混雜纖維材料加固鋼筋混凝土結構技術現狀

汪杉　陳中瀚

【摘 要】纖維材料（ERP）加固是現代土木工程應用中最具有前景的加固技術，而混雜纖維（HFRP）是未來加固技術中占據主導地位。本文結合現有的最新的研究資料分析了HFRP加固鋼筋混凝土結構技術現狀并對其應用前景做出了展望。

【關鍵詞】混雜纖維；加固；鋼筋混凝土結構

0 引言

為了解決日漸嚴峻的加固改造問題，國內外的學者們進行了大量的研究也得出了出了一些相應的解決方法包括：增大截面法、預應力法、粘鋼加固法、增設支點加固法、托梁拔柱法、錨固法等。這些傳統的加固方法在實際工程應用中得到大多學著肯定，加固過后的建筑的承載力、剛度、抗震性能等得到一定程度的提高，但是也存在著或多或少的缺陷。例如損害傷了建筑的結構原貌、減小了使用空間、增加了結構荷載、增長后期維護作業的工作量和時間、影響正常生產和工作等。因此工程中需要效果更好，更新型的加固技術。隨著我國建筑行業的不斷發展，纖維材料的價格下降，新型的建筑材料逐漸出現在大家的視野中。纖維增強復合材料加固技術迅速成為國內外學者和科研人員的研究熱點。受粘貼鋼板加固法的影響，在20世紀70年代，有學者把研究出的玻璃纖維聚合物GFRP應用于加固工程中，它的線膨脹系數和混凝土相近，因此能很好的和混凝土共同作用。但是因為其彈性模量較小、耐久性和穩定性不夠理想，沒能大范圍的推廣使用。1980年后，從航空和軍事科技領域借鑒到一些新材料碳纖維增強復合材料簡稱CFRP，它較GFRP有輕質高強、彈性模量高、較好的抗震性和施工方便等特點，在當時就掀起了一股研究熱潮。隨著研究的深入出現了芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維（BFRP）復合加固單一纖維材料。到21世紀初我國研究單一纖維材料技術方面已經比較成熟并制定了相關的規范。但由于單一的纖維材料技術總存在著一些缺陷。為了優化最佳的纖維加固技術，有學者就提出混雜技術，即各取所需，揚長避短，使每種材料都發揮到最大性能，理想狀態是，既有CFRP的高彈性模量又有GFRP的低造價等特點。新型的混雜纖維加固鋼筋混凝土結構是一個值得深入研究的問題。

1 混雜纖維加固鋼筋混凝土結構技術現狀

1.1 加固鋼筋混凝土梁

從單一纖維到混雜纖維，對加固鋼筋混凝土梁的抗彎、抗剪，始終是國內FRP加固鋼筋混凝土結構中研究最多的一個方向。熊光晶[1-2]等首次提出混合采用玻璃纖維布和碳纖維布對鋼筋混凝土梁進行加固的思路，并進行了用了高強玻璃纖維、碳纖維混雜材料加固混凝土梁的抗彎試驗研究，為了更合理的評價試件的延性，重新定義了撓度延性和能量延性。試驗表明，在保證提高承載力的前提下混雜纖維加固梁的撓度延性、能量延性分別比碳纖維加固梁高89.5%和57.9%，加固價格低38.2%，而剛度僅低10%分別僅比普通梁低13.7%和21.4%。有了這篇文章的啟蒙，我國開始對混雜纖維加固梁開始了大量的研究，主要的方向有預應力混雜纖維和不同種類的纖維混合加固混凝土梁的抗彎、抗剪、疲勞以及二次受力研究。吳輝琴[3]等設計了10根CFRP與GFRP不同合成方式的HFRP加固，并用對比實驗對混凝土梁不同的加固位置以及加載方式進行了更深入的研究表明：側面加固梁抗彎補強與底面加固相比效果相差不大，但對裂縫的出現和開展抑制作用較好。持載作用加固梁比直接加載作用加固梁的抗彎承載能力略高一些。在此基礎上他們開展了一系列理論研究分析了HFRP加固混凝土梁的破壞形態，建立了兩種HFRP加固單筋矩形截面梁抗彎承載力的計算模型并提出了加固適筋梁的抗彎承載力的實用計算公式。隨著新型無機環保綠色高性能纖維材料“玄武巖纖維”的出現，有關的研究也越來越受到人們的關注。陳緒軍[4]等通過5根鋼筋混凝土梁的變幅疲勞試驗，研究碳/玻璃混雜、碳/玄武巖混雜纖維布加固梁的彎曲疲勞性能。實驗結果表明，粘貼混雜纖維布較玄武巖纖維布更能提高梁的抗疲勞性能和延長梁的使用壽命。并用RMS法估計經纖維布加固的變幅疲勞梁的疲勞壽命，得到精度較高可控實際工程使用的S-N曲線。

