混雜纖維材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀

汪杉　陳中瀚

【摘 要】纖維材料（ERP）加固是現(xiàn)代土木工程應(yīng)用中最具有前景的加固技術(shù)，而混雜纖維（HFRP）是未來(lái)加固技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。本文結(jié)合現(xiàn)有的最新的研究資料分析了HFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀并對(duì)其應(yīng)用前景做出了展望。

【關(guān)鍵詞】混雜纖維；加固；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

0 引言

為了解決日漸嚴(yán)峻的加固改造問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究也得出了出了一些相應(yīng)的解決方法包括：增大截面法、預(yù)應(yīng)力法、粘鋼加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、托梁拔柱法、錨固法等。這些傳統(tǒng)的加固方法在實(shí)際工程應(yīng)用中得到大多學(xué)著肯定，加固過(guò)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(jié)構(gòu)原貌、減小了使用空間、增加了結(jié)構(gòu)荷載、增長(zhǎng)后期維護(hù)作業(yè)的工作量和時(shí)間、影響正常生產(chǎn)和工作等。因此工程中需要效果更好，更新型的加固技術(shù)。隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，纖維材料的價(jià)格下降，新型的建筑材料逐漸出現(xiàn)在大家的視野中。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)迅速成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研人員的研究熱點(diǎn)。受粘貼鋼板加固法的影響，在20世紀(jì)70年代，有學(xué)者把研究出的玻璃纖維聚合物GFRP應(yīng)用于加固工程中，它的線膨脹系數(shù)和混凝土相近，因此能很好的和混凝土共同作用。但是因?yàn)槠鋸椥阅Ａ枯^小、耐久性和穩(wěn)定性不夠理想，沒(méi)能大范圍的推廣使用。1980年后，從航空和軍事科技領(lǐng)域借鑒到一些新材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)稱CFRP，它較GFRP有輕質(zhì)高強(qiáng)、彈性模量高、較好的抗震性和施工方便等特點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)就掀起了一股研究熱潮。隨著研究的深入出現(xiàn)了芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維（BFRP）復(fù)合加固單一纖維材料。到21世紀(jì)初我國(guó)研究單一纖維材料技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟并制定了相關(guān)的規(guī)范。但由于單一的纖維材料技術(shù)總存在著一些缺陷。為了優(yōu)化最佳的纖維加固技術(shù)，有學(xué)者就提出混雜技術(shù)，即各取所需，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使每種材料都發(fā)揮到最大性能，理想狀態(tài)是，既有CFRP的高彈性模量又有GFRP的低造價(jià)等特點(diǎn)。新型的混雜纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

