鄧鑫，熊崢

（1.武漢市中心工程檢測有限公司，武漢430014；2.武漢科技大學(xué)，武漢430070）

1 引言

工程用水泥基增強(qiáng)復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）是一種具有超強(qiáng)韌性的水泥基復(fù)合材料，具有抗疲勞和變形能力強(qiáng)、抗沖擊和抗震性能好、抗彎承載力高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]；而纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、對結(jié)構(gòu)幾何尺寸改變小、耐腐蝕、施工簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。因此，利用纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 抗彎加固混凝土梁，不僅節(jié)省成本，而且增強(qiáng)混凝土的抗彎承載力，實(shí)用性較強(qiáng)。本文針對纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎力學(xué)性能，借鑒已有的相關(guān)文獻(xiàn)，來研究其影響因素。

2 纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎力學(xué)性能影響因素

近年來，我國大量的專家致力于混凝土梁的研究，在混凝土抗彎加固領(lǐng)域取得了飛快發(fā)展。東南大學(xué)鄭宇宙[9]通過玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，F(xiàn)RP）網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 復(fù)合加固鋼筋混凝土的彎曲性能試驗(yàn)，分析了FRP 網(wǎng)格類型，F(xiàn)RP 網(wǎng)格增強(qiáng)率，F(xiàn)RP-ECC 復(fù)合層黏結(jié)長度對試驗(yàn)梁彎曲性能的影響。研究表明，F(xiàn)RP-ECC 復(fù)合層可以顯著提高混凝土梁的抗彎承載力，F(xiàn)RP 格柵增強(qiáng)ECC 復(fù)合加固技術(shù)優(yōu)于FRP 編織網(wǎng)增強(qiáng)ECC 復(fù)合加固，且隨著加固層FRP 格柵增強(qiáng)率的提高，試驗(yàn)梁的極限承載力提高程度越明顯，而隨著FRP-ECC 復(fù)合層黏結(jié)長度的減小，試驗(yàn)梁的彎曲承載力略有下降。

浙江大學(xué)的徐世烺[10]通過FRP 網(wǎng)格增強(qiáng)混凝土薄板的抗彎試驗(yàn)，研究了FRP 網(wǎng)格表面的不同黏砂粒徑以及ECC 中PVA 短纖維摻量對混凝土薄板受彎性能的影響。研究表明：當(dāng)摻加2%的PVA 短纖維，F(xiàn)RP 網(wǎng)格浸漬環(huán)氧膠且表面黏有粒徑為0.6～1.2 mm 的細(xì)砂時(shí)，F(xiàn)RP 網(wǎng)格增強(qiáng)混凝土薄板的抗彎性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

鄭州大學(xué)的王新玲等人[11]通過FRP 網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固素混凝土受壓性能試驗(yàn)，分析了不同ECC 厚度，F(xiàn)RP 網(wǎng)格尺寸以及混凝土強(qiáng)度等級對加固柱承載力的影響。結(jié)果顯示：隨著ECC 厚度的增加，加固柱的峰值承載力呈現(xiàn)線性增長，隨著FRP 網(wǎng)格的減小加固柱的抵抗變形的能力明顯增加，而混凝土的強(qiáng)度等級越高，加固柱的峰值承載力越大，但承載力下降段的構(gòu)件承載力減小速度加快。

東南大學(xué)的朱忠鋒[12]通過FRP 編織網(wǎng)-ECC 復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了纖維編織網(wǎng)表面處理、層數(shù)和ECC 施工工藝等因素對加固柱承載力和抗變形能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著編織網(wǎng)層數(shù)的增加，加固柱的承載力和抵抗變形的能力均有提高，而且FRP 編織網(wǎng)經(jīng)過表面處理后，其與ECC 的界面黏結(jié)性能和共同工作性能得到明顯改善。

祝和意[13]通過PVA 纖維體積率對PVA-ECC 力學(xué)性能影響試驗(yàn)，研究了PVA 纖維體積率對PVA-ECC 抗彎性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA 纖維體積率對PNA-ECC 韌性的影響顯著，體積率在1.6%～2%時(shí)，韌性明顯增加，體積率為2%時(shí)最佳，對應(yīng)的極限荷載和抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值。

樂睿等[14]通過不同長度與摻量的PVA 纖維對水泥基材料性能的影響試驗(yàn)，研究了纖維與水泥基體之間的黏結(jié)與阻裂機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA 纖維是一種阻裂材料，它能夠與水泥混凝土產(chǎn)生良好的復(fù)合作用。