1.2 加固鋼筋混凝土樓板

板由于種種原因出現承載力不足的問題，需要進行加固，通過研究表明，用FPR加固結構板能夠提升板承載力，所以廣大研究者針對混雜纖維加固板結構進行了深入的研究。在以往的這方面研究中，主要都是研究混雜纖維加固普通混凝土板、單項受力板的各種性能，在現今幾年中又出現了對混雜纖維加固鋼板剪力墻的這種非單向受力板結構的各種性能的研究。在彭曉彤[5]用有限元分析和非線性分析的方法對混雜纖維加固剪力鋼板結構的抗震性能進行了研究。實驗結果表明，混雜纖維的加固效應比單一纖維較好，混雜纖維既保留了混雜的各種纖維各自的優點，同時還獲得了更為優異的綜合性能，荷載有不同纖維共同承擔，能夠發揮出不同種纖維的優勢。試驗中纖維加固后的試件相比參考試件抗拉抗壓能力都有顯著的提高，增大了鋼板的屈服極限，增加了鋼板使用范圍。

1.3 加固鋼筋混凝土柱

隨著科技和時代的發展，大跨度、大空間型的建筑頻頻出現，而這些建筑往往避免不了設立大量的鋼筋混凝土柱。但鋼筋混凝土柱在長期腐蝕、碰撞等不利地效應下，往往需要進行加固處理，傳統的加固方式造價高，不宜操作，單一纖維加固鮮果也受到單一纖維性質的局限，而采用混雜纖維片進行柱體結構加固具有可行性高、造價低、等特點，也有不錯的結構抗壓效應和抗剪效應效果。尹毓良[6]對單一纖維和混雜纖維加固的短柱進行了軸心受壓和偏心受壓的物理效應做了對比分析研究。實驗結果表明，相對于不加固的的混凝土短柱、加固的短柱達到應力極限時不會成爆裂性破壞，而是隨著纖維布的破壞而逐漸破壞，而且極限應力提高。通過對不同混凝土形狀和纖維成分比較實驗得知混凝土形狀為無倒角，相對脆性的纖維材料更適宜作為抗壓加固材料。混雜纖維由于其良好的抗剪作用而可以增強加固結構抗震的效果，李剛[7]通過對破壞形式、試驗研究、有限元模擬、抗震性能評估等方面研究了混雜纖維加固柱的抗震效果。研究表明，FRP 的種類對加固柱的延性會產生影響，FRP的極限應變越大，加固柱的延性越好但對極限承載力影響不大；采用FRP加固短柱相當于增加了配箍率使柱的抗剪承載力得到提高可以有效改善其的抗震性能，采用 GFRP筋和CFRP布加固的混凝土柱較僅采用 CFRP 布加固的混凝土柱位移延性系數提高最大，達到51.7%，植GFRP筋的混凝土柱位移延性系數提高22.3% 組合加固技術在保持其承載能力的同時提高了混凝土柱的位移延性，加固效果好于僅采用 CFRP 布或 GFRP 筋加固的混凝土柱。

