行抗彎性能試驗.試驗研究表明:碳纖維對鋼筋混凝土梁的加固效果十分明顯，但第一階段應(yīng)力的存在會使加固效果明顯降低，并且配筋率、碳纖維加固量等對碳纖維的應(yīng)變影響較大［13］.

4 玄武巖纖維在工程結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用需解決的問題

玄武巖纖維作為一種新型材料，在土木工程及橋梁工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊.但其在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究還處于起步階段，雖然近年來國內(nèi)在玄武巖纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件方面進行了一些理論分析和實驗研究，但在一些領(lǐng)域還需要繼續(xù)深入探討:

(1)玄武巖纖維加固鋼筋混凝土梁的長期效果及耐久性的研究.玄武巖纖維具有耐高溫、抗氧化、抗輻射、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點，所以對其進行耐久性的研究非常有必要.并且在其耐久性研究基礎(chǔ)上對其加固的鋼筋混凝土梁進行長期荷載作用下的可靠性的研究十分有必要;

(2)玄武巖纖維加固鋼筋混凝土梁受力性能的研究.在影響玄武巖纖維加固效果的眾多因素中，纖維布加固層數(shù)、片材厚度、加固間距、施工方法、混凝土表面處理方法等，通過實驗結(jié)果對比，找出玄武巖纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件的主要因素.同時最好能確定出施工的最佳方案和纖維材料的層數(shù)與加固效果的關(guān)系;

(3)玄武巖纖維加固鋼筋混凝土連續(xù)梁受力性能的研究.通過作者對國內(nèi)外大量文獻的閱讀，發(fā)現(xiàn)已完成實驗絕大部分都集中簡支梁方向，對連續(xù)梁的研究十分稀少，今后可以對玄武巖纖維加固連續(xù)梁的加固效果、內(nèi)力重分布、疲勞性能等方面進行研究.

5結(jié)語

玄武巖纖維這種新型環(huán)保的纖維材料，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛.本文僅起到拋磚引玉的作用，希望能夠引起相關(guān)學(xué)者的重視，使玄武巖纖維能在我國土木工程建設(shè)領(lǐng)域得到更廣泛的推廣與應(yīng)用.

［1］陳建偉，胡海濤，王希賓，陳偉，孫衍英.玄武巖纖維加固混凝土梁的凍融試驗研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2008，29(3):27-30.

［2］閆志剛.玄武巖纖維修復(fù)加固綜合法修補混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的研究［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2011，29(1):28-31.

［3］飛渭，李炳宏，江世永.先張法預(yù)應(yīng)力玄武巖纖維增強塑料筋混凝土梁受彎性能實驗研究［J］.中國塑料，2011，25(3):65-59.

［4］楊勇新，陳緒軍，邢建英，汪健根，胡玲.玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能試驗［J］.華僑大學(xué)學(xué)報，2010，31(4):443-447.

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［6］陳尚建，劉海波，歐陽普英，侯發(fā)亮.BFRP筋預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的實驗研究和非線性有限元分析［C］.第17屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集，2008.

［7］江祥林，易漢斌，曾國良.基于縮尺模型的玄武巖纖維布加固橋梁抗彎性能試驗［J］.公路交通科技，2011，28(7):106-112.

［8］歐陽煜，張云超，李翔.玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2009，39(1):134-137.

［9］孫衍英，劉伊琳，胡海濤.玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2010，31(1):29-32.

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［11］Air.M.Malek，HamidSaadatmanesh，MohanunadR.Ehsani.Predietion of Failure Loadof R/C Beams Streng thened with FRPP late Dueto Stress Coneentration atthe Plate End［J］.ACI Structural Journal，1998，95(2):142-153.

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