李福海等[15]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究PP-ECC 梁在彎曲荷載作用下的裂縫發(fā)展規(guī)律，并與RC 梁進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，相同配筋率下，PP-ECC 梁破壞時(shí)產(chǎn)生的裂縫數(shù)量遠(yuǎn)高于RC 梁，PP-ECC 梁的最大裂縫寬度遠(yuǎn)小于RC 梁，其最大裂縫寬度分別為RC 梁試件的35.3%和38.5%。

由此可見，纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎力學(xué)性能，主要是通過影響其與ECC 黏結(jié)以及裂縫數(shù)量和裂縫寬度實(shí)現(xiàn)的，而影響纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 抗彎加固混凝土梁的主要因素有纖維網(wǎng)格的大小、體積率、類型、ECC 厚度以及二者之間的黏結(jié)長度。

3 纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁計(jì)算模型研究

3.1 纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎承載力計(jì)算模型

纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎承載力按極限狀態(tài)[16-18]計(jì)算，采用普通鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算[19]的基本假定。文獻(xiàn)[20-21]通過進(jìn)行復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固小尺寸構(gòu)件的一次受力試驗(yàn)，研究了加固梁縱向加固配筋率對抗彎承載力和變形能力的影響，得到其承載力計(jì)算公式如式（1）和式（2）[22]：

式（1）和式（2）中，b 為梁截面寬度；b′為梁截面加固寬度；h 為梁截面高度(包括加固高度)；h0為截面有效高度；xc為截面受壓區(qū)高度；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；Mu為極限受彎承載力；f′c為纖維水泥軸心抗壓強(qiáng)度；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度；As為截面縱向受拉鋼筋的全部截面面積；δsm為梁底鋼筋網(wǎng)縱筋應(yīng)力；Asm為梁底鋼筋網(wǎng)縱向面積，β 為考慮側(cè)面鋼筋網(wǎng)對加固構(gòu)件的影響系數(shù)。

此模型研究了PVA-ECC 加固梁的抗彎承載力，同時(shí)考慮了鋼筋網(wǎng)對加固構(gòu)件受彎承載力的影響，考慮較為全面具體。

3.2 纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 材料應(yīng)力與應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型

朱忠鋒[23]等采用非接觸式觀測技術(shù)和傳統(tǒng)應(yīng)變片測量方法對纖維網(wǎng)格與ECC 復(fù)合材料試件進(jìn)行了單軸反復(fù)拉伸試驗(yàn)，研究復(fù)合材料的軸向抗拉力學(xué)性能，提出了纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 材料本構(gòu)關(guān)系模型[24-26]，對于纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁試件，其軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為兩個(gè)階段。上升段：此階段內(nèi)試件的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加基本呈線性增長，當(dāng)外荷載不斷接近ECC 開裂強(qiáng)度時(shí)，試件的軸向應(yīng)變增長速度逐漸加快，當(dāng)外荷載達(dá)到ECC 的開裂強(qiáng)度時(shí)，其截面剛度迅速減小。應(yīng)變強(qiáng)化階段：此階段內(nèi)，纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁試件的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加表現(xiàn)出典型的線性變化的特征，但是應(yīng)變的增長速度明顯快于應(yīng)力的增加速度[27-28]。

此模型較直觀地反映了應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)模型，隨著應(yīng)變的增長，應(yīng)力的不同階段的變化情況以及二者對應(yīng)的關(guān)系，以此作為纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁試件在軸向拉伸荷載作用下的受力性能依據(jù)。

4 結(jié)論

本文對纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎性能的影響因素及纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁計(jì)算模型進(jìn)行了論述，討論分析了近年來我國諸多學(xué)者在此方面的研究成果，得出目前的研究成果主要有以下幾點(diǎn)：

1）纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁可以有效地提高梁的開裂性、屈服能力和極限荷載，二者的結(jié)合有效地彌補(bǔ)了纖維以及ECC 在混凝土梁的性能方面各自存在的缺陷，適合大量推廣。

2）纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 層加固混凝土梁抗彎性能與網(wǎng)格大小、網(wǎng)格類型、纖維網(wǎng)格的黏結(jié)長度、網(wǎng)格的增強(qiáng)率、施工工藝、加固方法、加工環(huán)境、纖維類型以及摻量有關(guān)。

3）纖維網(wǎng)格通過改變ECC 裂縫的寬度和數(shù)量以及增強(qiáng)混凝土的韌性等因素從而增強(qiáng)ECC 加固混凝土梁抗彎力學(xué)性能。

4）通過纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 材料本構(gòu)關(guān)系模型以及抗彎承載力計(jì)算模型，進(jìn)一步驗(yàn)證了二者之間的作用能夠增強(qiáng)混凝土梁的抗彎承載力，且纖維網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的線性變化的特征。