1 混雜纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 加固鋼筋混凝土梁

從單一纖維到混雜纖維，對(duì)加固鋼筋混凝土梁的抗彎、抗剪，始終是國(guó)內(nèi)FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中研究最多的一個(gè)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(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固的思路，并進(jìn)行了用了高強(qiáng)玻璃纖維、碳纖維混雜材料加固混凝土梁的抗彎試驗(yàn)研究，為了更合理的評(píng)價(jià)試件的延性，重新定義了撓度延性和能量延性。試驗(yàn)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(jià)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(guó)開(kāi)始對(duì)混雜纖維加固梁開(kāi)始了大量的研究，主要的方向有預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)了10根CFRP與GFRP不同合成方式的HFRP加固，并用對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)混凝土梁不同的加固位置以及加載方式進(jìn)行了更深入的研究表明：側(cè)面加固梁抗彎補(bǔ)強(qiáng)與底面加固相比效果相差不大，但對(duì)裂縫的出現(xiàn)和開(kāi)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(chǔ)上他們開(kāi)展了一系列理論研究分析了HFRP加固混凝土梁的破壞形態(tài)，建立了兩種HFRP加固單筋矩形截面梁抗彎承載力的計(jì)算模型并提出了加固適筋梁的抗彎承載力的實(shí)用計(jì)算公式。隨著新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料“玄武巖纖維”的出現(xiàn)，有關(guān)的研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。陳緒軍[4]等通過(guò)5根鋼筋混凝土梁的變幅疲勞試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)梁的使用壽命。并用RMS法估計(jì)經(jīng)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(shí)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(xiàn)承載力不足的問(wèn)題，需要進(jìn)行加固，通過(guò)研究表明，用FPR加固結(jié)構(gòu)板能夠提升板承載力，所以廣大研究者針對(duì)混雜纖維加固板結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiàng)受力板的各種性能，在現(xiàn)今幾年中又出現(xiàn)了對(duì)混雜纖維加固鋼板剪力墻的這種非單向受力板結(jié)構(gòu)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(duì)混雜纖維加固剪力鋼板結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混雜纖維的加固效應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還獲得了更為優(yōu)異的綜合性能，荷載有不同纖維共同承擔(dān)，能夠發(fā)揮出不同種纖維的優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)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(shí)代的發(fā)展，大跨度、大空間型的建筑頻頻出現(xiàn)，而這些建筑往往避免不了設(shè)立大量的鋼筋混凝土柱。但鋼筋混凝土柱在長(zhǎng)期腐蝕、碰撞等不利地效應(yīng)下，往往需要進(jìn)行加固處理，傳統(tǒng)的加固方式造價(jià)高，不宜操作，單一纖維加固鮮果也受到單一纖維性質(zhì)的局限，而采用混雜纖維片進(jìn)行柱體結(jié)構(gòu)加固具有可行性高、造價(jià)低、等特點(diǎn)，也有不錯(cuò)的結(jié)構(gòu)抗壓效應(yīng)和抗剪效應(yīng)效果。尹毓良[6]對(duì)單一纖維和混雜纖維加固的短柱進(jìn)行了軸心受壓和偏心受壓的物理效應(yīng)做了對(duì)比分析研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于不加固的的混凝土短柱、加固的短柱達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)不會(huì)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(yīng)力提高。通過(guò)對(duì)不同混凝土形狀和纖維成分比較實(shí)驗(yàn)得知混凝土形狀為無(wú)倒角，相對(duì)脆性的纖維材料更適宜作為抗壓加固材料?；祀s纖維由于其良好的抗剪作用而可以增強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)抗震的效果，李剛[7]通過(guò)對(duì)破壞形式、試驗(yàn)研究、有限元模擬、抗震性能評(píng)估等方面研究了混雜纖維加固柱的抗震效果。研究表明，F(xiàn)RP 的種類對(duì)加固柱的延性會(huì)產(chǎn)生影響，F(xiàn)RP的極限應(yīng)變?cè)酱螅庸讨难有栽胶玫珜?duì)極限承載力影響不大；采用FRP加固短柱相當(dāng)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(shù)提高最大，達(dá)到51.7%，植GFRP筋的混凝土柱位移延性系數(shù)提高22.3% 組合加固技術(shù)在保持其承載能力的同時(shí)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(jié)點(diǎn)、框架

在以往對(duì)節(jié)點(diǎn)、框架的研究中，多是對(duì)混雜纖維加固節(jié)點(diǎn)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(shù)、恢復(fù)力、耗能和加固的結(jié)構(gòu)的剛度退化程度、承載力等方面上的研究。近些年來(lái)，研究者們依舊在上述幾個(gè)方面對(duì)混雜纖維加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，當(dāng)然，也有新的研究模式，比如對(duì)纖維類型、加固方式、粘貼厚度等因素，對(duì)加固后節(jié)點(diǎn)受力性能的影響的和各因素對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響規(guī)律的研究。楊曌[8]等對(duì)不同纖維類型、不同纖維加固方式、不同纖維粘貼厚度進(jìn)行加固的節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究，得出：?jiǎn)我焕w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(shù)都高于單一纖維。采用僅在節(jié)點(diǎn)受拉面上布置纖維或者既在受拉面上布置也環(huán)繞節(jié)點(diǎn)布置時(shí)，對(duì)提高節(jié)點(diǎn)的延性均很有效果。黏結(jié)厚度的增加，會(huì)相應(yīng)增加黏結(jié)界面的剪應(yīng)力，導(dǎo)致加固過(guò)早失效。當(dāng)然近年來(lái)依舊有對(duì)混雜纖維加固節(jié)點(diǎn)的抗震性能的研究。馬明[9]等通過(guò)對(duì)混雜纖維加固的平面框架梁柱邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能的試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)點(diǎn)的物理性能。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，單一纖維與混雜纖維對(duì)加固節(jié)點(diǎn)屈服荷載的貢獻(xiàn)都相差不大；混雜纖維對(duì)試件極限承載力的提高幅度優(yōu)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(duì)比，單一纖維節(jié)點(diǎn)加固試件的延性系數(shù)提高1.64倍，混雜纖維加固節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)分別為未加固節(jié)點(diǎn)試件的 1.94和2.11倍?？梢钥闯龌祀s纖維加固要優(yōu)于單一纖維加固。

