鋼纖維混凝土結構的特點及應用

登封電廠集團有限公司 陳東玲

登封市住房和城鄉建設局 任五進

鋼纖維混凝土結構的特點及應用

登封電廠集團有限公司 陳東玲

登封市住房和城鄉建設局 任五進

近年來高強混凝土在高層建筑中得到越來越廣泛的應用。由于高強混凝土的脆性大，延性差，在抗震地區如何既發揮混凝土的優勢又滿足構件的延性要求，已成為研究的熱點問題之一。而單純的混凝土結構已不能完全滿足結構抗震的要求。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部裂縫的擴展，同時還可以阻滯宏觀裂縫的發生和發展，從而可以明顯提高結構的變形能力，改善混凝土結構的抗震能力。

一、鋼纖維混凝土的特點

鋼纖維混凝土（SteelFibreReinforcedConcrete，簡稱SFRC）系指將短的不連續的鋼纖維均勻亂向分散于混凝土組成的復合材料。鋼纖維混凝土結構可分為無筋鋼纖維混凝土結構、鋼筋鋼纖維混凝土結構和預應力鋼纖維混凝土結構3種。鋼纖維混凝土是一種性能優良的復合材料，能顯著提高混凝土的各項性能。試驗研究表明，相對于普通混凝土構件來說，由于摻入了鋼纖維，其力學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件，鋼纖維可以明顯提高其開裂強度，同時可以提高其抗剪能力。對于鋼筋混凝土梁柱節點區，由于節點區受力狀態復雜，鋼纖維可以提高節點區混凝土抗拉強度，避免節點區混凝土過早開裂。

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部裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展，因此對于其抗拉、抗剪、抗彎和抗扭強度有明顯的改善作用。而纖維的增強效果主要取決于基體強度、纖維的長徑比、纖維的體積率、纖維與基體間的黏結強度以及纖維在基體中的分布和取向。當鋼纖維混凝土被破壞時，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強度是改善纖維增強效果的因素之一。

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

二、鋼纖維混凝土的研究現狀

纖維增強混凝土力學特性研究開始于20世紀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機理提出了復合材料強化法則。而后，隨著鋼纖維混凝土的推廣應用，美國混凝土學會根據需要增設了專門的纖維混凝土委員會（ACI544），國際標準化協會也增設了纖維水泥制品技術標準委員會（ISOTC77）。許多專家學者對鋼纖維混凝土的基本強度特性和基本變形特性進行了大量的試驗研究，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、抗剪構件以及框架結構節點、橋面板和建筑樓板等構件的結構性能研究也取得了許多有益于理論分析和實際設計的成果，并且這些成果大多已反映在相關的鋼纖維混凝土設計和施工規程中。

現有鋼纖維混凝土基本理論，是在纖維增強塑料、纖維增強金屬的基礎上運用與發展起來的。由于鋼纖維混凝土的組成與結構的多相、多相分和非勻質性，加以鋼纖維的“亂向”與“短”的特征，它比纖維增強塑料或增強金屬要復雜得多，如何使增強機理性能，充分體現自身特性，仍在不斷爭論、完善和發展之中。對鋼纖維混凝土的增強機理，目前主要有兩種認識，一種是運用復合力學理論，另一種是建立在斷裂力學基礎上的纖維間距理論。所有其他的增強理論均可認為是以這兩個理論為基礎而發展起來的。

復合力學理論用于分析纖維增強或其他復合材料時，大多是將復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合材料。復合材料的性能為各相性能元和。基本假定為：纖維連續均勻平行排列，并與受力方向一致；纖維與基體黏結完好，即兩者產生相同應變，無相對滑動；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的基礎上，認為混凝土內部有尺寸不同的微裂縫、孔隙和缺陷，在施加外力時，孔、縫部位產生大的應力集中，引起裂縫的擴展，最終導致結構破壞。因此提高像混凝土一類的脆性材料的抗拉強度、縮小和減少其裂縫的尺寸和數量，緩和裂縫尖端應力集中程度，提高抑制裂縫引伸和發展的能力是至關重要的。因此，在脆性材料中摻入鋼纖維后，在復合材料結構形成和受力破壞的過程中，有效地提高了復合材料受力前后阻止裂縫引發與擴展的能力，達到鋼纖維對混凝土的增強與增韌的目的。

三、我國在早期對鋼纖維混凝土的研究應用

從20世紀80年代起，我國開展了鋼纖維的研究工作。大連理工大學趙國藩教授首先從斷裂力學理論出發，導出了與復合材料理論相一致的亂向分布鋼纖維混凝土抗拉強度公式，并分析了鋼纖維混凝土的增強機理和破壞形態。空軍工程學院章文綱、程鐵生進行了單調軸壓荷載下鋼纖維混凝土應力-應變全過程以及鋼纖維框架節點抗震性能和鋼纖維混凝土梁抗剪性能的試驗研究。鐵道部科學研究院在推廣應用鋼纖維混凝土于鐵路枕軌、橋面鋪裝和工程加固修復的同時，開展了材料基本強度和抗沖擊、抗磨性能的試驗研究。中國工程建設標準化協會于1993年5月批準實施了《鋼纖維混凝土結構設計于施工規程》（CECS 38∶93），并已廣泛應用于隧道、水工建筑物、道路等方面。