前言
由于地震、海浪侵蝕、凍融循環、酸堿環境作用、紫外線照射和超載等因素影響，我國大量混凝土橋梁存在局部或整體損傷，需要進行維修加固。粘貼纖維布加固既有損傷混凝土橋梁是一種有效的加固方法，目前采用的纖維種類主要有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等。
橋梁結構的突出特征是主要承受車輛荷載等疲勞荷載且所處環境復雜，抗彎疲勞性能是橋梁結構關注的主要性能之一。研究纖維布加固混凝土橋梁抗彎疲勞性能對確保我國交通運輸健康發展具有重要意義。
國內外學者對纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能進行了大量的試驗研究工作，得出一系列重要成果。本文擬對纖維布加固混凝土梁抗彎疲勞性能研究進行歸納總結，并結合新型纖維布-玄武巖纖維（ BFRP） 布的特點，提出今后纖維布加固混凝土梁抗彎疲勞性能研究建議，以便為纖維布尤其是玄武巖纖維布在混凝土橋梁加固中的應用提供借鑒。
國內外纖維布加固混凝土梁的疲勞性能研究集中在以下幾個方面。
1 國外纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能研究
1992 年，Meier 等人在 EMPA（ 瑞土聯邦建材檢測實驗室） 進行了一根跨度為 6m、四分點彎曲加載的碳纖維（ CFRP） 布加固鋼筋混凝土 T 梁的疲勞性能試驗.研究表明： 經過纖維布加固后，由于減少了鋼筋在彎曲裂縫處的應力集中，梁體出現了大量的細微裂縫。加固后的梁表現出良好的疲勞性能，證實了纖維布對提高混凝土梁抗彎疲勞性能的有效性。
2001 年，加拿大學者 Masoud 等人研究了碳纖維布加固已腐蝕鋼筋混凝土梁的靜力和疲勞性能,6根梁加速腐蝕后粘貼兩種不同纖維布用于疲勞試驗。
該文指出： 鋼筋腐蝕會大大降低梁的疲勞壽命； 加固梁的疲勞破壞都是由于受拉鋼筋的斷裂； 腐蝕加固梁的疲勞壽命相對腐蝕未加固梁提高了 2. 5 ~ 6 倍，但還是低于未腐蝕未加固梁。說明碳纖維布加固已腐蝕鋼筋混凝土梁是一種有效的方法，可以提升構件的性能進而起到維修加固結構的作用。
2004 年，Heffernan 和 Erki 共同制作了 20 根鋼筋混凝土梁用于靜載和疲勞試驗.三組試件分別在28. 2 /112. 0,28. 2 /98. 0,28. 2 /84. 1kN 三種應力幅下進行疲勞試驗。得到了加固梁和非加固梁的疲勞壽命、跨中撓度變化和失效模式： 未加固梁的失效模式是由于鋼筋的斷裂； 加固梁的失效模式是由于碳纖維布脫粘之后導致的鋼筋斷裂； 統計出加固梁的疲勞壽命在三種應力幅作用下相對于未加固梁分別提高了155% ,182% ,537% ,并作出 S-N 曲線，然而本文并未擬合出 S-N 曲線的數學公式。
Heffernan 和 Erki 還研究了碳纖維布加固層數對梁的疲勞性能的影響，4 根梁（ 碳纖維布加固層數分別為 0,2,4,6 層） 在 78. 0/271. 6kN 應力幅下進行疲勞試驗。試驗測得梁的疲勞壽命分別為 33. 5,31. 2,62. 7,104. 9 萬次，說明粘貼更多的纖維布可以更好地提高梁的疲勞壽命。本文并未給出粘貼 2 層纖維布后疲勞壽命反而降低 7.5%的原因。
此外，Shahawy 和 Sherif El-Tawil 分別進行了碳纖維布加固混凝土 T 梁的靜力和疲勞性能研究,并給出了碳纖維布加固混凝土梁的設計建議。
2 國內纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能研究
2. 1 試驗研究方面
2005 年，劉沐宇開展了碳纖維布加固既有損傷混凝土梁的疲勞試驗.其中 2 片梁加靜載開裂后分別粘貼一層和兩層碳纖維布進行加固。得出以下結論： 加固梁的疲勞壽命較未加固梁提高了 60% ~80% ; 在相同次數的疲勞荷載作用下，加固梁的變形減少了 40% ~60%; 加固梁的疲勞抗裂性有了較大的改善； 粘貼 2 層碳纖維布比粘貼 1 層更能提高混凝土梁的抗疲勞性能。2005 年，張慎偉等研究了芳綸纖維布層數和混凝土強度等級對鋼筋混凝土加固梁疲勞性能的影響.2007 年，吳澤儀研究了碳纖維布加固預裂鋼筋混凝土梁疲勞特征的試驗研究.再次驗證了纖維布對提高混凝土結構疲勞性能的有效性。
2006 年，李子奇研究了碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在承受較高疲勞荷載時的疲勞性能,以模擬橋梁在加固后要承受較高的車輛荷載。該試驗考慮了纖維布長度、纖維布層數、纖維布的粘貼方式對加固梁疲勞性能的影響。指出其承載能力主要取決于粘結劑和混凝土的力學性能，施工質量也是影響加固效果的關鍵因素，并指出應采取加固措施防止碳纖維布剝離破壞發生，如采取 U 形箍加固時，U 形箍間距不宜大于 1m.
