玄武岩纤维加固混凝土梁式结构的研究综述*

姜浩 许向南

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春130118)

0 引言

近年来，纤维加固技术作为安全有效的加固方法之一，应用逐步广泛，技术也日趋成熟，但现有纤维加固材料多用碳纤维，造价高是其致命缺点.2005年我国玄武岩纤维研发成功.与玻璃纤维、碳纤维、芳纶等其他高性能纤维相比，玄武岩纤维具有力学性能稳定，耐高温性能好，耐酸耐碱，有更好的耐环境性能等优点.可以预见，玄武岩纤维将作为新型高性能纤维，广泛地应用于土木工程领域.

1 玄武岩纤维主要特点

玄武岩纤维，是由火山喷发形成的玄武岩为原材料，在1 450℃～1 500℃熔融后，通过拉丝漏板高速拉制而成的连续无机纤维，颜色一般为褐色.

玄武岩纤维与碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维等纤维对比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点以外，还具有以下特点:玄武岩纤维具有良好的耐高温性能;玄武岩纤维化学性能稳定，具有良好的抗氧化、抗辐射和隔音防热等性能.玄武岩纤维具有良好的力学性能，抗压缩强度和抗剪切强度高.玄武岩纤维具有取材广泛，价格低廉等优点，其价格约为碳纤维的10 %，高硅纤维的16 %～25 %.

2 现有混凝土结构补强加固技术

混凝土构件的加固方法主要可以分为两大类:直接加固法和间接加固法.在实际工程中常用的钢筋混凝土构件加固方法主要有:

(1)加大截面法.采取增大混凝土结构的截面面积，用以提高其承载力，使其满足正常使用的一种加固方法.加大截面法可广泛用于钢筋混凝土结构的梁、板、柱等部位.但这种加固方法施工周期长，且对使用环境有严重影响;

(2)粘钢加固法.将钢板用高性能的环氧类粘结剂粘结于钢筋混凝土结构表面，使钢板和混凝土构件形成统一整体，利用钢板良好的抗拉强度达到增强构件承载力及刚度的目的;

(3)外包钢加固法.外包钢加固法可在不增大构件截面尺寸的情况下，大幅度地提高钢筋混凝土构件的抗压和抗弯性能;

(4)预应力加固法.利用柱角的加固角钢和箍板或预应力拉杆固定，通过加热箍板或张拉拉杆产生预应力，使构件在三轴受压情况下提高其承载力的方法;

(5)增设支点加固法.增设支点加固法是用增设支承点来减少结构计算跨度，达到减小结构内力和提高其承载能力的加固方法.这种加固方法适用于梁、板、桁架、网架等水平结构，其优点是简单可靠，缺点是原使用空间会受一定的影响;

(6)FRP加固法.纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics简称FRP)加固法，是一种用胶粘剂把FRP粘贴在结构外部进行加固，使构件承载力得到提高的加固法.外贴纤维复合材料加固方法除了具有粘钢加固法的优点外，同时还具有很高的抗化学腐蚀、保护被加固结构及提高结构耐久性等能力.且纤维复合材料加固还具有施工周期短，操作简单，几乎不改变原结构的外形和尺寸，加固时噪音小、灰尘少，对结构的使用环境影响小等优点.因此，纤维复合材料对在用钢筋混凝土结构进行加固，具有十分广阔的应用前景.

3 玄武岩纤维在结构中的最新研究成果

3.1 BFRP加固钢筋混凝土梁耐久性能方向

在玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁耐久性领域，青岛理工大学土木工程学院的陈建伟和胡海涛等人，采用外贴玄武岩纤维布加固的方法，在循环冻融条件下混凝土梁的强度进行研究;指出冻融对玄武岩纤维布加固过的混凝土试件的受力性能有较大的不利影响.经过25次冻融循环后的实验试件的变形仍然能够满足相关规范的要求，这表明玄武岩纤维的加固是有效的，玄武岩纤维布对于在寒冷地区加固的需求基本可以满足.但试件在经过50次冻融循环之后，承载力强度下降较大.

