纤维布增强混凝土梁抗弯性能的国内研究总结

　　前言
　　
　　由于地震、海浪侵蚀、冻融循环、酸碱环境作用、紫外线照射和超载等因素影响，我国大量混凝土桥梁存在局部或整体损伤，需要进行维修加固。粘贴纤维布加固既有损伤混凝土桥梁是一种有效的加固方法，目前采用的纤维种类主要有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。

　　桥梁结构的突出特征是主要承受车辆荷载等疲劳荷载且所处环境复杂，抗弯疲劳性能是桥梁结构关注的主要性能之一。研究纤维布加固混凝土桥梁抗弯疲劳性能对确保我国交通运输健康发展具有重要意义。

　　国内外学者对纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能进行了大量的试验研究工作，得出一系列重要成果。本文拟对纤维布加固混凝土梁抗弯疲劳性能研究进行归纳总结，并结合新型纤维布-玄武岩纤维（ BFRP） 布的特点，提出今后纤维布加固混凝土梁抗弯疲劳性能研究建议，以便为纤维布尤其是玄武岩纤维布在混凝土桥梁加固中的应用提供借鉴。

　　国内外纤维布加固混凝土梁的疲劳性能研究集中在以下几个方面。

　　1 国外纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能研究
　　
　　1992 年，Meier 等人在 EMPA（ 瑞土联邦建材检测实验室） 进行了一根跨度为 6m、四分点弯曲加载的碳纤维（ CFRP） 布加固钢筋混凝土 T 梁的疲劳性能试验.研究表明： 经过纤维布加固后，由于减少了钢筋在弯曲裂缝处的应力集中，梁体出现了大量的细微裂缝。加固后的梁表现出良好的疲劳性能，证实了纤维布对提高混凝土梁抗弯疲劳性能的有效性。

　　2001 年，加拿大学者 Masoud 等人研究了碳纤维布加固已腐蚀钢筋混凝土梁的静力和疲劳性能,6根梁加速腐蚀后粘贴两种不同纤维布用于疲劳试验。

　　该文指出： 钢筋腐蚀会大大降低梁的疲劳寿命； 加固梁的疲劳破坏都是由于受拉钢筋的断裂； 腐蚀加固梁的疲劳寿命相对腐蚀未加固梁提高了 2. 5 ~ 6 倍，但还是低于未腐蚀未加固梁。说明碳纤维布加固已腐蚀钢筋混凝土梁是一种有效的方法，可以提升构件的性能进而起到维修加固结构的作用。

　　2004 年，Heffernan 和 Erki 共同制作了 20 根钢筋混凝土梁用于静载和疲劳试验.三组试件分别在28. 2 /112. 0,28. 2 /98. 0,28. 2 /84. 1kN 三种应力幅下进行疲劳试验。得到了加固梁和非加固梁的疲劳寿命、跨中挠度变化和失效模式： 未加固梁的失效模式是由于钢筋的断裂； 加固梁的失效模式是由于碳纤维布脱粘之后导致的钢筋断裂； 统计出加固梁的疲劳寿命在三种应力幅作用下相对于未加固梁分别提高了155% ,182% ,537% ,并作出 S-N 曲线，然而本文并未拟合出 S-N 曲线的数学公式。

　　Heffernan 和 Erki 还研究了碳纤维布加固层数对梁的疲劳性能的影响，4 根梁（ 碳纤维布加固层数分别为 0,2,4,6 层） 在 78. 0/271. 6kN 应力幅下进行疲劳试验。试验测得梁的疲劳寿命分别为 33. 5,31. 2,62. 7,104. 9 万次，说明粘贴更多的纤维布可以更好地提高梁的疲劳寿命。本文并未给出粘贴 2 层纤维布后疲劳寿命反而降低 7.5%的原因。

　　此外，Shahawy 和 Sherif El-Tawil 分别进行了碳纤维布加固混凝土 T 梁的静力和疲劳性能研究,并给出了碳纤维布加固混凝土梁的设计建议。

　　2 国内纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能研究
　　
　　2. 1 试验研究方面
　　2005 年，刘沐宇开展了碳纤维布加固既有损伤混凝土梁的疲劳试验.其中 2 片梁加静载开裂后分别粘贴一层和两层碳纤维布进行加固。得出以下结论： 加固梁的疲劳寿命较未加固梁提高了 60% ~80% ; 在相同次数的疲劳荷载作用下，加固梁的变形减少了 40% ~60%; 加固梁的疲劳抗裂性有了较大的改善； 粘贴 2 层碳纤维布比粘贴 1 层更能提高混凝土梁的抗疲劳性能。2005 年，张慎伟等研究了芳纶纤维布层数和混凝土强度等级对钢筋混凝土加固梁疲劳性能的影响.2007 年，吴泽仪研究了碳纤维布加固预裂钢筋混凝土梁疲劳特征的试验研究.再次验证了纤维布对提高混凝土结构疲劳性能的有效性。

　　2006 年，李子奇研究了碳纤维布加固钢筋混凝土梁在承受较高疲劳荷载时的疲劳性能,以模拟桥梁在加固后要承受较高的车辆荷载。该试验考虑了纤维布长度、纤维布层数、纤维布的粘贴方式对加固梁疲劳性能的影响。指出其承载能力主要取决于粘结剂和混凝土的力学性能，施工质量也是影响加固效果的关键因素，并指出应采取加固措施防止碳纤维布剥离破坏发生，如采取 U 形箍加固时，U 形箍间距不宜大于 1m.

