登封电厂集团有限公司 陈东玲

登封市住房和城乡建设局 任五进

钢纤维混凝土结构的特点及应用

登封电厂集团有限公司 陈东玲

登封市住房和城乡建设局 任五进

近年来高强混凝土在高层建筑中得到越来越广泛的应用。由于高强混凝土的脆性大，延性差，在抗震地区如何既发挥混凝土的优势又满足构件的延性要求，已成为研究的热点问题之一。而单纯的混凝土结构已不能完全满足结构抗震的要求。在混凝土中掺入乱向分布的钢纤维可以有效阻止混凝土内部裂缝的扩展，同时还可以阻滞宏观裂缝的发生和发展，从而可以明显提高结构的变形能力，改善混凝土结构的抗震能力。

一、钢纤维混凝土的特点

钢纤维混凝土（SteelFibreReinforcedConcrete，简称SFRC）系指将短的不连续的钢纤维均匀乱向分散于混凝土组成的复合材料。钢纤维混凝土结构可分为无筋钢纤维混凝土结构、钢筋钢纤维混凝土结构和预应力钢纤维混凝土结构3种。钢纤维混凝土是一种性能优良的复合材料，能显著提高混凝土的各项性能。试验研究表明，相对于普通混凝土构件来说，由于掺入了钢纤维，其力学性能以及抗震性能得到很大改善。对于钢筋混凝土梁或柱构件，钢纤维可以明显提高其开裂强度，同时可以提高其抗剪能力。对于钢筋混凝土梁柱节点区，由于节点区受力状态复杂，钢纤维可以提高节点区混凝土抗拉强度，避免节点区混凝土过早开裂。

钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此对于其抗拉、抗剪、抗弯和抗扭强度有明显的改善作用。而纤维的增强效果主要取决于基体强度、纤维的长径比、纤维的体积率、纤维与基体间的黏结强度以及纤维在基体中的分布和取向。当钢纤维混凝土被破坏时，纤维是被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的黏结强度是改善纤维增强效果的因素之一。

在普通混凝土结构中配置的钢筋有区域性和方向性，所以采用配筋方式抵抗复杂应力不是最有效的方法。而钢纤维乱向分布于混凝土中，是抵御复杂应力的理想材料。另外在普通钢筋混凝土构件中，其抗剪承载力主要靠箍筋和弯起钢筋承担，这些钢筋多了，不但造价提高，而且施工很不方便，影响施工质量。加入钢纤维可以减少钢筋数量，方便混凝土施工浇注。

二、钢纤维混凝土的研究现状

纤维增强混凝土力学特性研究开始于20世纪60年代。J.P. Romualdi等首先通过一系列研究讨论了钢纤维约束混凝土裂缝开展机理，提出了基于断裂分析的纤维间距理论，为钢纤维混凝土的实用化开辟了道路。R.N.Swamy和A.E.Naaman等则对钢纤维混凝土的增强机理提出了复合材料强化法则。而后，随着钢纤维混凝土的推广应用，美国混凝土学会根据需要增设了专门的纤维混凝土委员会（ACI544），国际标准化协会也增设了纤维水泥制品技术标准委员会（ISOTC77）。许多专家学者对钢纤维混凝土的基本强度特性和基本变形特性进行了大量的试验研究，对钢纤维混凝土的断裂性能和疲劳特性也开展了部分研究工作。钢纤维混凝土抗弯、抗剪构件以及框架结构节点、桥面板和建筑楼板等构件的结构性能研究也取得了许多有益于理论分析和实际设计的成果，并且这些成果大多已反映在相关的钢纤维混凝土设计和施工规程中。

现有钢纤维混凝土基本理论，是在纤维增强塑料、纤维增强金属的基础上运用与发展起来的。由于钢纤维混凝土的组成与结构的多相、多相分和非匀质性，加以钢纤维的“乱向”与“短”的特征，它比纤维增强塑料或增强金属要复杂得多，如何使增强机理性能，充分体现自身特性，仍在不断争论、完善和发展之中。对钢纤维混凝土的增强机理，目前主要有两种认识，一种是运用复合力学理论，另一种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。所有其他的增强理论均可认为是以这两个理论为基础而发展起来的。

复合力学理论用于分析纤维增强或其他复合材料时，大多是将复合材料视为多相体系，即对SFRC的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料。复合材料的性能为各相性能元和。基本假定为：纤维连续均匀平行排列，并与受力方向一致；纤维与基体黏结完好，即两者产生相同应变，无相对滑动；纤维与基体均呈弹性变形、横向变形等。

纤维间距理论是在1963年由J.P.Romuald和J.B.Batson提出的。该理论建立在线弹性断裂力学的基础上，认为混凝土内部有尺寸不同的微裂缝、孔隙和缺陷，在施加外力时，孔、缝部位产生大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致结构破坏。因此提高像混凝土一类的脆性材料的抗拉强度、缩小和减少其裂缝的尺寸和数量，缓和裂缝尖端应力集中程度，提高抑制裂缝引伸和发展的能力是至关重要的。因此，在脆性材料中掺入钢纤维后，在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效地提高了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到钢纤维对混凝土的增强与增韧的目的。

三、我国在早期对钢纤维混凝土的研究应用

从20世纪80年代起，我国开展了钢纤维的研究工作。大连理工大学赵国藩教授首先从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。空军工程学院章文纲、程铁生进行了单调轴压荷载下钢纤维混凝土应力-应变全过程以及钢纤维框架节点抗震性能和钢纤维混凝土梁抗剪性能的试验研究。铁道部科学研究院在推广应用钢纤维混凝土于铁路枕轨、桥面铺装和工程加固修复的同时，开展了材料基本强度和抗冲击、抗磨性能的试验研究。中国工程建设标准化协会于1993年5月批准实施了《钢纤维混凝土结构设计于施工规程》（CECS 38∶93），并已广泛应用于隧道、水工建筑物、道路等方面。