2 混雜纖維自身特性研究技術(shù)現(xiàn)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(diǎn)的有效途徑，它能充分發(fā)揮單一纖維材料的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，并且可能表現(xiàn)出特有的性質(zhì)?；祀s纖維在發(fā)揮其高強(qiáng)、輕質(zhì)等特點(diǎn)的時(shí)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(huì)產(chǎn)生不同的混雜效果，不一定混雜后就能達(dá)到預(yù)期的效果。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這進(jìn)行研究和分析但它的不確定性給研究帶來(lái)很多種可能。紀(jì)梓斌[10]對(duì)CF和S-GF材料進(jìn)行混合時(shí)，當(dāng)CF體積分?jǐn)?shù)為0.198和0.247的HFRP強(qiáng)度高，延性好并且價(jià)格低，但剛度略低，匹配相對(duì)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(jié)構(gòu)，除了要求加固后的結(jié)構(gòu)能夠承受更多的荷載外，還要求其能夠使用更長(zhǎng)的時(shí)間，或者說(shuō)是能夠在一定比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持力學(xué)特性，所以對(duì)于混雜纖維加固的結(jié)構(gòu)的耐久性、徐變性的研究一直都未間歇過(guò)。徐娜[11]等通過(guò)ANSYS軟件對(duì)施加低周反復(fù)荷載的混雜纖維加固的混凝土柱進(jìn)行剛度退化和抗剪作用進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，隨著荷載的增加，等效粘制阻尼系數(shù)急劇增加，破壞附近變化不大，但參入混雜纖維的系數(shù)增加幅度要遠(yuǎn)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(yīng)，而且減緩作用隨著纖維參入量的增加而增強(qiáng)。在王學(xué)志[12]等中通過(guò)研究玄武巖纖維-聚丙烯纖維混雜纖維的抗凍性、抗?jié)B性來(lái)評(píng)價(jià)混雜纖維加固構(gòu)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?jié)B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(dú)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?jié)B性強(qiáng)，說(shuō)明該種混雜纖維的耐久性主要靠玄武巖纖維含量來(lái)決定；當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維等比例參入時(shí)，其抗?jié)B性和抗凍性隨著纖維參入量成正比，說(shuō)明該種混雜纖維的性質(zhì)可能會(huì)隨著組成纖維參入比例改變而不同。

3 結(jié)語(yǔ)

目前在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混雜纖維的研究看來(lái)混雜纖維加固鋼筋混凝土的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，也在實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)加固及震損加固工程中站主導(dǎo)地位。但其一些缺點(diǎn)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(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究得到最優(yōu)纖維混雜比例，進(jìn)一步明確它的力學(xué)性能和加固方式，并繪制圖表建立統(tǒng)一的模型，便于工程實(shí)際應(yīng)用。混雜纖維技術(shù)在加固鋼筋混凝土具有其科學(xué)性、先進(jìn)性、獨(dú)特性使其將有廣泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]熊光晶，姜浩，黃冀卓，等.混雜纖維布加固混凝土梁的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34.

[2]熊光晶，蔣小青，楊建中，等.高強(qiáng)玻璃纖維布碳纖維布混雜加固混凝土梁柱的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2001，33（9）：14-16.

[3]吳輝琴，程建棚，潘杰松，田毅，王鵬.混雜纖維加固混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，06.

[4]陳緒軍，李華鋒，楊勇新，等.混雜纖維布加固混凝土梁抗彎疲勞性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2012，42（6）：77-81.

[5]彭曉彤，王丙正.混雜纖維增強(qiáng)鋼板剪力墻抗震研究方法[J].國(guó)家自然科學(xué)基金，2015，29（03）：168-171.

[6]尹毓良，張鴻梅.混雜纖維加固混凝土短柱抗壓試驗(yàn)分析[D].延邊大學(xué)，2012.

[7]李剛，姚諫.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土柱的抗震性能研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)建筑，2012，42（02）：129-151.

[8]楊曌，李玉潔，武鹍，明方闖. FRP 加固梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的影響因素分析[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2015，01（001）：25-27.

[9]馬明，彭亞萍.FRP 加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2010.

[10]紀(jì)梓斌.混雜纖維復(fù)合材料的合理匹配及其在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究[D].汕頭大學(xué)，2004.

[11]徐娜，趙燕茹.低周反復(fù)荷載作用下混雜纖結(jié)混凝土柱抗震性能有限元分析[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2014.

[12]王學(xué)志，鄭淑文，賀晶晶，鄒浩飛，孔祥清.基于抗?jié)B性的纖維混凝土耐久性評(píng)價(jià)體系[J].混凝土與水泥制品，2015，1：46-51.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]