　　2007 年，张兴虎等首次对铁路预应力钢筋混凝土梁进行了碳纤维布加固后的疲劳试验研究.试验表明，加固后的混凝土梁经 200 万次疲劳后，强度和刚度不会降低，没有发生剥落和脆断。并提出了外包碳纤维布梁受弯容许承载力的计算公式：

　　普通钢筋混凝土梁：【1】

　　
　　式中： Mg,Mp为容许抵抗弯矩； Ag1为等效受拉钢筋面积； Ag2为受拉钢筋面积； z 为内力偶臂距； σg为钢筋容许应力； w1为换算后等效截面模量； w2为原等效截面模量； σp为混凝土容许拉应力。

　　计算值与试验值比较，计算值比较保守，采用理论公式计算偏于安全。

　　2008 年，张彬等进行了高强复合玻璃纤维加固钢筋混凝土梁的疲劳性能试验研究,加固梁以 5/19,5 /27. 5,5 /36,5 /44,5 /53kN 四种不同的应力水平进行疲劳试验。拟合出加固梁的疲劳寿命曲线即 S-N 曲线： S4. 246·N =8.772 ×101,得到加固梁的钢筋疲劳极限为 136.54MPa.

　　2009 年张伟平等研究了钢筋锈蚀率、碳纤维布加固量、应力水平等因素对已腐蚀钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能的影响.该文指出随着钢筋锈蚀率的增加，梁的疲劳寿命急剧缩短； 荷载水平提高以及加固前的损伤均会降低混凝土梁的疲劳寿命； 给出了锈蚀钢筋混凝土梁抗疲劳加固设计建议： 当荷载较大时，受压区混凝土可能先发生疲劳破坏，锈蚀钢筋混凝土梁抗疲劳加固设计时还应验算受压区混凝土的抗疲劳性能。在实际加固工程中可由加固梁的期望疲劳寿命可以确定加固梁中锈蚀钢筋的允许应幅，并确定最小碳纤维布加固量。然而该试验并未给出不同应力幅作用下加固梁的疲劳寿命，因此没有得到碳纤维布加固钢筋混凝土的 S-N 曲线。

　　此外，2009 年邓宗才等进行了芳纶纤维布加固已腐蚀混凝土梁疲劳性能研究,再次验证了纤维布能够明显提高已腐蚀混凝土梁的疲劳寿命。

　　2010 年，杨勇新首次研究了玄武岩纤维布对混凝土加固梁抗弯疲劳性能的影响.采用玄武岩纤维布进行加固后，梁的抗疲劳性能得到极大改善； 粘贴2层与 1 层玄武岩纤维布后疲劳寿命分别提高了 235%和 66%; 50 万次时，其疲劳变形分别减小了 35. 40%和 26. 04%.在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下，若梁的配筋率不超过 2. 5%,加固梁发生钢筋疲劳断裂破坏的可能性极大。

　　2. 2 理论分析方面
　　刘沐宇通过试验发现梁截面符合平面假定，受压区混凝土的应变在疲劳荷载作用下呈线性分布，得到混凝土疲劳变形模量的计算公式为：【2】

　　
　　2006 年，同济大学陈永秀等进行了 7 根碳纤维布加固矩形截面简支梁的疲劳荷载试验,分析了材料应变、跨中挠度和疲劳刚度降低系数与循环次数的关系，得到弯曲受压弹性模量 Ew、弯曲受压疲劳弹性模量 Ewf和轴心受压弹性模量 Ec的关系：【3】

　　
　　2007 年 路淼依据材料本构关系，通过修正Balaguru-Shah 的混凝土残余应变计算公式，采用等效截面法得到了碳纤维布加固梁疲劳刚度的理论计算公式，再根据材料力学的公式得到梁的挠度为： f =SMl02/ BN,挠度系数 S = 23/432,理论计算数据与试验数据吻合较好，说明给出的关于碳纤维布加固开裂钢筋混凝土梁的疲劳刚度的理论计算方法可以满足工程设计的精度要求。遗憾的该试验只针对粘贴一层碳纤维布和 C30 混凝土加固梁的对比情况，并未给出其他的层数和其他混凝土强度等级下的对比值，该公式的实用性还有待于进一步验证。