2007 年，張興虎等首次對鐵路預應力鋼筋混凝土梁進行了碳纖維布加固后的疲勞試驗研究.試驗表明，加固后的混凝土梁經 200 萬次疲勞后，強度和剛度不會降低，沒有發生剝落和脆斷。并提出了外包碳纖維布梁受彎容許承載力的計算公式：
普通鋼筋混凝土梁：【1】
式中： Mg,Mp為容許抵抗彎矩； Ag1為等效受拉鋼筋面積； Ag2為受拉鋼筋面積； z 為內力偶臂距； σg為鋼筋容許應力； w1為換算后等效截面模量； w2為原等效截面模量； σp為混凝土容許拉應力。
計算值與試驗值比較，計算值比較保守，采用理論公式計算偏于安全。
2008 年，張彬等進行了高強復合玻璃纖維加固鋼筋混凝土梁的疲勞性能試驗研究,加固梁以 5/19,5 /27. 5,5 /36,5 /44,5 /53kN 四種不同的應力水平進行疲勞試驗。擬合出加固梁的疲勞壽命曲線即 S-N 曲線： S4. 246·N =8.772 ×101,得到加固梁的鋼筋疲勞極限為 136.54MPa.
2009 年張偉平等研究了鋼筋銹蝕率、碳纖維布加固量、應力水平等因素對已腐蝕鋼筋混凝土梁抗彎疲勞性能的影響.該文指出隨著鋼筋銹蝕率的增加，梁的疲勞壽命急劇縮短； 荷載水平提高以及加固前的損傷均會降低混凝土梁的疲勞壽命； 給出了銹蝕鋼筋混凝土梁抗疲勞加固設計建議： 當荷載較大時，受壓區混凝土可能先發生疲勞破壞，銹蝕鋼筋混凝土梁抗疲勞加固設計時還應驗算受壓區混凝土的抗疲勞性能。在實際加固工程中可由加固梁的期望疲勞壽命可以確定加固梁中銹蝕鋼筋的允許應幅，并確定最小碳纖維布加固量。然而該試驗并未給出不同應力幅作用下加固梁的疲勞壽命，因此沒有得到碳纖維布加固鋼筋混凝土的 S-N 曲線。
此外，2009 年鄧宗才等進行了芳綸纖維布加固已腐蝕混凝土梁疲勞性能研究,再次驗證了纖維布能夠明顯提高已腐蝕混凝土梁的疲勞壽命。
2010 年，楊勇新首次研究了玄武巖纖維布對混凝土加固梁抗彎疲勞性能的影響.采用玄武巖纖維布進行加固后，梁的抗疲勞性能得到極大改善； 粘貼2層與 1 層玄武巖纖維布后疲勞壽命分別提高了 235%和 66%; 50 萬次時，其疲勞變形分別減小了 35. 40%和 26. 04%.在纖維布與混凝土粘結可靠的情況下，若梁的配筋率不超過 2. 5%,加固梁發生鋼筋疲勞斷裂破壞的可能性極大。
2. 2 理論分析方面
劉沐宇通過試驗發現梁截面符合平面假定，受壓區混凝土的應變在疲勞荷載作用下呈線性分布，得到混凝土疲勞變形模量的計算公式為：【2】
2006 年，同濟大學陳永秀等進行了 7 根碳纖維布加固矩形截面簡支梁的疲勞荷載試驗,分析了材料應變、跨中撓度和疲勞剛度降低系數與循環次數的關系，得到彎曲受壓彈性模量 Ew、彎曲受壓疲勞彈性模量 Ewf和軸心受壓彈性模量 Ec的關系：【3】
2007 年 路淼依據材料本構關系，通過修正Balaguru-Shah 的混凝土殘余應變計算公式，采用等效截面法得到了碳纖維布加固梁疲勞剛度的理論計算公式，再根據材料力學的公式得到梁的撓度為： f =SMl02/ BN,撓度系數 S = 23/432,理論計算數據與試驗數據吻合較好，說明給出的關于碳纖維布加固開裂鋼筋混凝土梁的疲勞剛度的理論計算方法可以滿足工程設計的精度要求。遺憾的該試驗只針對粘貼一層碳纖維布和 C30 混凝土加固梁的對比情況，并未給出其他的層數和其他混凝土強度等級下的對比值，該公式的實用性還有待于進一步驗證。
東南大學張娟秀進行了粘鋼和粘貼碳纖維布加固混凝土梁的疲勞試驗研究和非線性有限元分析,采用有限元分析軟件 ANSYS 對試驗梁進行數值模擬。所建立的空間模型中，混凝土選用 Solid65單元，鋼筋選用用 PIPE20 單元，鋼板和 CFRP 布均采用 Shell41 單元?；炷敛捎?Mises 屈服準則； 鋼筋、鋼板為理想彈塑性材料，應力-應變呈雙線彈性關系；碳纖維布布線彈性材料。只考慮鋼筋的疲勞破壞形態而不考慮碳纖維布布與混凝土完的剝離破壞，同時假定鋼筋與混凝土的無粘結滑移.通過計算表明ANSYS 數值模擬與試驗結果符合較好。