1.4 加固鋼筋混凝土節點、框架

在以往對節點、框架的研究中，多是對混雜纖維加固節點和框架在抗震性能方面的研究，主要是在混雜纖維的回滯系數、恢復力、耗能和加固的結構的剛度退化程度、承載力等方面上的研究。近些年來，研究者們依舊在上述幾個方面對混雜纖維加固結構進行研究，當然，也有新的研究模式，比如對纖維類型、加固方式、粘貼厚度等因素，對加固后節點受力性能的影響的和各因素對節點受力性能的影響規律的研究。楊曌[8]等對不同纖維類型、不同纖維加固方式、不同纖維粘貼厚度進行加固的節點試件進行實驗力學研究，得出：單一纖維加固的屈服荷載、屈服位移、極限位移提高值都高于混合纖維，但是混雜纖維的極限荷載、極限荷載提高率、位移延性系數都高于單一纖維。采用僅在節點受拉面上布置纖維或者既在受拉面上布置也環繞節點布置時，對提高節點的延性均很有效果。黏結厚度的增加，會相應增加黏結界面的剪應力，導致加固過早失效。當然近年來依舊有對混雜纖維加固節點的抗震性能的研究。馬明[9]等通過對混雜纖維加固的平面框架梁柱邊節點的抗震性能的試驗，對實驗結果采用靜力非線性分析和有限元法分析的方法研究了混雜纖維加固框架節點的物理性能。在實驗結果中，單一纖維與混雜纖維對加固節點屈服荷載的貢獻都相差不大；混雜纖維對試件極限承載力的提高幅度優于單一纖維，具有更好的抗震性能。在延性和耗能方面，與參照試件對比，單一纖維節點加固試件的延性系數提高1.64倍，混雜纖維加固節點位移延性系數分別為未加固節點試件的 1.94和2.11倍。可以看出混雜纖維加固要優于單一纖維加固。

2 混雜纖維自身特性研究技術現狀

2.1 混雜纖維合理配比

混雜纖維是解決單一纖維突出缺點的有效途徑，它能充分發揮單一纖維材料的優勢，揚長避短，并且可能表現出特有的性質。混雜纖維在發揮其高強、輕質等特點的時候很重要的因素就是其合理配比，由于混雜纖維的混雜材料和混雜方式都是不確定的，不同的材料和方式會產生不同的混雜效果，不一定混雜后就能達到預期的效果。國內外許多學者對這進行研究和分析但它的不確定性給研究帶來很多種可能。紀梓斌[10]對CF和S-GF材料進行混合時，當CF體積分數為0.198和0.247的HFRP強度高，延性好并且價格低，但剛度略低，匹配相對合理。

2.2 混雜纖維的耐久性、徐變性

混雜纖維加固混凝土結構，除了要求加固后的結構能夠承受更多的荷載外，還要求其能夠使用更長的時間，或者說是能夠在一定比較長的時間內保持力學特性，所以對于混雜纖維加固的結構的耐久性、徐變性的研究一直都未間歇過。徐娜[11]等通過ANSYS軟件對施加低周反復荷載的混雜纖維加固的混凝土柱進行剛度退化和抗剪作用進行了分析，研究結果表明，隨著荷載的增加，等效粘制阻尼系數急劇增加，破壞附近變化不大，但參入混雜纖維的系數增加幅度要遠大于未參入混雜纖維的試件，可以得出混雜纖維加固能提升混凝土柱的耐久性；混凝土柱的剛度退化均是屈服前較快，屈服之后速度減緩，混雜纖維的參入能夠有效地減緩混凝土柱的剛度退化效應，而且減緩作用隨著纖維參入量的增加而增強。在王學志[12]等中通過研究玄武巖纖維-聚丙烯纖維混雜纖維的抗凍性、抗滲性來評價混雜纖維加固構件的耐久性性能。研究表明，隨著該混雜纖維的參量增加，試件的抗凍性和抗滲性反而減小，而單參入纖維反而增加，證明該混雜纖維耐久性比該混雜纖維的組成纖維單獨使用的耐久性弱；多參入玄武巖的混雜纖維比多參入聚丙烯的混雜纖維抗凍性和抗滲性強，說明該種混雜纖維的耐久性主要靠玄武巖纖維含量來決定；當玄武巖纖維和聚丙烯纖維等比例參入時，其抗滲性和抗凍性隨著纖維參入量成正比，說明該種混雜纖維的性質可能會隨著組成纖維參入比例改變而不同。

3 結語

目前在國內外學者對混雜纖維的研究看來混雜纖維加固鋼筋混凝土的優勢越來越明顯，也在實際補強加固及震損加固工程中站主導地位。但其一些缺點的存在也讓它的廣泛普及受到了一定的限制。若想獲得性能高的混雜纖維可以進行系統的實驗研究得到最優纖維混雜比例，進一步明確它的力學性能和加固方式，并繪制圖表建立統一的模型，便于工程實際應用。混雜纖維技術在加固鋼筋混凝土具有其科學性、先進性、獨特性使其將有廣泛的應用前景。

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[責任編輯：楊玉潔]