　　东南大学张娟秀进行了粘钢和粘贴碳纤维布加固混凝土梁的疲劳试验研究和非线性有限元分析,采用有限元分析软件 ANSYS 对试验梁进行数值模拟。所建立的空间模型中，混凝土选用 Solid65单元，钢筋选用用 PIPE20 单元，钢板和 CFRP 布均采用 Shell41 单元。混凝土采用 Mises 屈服准则； 钢筋、钢板为理想弹塑性材料，应力-应变呈双线弹性关系；碳纤维布布线弹性材料。只考虑钢筋的疲劳破坏形态而不考虑碳纤维布布与混凝土完的剥离破坏，同时假定钢筋与混凝土的无粘结滑移.通过计算表明ANSYS 数值模拟与试验结果符合较好。

　　3 展望
　　
　　从现有纤维布加固混凝土梁抗弯疲劳性能研究成果看，多针对碳纤维布展开，这和碳纤维布在工程实际应用中最为广泛是相适应的。

　　玄武岩纤维是由天然火山喷发形成的玄武岩矿石经粉碎、高温熔融后，拉丝而成的连续纤维材料，是一种无机可自然降解的新型环保复合材料，具有造价低、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等优良性能.玄武岩纤维布是采用玄武岩纤维加工而成的新型纤维增强复合材料，其价格仅为碳纤维布的 1/6,而二者力学性能相近； BFRP 布与玻璃纤维布力学性能相当，并优于芳纶纤维布； 在抗高温性能方面，BFRP 布高于 CFRP、玻璃纤维和芳纶纤维布。虽然目前 BFRP 布抗拉强度和弹性模量较 CFRP 布低，但其综合延性、成本、耐腐蚀性及抗高温性具有很大优势。随着 BFRP 布在结构加固领域的推广应用及生产规模化，其价格还会进一步降低。将 BFRP 布应用于混凝土结构加固，无疑具有良好的社会、经济效益及应用前景，开展 BFRP布在混凝土结构加固中的研究已成为该领域热点.开展玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能研究，对在主要承受疲劳荷载混凝土结构加固中的应用具有十分重要的理论意义和应用价值。

　　即便对应用最为广泛的碳纤维布，在加固混凝土梁抗弯疲劳性能研究方面仍需要开展进一步研究。笔者建议应结合玄武岩纤维布的推广应用，从以下几方面开展工作：

　　（ 1） 开展 BFRP 布加固混凝土梁在变应力幅和高应力幅作用下的疲劳性能研究。在加固桥梁的运营阶段，实际荷载提高并伴有超载现象发生，因此对于加固后的桥梁在变应力幅和高应力幅作用下的疲劳性能有待于进一步研究。

　　（ 2） 损伤程度对 BFRP 布加固混凝土梁疲劳性能影响。桥梁在使用过程中存在一定的损伤，由于环境作用和人为因素的影响，损伤会进一步加剧，需要对其进行维修加固。然而国内外大量的研究大都是针对完好梁进行的，这与实际情况有所差别。因此，应开展加固既有损伤桥梁的疲劳性能研究。由于荷载历程、所处环境不同，需要加固的混凝土桥梁损伤程度存在差别，探索不同损伤程度下 BFRP 布加固混凝土桥梁的疲劳性能，可为既有损伤混凝土桥梁结构加固奠定理论基础。

　　（ 3） 混凝土强度等级对 BFRP 布加固混凝土梁疲劳性能影响。早期和近年修建的桥梁混凝土强度等级差异较大，而混凝土强度对纤维布-混凝土界面粘结性能有直接影响。为掌握混凝土强度等级对 BFRP布加固混凝土桥梁结构力学行为、纤维剥离、粘结滑移、失效机制等的影响，应开展混凝土强度等级对BFRP 布加固混凝土梁疲劳性能影响研究。
　　
　　（ 4） 开展环境和疲劳荷载耦合作用下 BFRP 布加固混凝土梁的疲劳性能研究。冻融循环、干湿交替、温度变化、酸碱盐腐蚀和紫外线辐射等环境因素会加速混凝土结构的损伤和疲劳破坏。因此，应加强环境作用和疲劳荷载耦合下混凝土加固梁的疲劳性能研究。

　　（ 5） BFRP 布加固混凝土桥梁结构失效机理。通过对以上 BFRP 布加固混凝土试验梁破坏形态、破坏机制分析，应研究 BFRP 布加固混凝土结构失效原因，弄清其失效机理，为采用 BFRP 布加固混凝土桥梁结构应用研究提供依据。

　　（ 6） 加强试验研究和数值模拟相结合。目前对纤维布加固结构的疲劳性能研究主要依赖于试验研究，疲劳试验成本高、耗时长，而计算机技术的日新月异使得数值模拟变得非常快捷，因此开展数值模拟和试验研究相结合变得非常有必要。

　　参 考 文 献
　　
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