3 展望
從現有纖維布加固混凝土梁抗彎疲勞性能研究成果看，多針對碳纖維布展開，這和碳纖維布在工程實際應用中最為廣泛是相適應的。
玄武巖纖維是由天然火山噴發形成的玄武巖礦石經粉碎、高溫熔融后，拉絲而成的連續纖維材料，是一種無機可自然降解的新型環保復合材料，具有造價低、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等優良性能.玄武巖纖維布是采用玄武巖纖維加工而成的新型纖維增強復合材料，其價格僅為碳纖維布的 1/6,而二者力學性能相近； BFRP 布與玻璃纖維布力學性能相當，并優于芳綸纖維布； 在抗高溫性能方面，BFRP 布高于 CFRP、玻璃纖維和芳綸纖維布。雖然目前 BFRP 布抗拉強度和彈性模量較 CFRP 布低，但其綜合延性、成本、耐腐蝕性及抗高溫性具有很大優勢。隨著 BFRP 布在結構加固領域的推廣應用及生產規?；?，其價格還會進一步降低。將 BFRP 布應用于混凝土結構加固，無疑具有良好的社會、經濟效益及應用前景，開展 BFRP布在混凝土結構加固中的研究已成為該領域熱點.開展玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能研究，對在主要承受疲勞荷載混凝土結構加固中的應用具有十分重要的理論意義和應用價值。
即便對應用最為廣泛的碳纖維布，在加固混凝土梁抗彎疲勞性能研究方面仍需要開展進一步研究。筆者建議應結合玄武巖纖維布的推廣應用，從以下幾方面開展工作：
（ 1） 開展 BFRP 布加固混凝土梁在變應力幅和高應力幅作用下的疲勞性能研究。在加固橋梁的運營階段，實際荷載提高并伴有超載現象發生，因此對于加固后的橋梁在變應力幅和高應力幅作用下的疲勞性能有待于進一步研究。
（ 2） 損傷程度對 BFRP 布加固混凝土梁疲勞性能影響。橋梁在使用過程中存在一定的損傷，由于環境作用和人為因素的影響，損傷會進一步加劇，需要對其進行維修加固。然而國內外大量的研究大都是針對完好梁進行的，這與實際情況有所差別。因此，應開展加固既有損傷橋梁的疲勞性能研究。由于荷載歷程、所處環境不同，需要加固的混凝土橋梁損傷程度存在差別，探索不同損傷程度下 BFRP 布加固混凝土橋梁的疲勞性能，可為既有損傷混凝土橋梁結構加固奠定理論基礎。
（ 3） 混凝土強度等級對 BFRP 布加固混凝土梁疲勞性能影響。早期和近年修建的橋梁混凝土強度等級差異較大，而混凝土強度對纖維布-混凝土界面粘結性能有直接影響。為掌握混凝土強度等級對 BFRP布加固混凝土橋梁結構力學行為、纖維剝離、粘結滑移、失效機制等的影響，應開展混凝土強度等級對BFRP 布加固混凝土梁疲勞性能影響研究。
（ 4） 開展環境和疲勞荷載耦合作用下 BFRP 布加固混凝土梁的疲勞性能研究。凍融循環、干濕交替、溫度變化、酸堿鹽腐蝕和紫外線輻射等環境因素會加速混凝土結構的損傷和疲勞破壞。因此，應加強環境作用和疲勞荷載耦合下混凝土加固梁的疲勞性能研究。
（ 5） BFRP 布加固混凝土橋梁結構失效機理。通過對以上 BFRP 布加固混凝土試驗梁破壞形態、破壞機制分析，應研究 BFRP 布加固混凝土結構失效原因，弄清其失效機理，為采用 BFRP 布加固混凝土橋梁結構應用研究提供依據。
（ 6） 加強試驗研究和數值模擬相結合。目前對纖維布加固結構的疲勞性能研究主要依賴于試驗研究，疲勞試驗成本高、耗時長，而計算機技術的日新月異使得數值模擬變得非?？旖?，因此開展數值模擬和試驗研究相結合變得非常有必要。
參 考 文 獻
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