闫志刚采用玄武岩纤维水泥砂浆修补混凝土裂缝，同时粘贴玄武岩纤维布的方法，测试提高构件承载力能力.实验数据表明:玄武岩纤维布和玄武岩纤维水泥砂浆结合使用，能有效提高构件抗裂性，耐久性和抗弯承载力，并且可以有效增加抗弯刚度［2］.

解放军后勤工程学院李炳宏等人，为探索先张法预应力玄武岩纤维塑料筋加固混凝土梁受弯的力学性能增强效果，采用玄武岩纤维筋作为强化材料，运用先张法工艺，测试构件的开裂荷载、裂缝和挠度发展情况、屈服荷载和极限荷载等性能.结果表明，对玄武岩纤维筋施加预应力可以有效提高粱的抗裂度，减小裂缝宽度;而极限抗弯承载力与是否用预应力筋无关，只与配筋率有关［3］.

华侨大学杨勇新、陈绪军等人，通过实验分析玄武岩纤维布加固混凝土梁抗弯疲劳性能的影响.对比试验数据得出结论:经过玄武岩纤维布加固后，梁的疲劳抗裂性能得到了较大改善.粘贴1层和2层纤维布后，梁的疲劳寿命分别提高了66 %和235 %，且在循环加载50万次时，对比未加固梁其疲劳变形减小26.04 %和35.40 %.若梁的配筋率不超过2.5 %且纤维布与梁可靠粘结，则加固梁极大可能发生钢筋疲劳断裂破坏［4］.

3.2 BFRP加固钢筋混凝土梁受弯性能数值模拟分析方向

在玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯受剪承载力计算公式分析、数值模拟分析领域也有一定的研究.上海大学土木系欧阳煜、王鹏等人，运用混凝土结构加固设计规范关于粘贴纤维增强复合材料加固方法的现行计算理论为基础，探讨玄武岩纤维加固钢筋混凝土梁的计算方法及效果［5］;

武汉大学土木工程学院的陈尚建、刘海波等人，对BFRP预应力筋加固钢筋混凝土梁进行了实验研究和非线性有限元分析，并根据预应力加固可以改变原结构的内力分布，且降低原结构的应力水平等特点，利用有限元软件ANSYS对加固构件进行非线性有限元分析，从理论上分析结构的破坏特征及承载力变化［6］.

3.3 BFRP加固钢筋混凝土简支梁基本力学性能

在玄武岩纤维布加固钢筋混凝土简支梁领域，江西省交通科学研究院江祥林、易汉斌等人，采用外贴玄武岩纤维布的方法加固T型简支梁，讨论构件受弯性能.结果表明，粘贴玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁，其开裂荷载，屈服荷载，极限荷载均有所提高.但构件的延性也会出现相应饿下降，在受拉钢筋屈服后玄武岩纤维布出现脆性断裂，导致所加固梁体表现为脆性破坏［7］.

上海大学欧阳煜、张云超等人，采用不同方式粘贴玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁，研究其抗剪力情况.试验结果表明，玄武岩纤维布抗剪原理和箍筋类似，能够有效地增强梁的刚度，从而提高梁的跨中位移以及梁的抗剪承载力.加固梁的最终破坏形式为剪压破坏，是无预兆的脆性破坏［8］.

青岛理工大学孙衍英等人对4根玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁进行实验，并得出结论:BFRP使用层数较少时，承载力提高幅度较大，且BFRP的使用也增加了构件的抗弯刚度［9］.

Wendel对FRP加固梁的破坏模式进行了研究，重点分析了裂缝对粘结破坏的影响及粘结破坏的形式.试验结果表明，粘结破坏是一种脆性破坏方式［10］.

Malke等人研究了FRP端部和梁弯曲裂缝处的应力分布情况，并对有限元计算结果和试验数据进行了比较，给出了剥离弯矩和剥离破坏准则［11］.

目前，多数实验数据都是在无荷载情况下进行纤维材料加固得到的，普遍不考虑二次受力，但在实际工程中几乎不存在.因此，在实际的加固施工和加固分析时均要考虑二次受力.国内对二次受力的研究较少，就目前完成的成果来看，大多集中在碳纤维加固领域，主要有大连理工大学的王文炜，在其博士论文中对6根CFRP布加固己承受荷载的钢筋混凝土梁的抗弯性能的试验研究.试验结果表明:无论混凝土梁荷载历史如何，只要实验试件承受的初始荷载相同，破坏时的极限荷载就基本相同.梁端锚固对预先承受荷载加固梁的极限抗弯荷载影响不是很明显［12］;

王滋军、刘伟庆等人对考虑二次受力的碳纤维加固钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验.试验研究表明:碳纤维对钢筋混凝土梁的加固效果十分明显，但第一阶段应力的存在会使加固效果明显降低，并且配筋率、碳纤维加固量等对碳纤维的应变影响较大［13］.

4 玄武岩纤维在工程结构加固中应用需解决的问题

玄武岩纤维作为一种新型材料，在土木工程及桥梁工程结构中应用前景广阔.但其在钢筋混凝土结构中的应用研究还处于起步阶段，虽然近年来国内在玄武岩纤维加固钢筋混凝土构件方面进行了一些理论分析和实验研究，但在一些领域还需要继续深入探讨:

(1)玄武岩纤维加固钢筋混凝土梁的长期效果及耐久性的研究.玄武岩纤维具有耐高温、抗氧化、抗辐射、耐酸碱腐蚀等优点，所以对其进行耐久性的研究非常有必要.并且在其耐久性研究基础上对其加固的钢筋混凝土梁进行长期荷载作用下的可靠性的研究十分有必要;

(2)玄武岩纤维加固钢筋混凝土梁受力性能的研究.在影响玄武岩纤维加固效果的众多因素中，纤维布加固层数、片材厚度、加固间距、施工方法、混凝土表面处理方法等，通过实验结果对比，找出玄武岩纤维加固钢筋混凝土构件的主要因素.同时最好能确定出施工的最佳方案和纤维材料的层数与加固效果的关系;

(3)玄武岩纤维加固钢筋混凝土连续梁受力性能的研究.通过作者对国内外大量文献的阅读，发现已完成实验绝大部分都集中简支梁方向，对连续梁的研究十分稀少，今后可以对玄武岩纤维加固连续梁的加固效果、内力重分布、疲劳性能等方面进行研究.

5结语

玄武岩纤维这种新型环保的纤维材料，随着我国经济建设的发展，应用领域将越来越广泛.本文仅起到抛砖引玉的作用，希望能够引起相关学者的重视，使玄武岩纤维能在我国土木工程建设领域得到更广泛的推广与应用.

［1］陈建伟，胡海涛，王希宾，陈伟，孙衍英.玄武岩纤维加固混凝土梁的冻融试验研究［J］.青岛理工大学学报，2008，29(3):27-30.

［2］闫志刚.玄武岩纤维修复加固综合法修补混凝土结构裂缝的研究［J］.河北建筑工程学院学报，2011，29(1):28-31.

［3］飞渭，李炳宏，江世永.先张法预应力玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯性能实验研究［J］.中国塑料，2011，25(3):65-59.

［4］杨勇新，陈绪军，邢建英，汪健根，胡玲.玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验［J］.华侨大学学报，2010，31(4):443-447.

［5］欧阳煜，王鹏，张云超.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯受剪承载力计算分析［J］.工业建筑，2007，37(6):24-27.

［6］陈尚建，刘海波，欧阳普英，侯发亮.BFRP筋预应力加固钢筋混凝土梁的实验研究和非线性有限元分析［C］.第17届全国结构工程学术会议论文集，2008.

［7］江祥林，易汉斌，曾国良.基于缩尺模型的玄武岩纤维布加固桥梁抗弯性能试验［J］.公路交通科技，2011，28(7):106-112.

［8］欧阳煜，张云超，李翔.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪试验研究［J］.工业建筑，2009，39(1):134-137.

［9］孙衍英，刘伊琳，胡海涛.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究［J］.青岛理工大学学报，2010，31(1):29-32.

［10］Wendel M.Sebastian.Significances of Mid-span Debonding Failure in FRP-Plated Concrete Beams［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127(7):792-798.

［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.

［12］王文炜.纤维复合材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究［D］.大连:大连理工大学，2003.

［13］王滋军，刘伟庆，姚秋来.考虑二次受力的碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究［J］.工业建筑，2004，34(7):85-87.