王志慧+王磊+赵燕茹

【摘要】本文介绍了疲劳损伤变量和疲劳统计分析理论，S-N曲线、对数正态分布和威布尔分布，总结了钢纤维，玄武岩纤维，玻璃纤维，碳纤维以及聚丙烯纤维对混凝土疲劳性能的影响情况，纤维对混凝土的疲劳寿命有不同程度的提高。

【关键词】纤维混凝土；损伤变量；疲劳统计；疲劳寿命

【中图分类号】TU528

【文献标识码】A

【Abstract】This paper introduces the fatigue damage variable and fatigue theory of statistical analysis， S-N curve， lognormal distribution and Weibull distribution， summarizes the steel fiber， basalt fiber， glass fiber， carbon fiber and polypropylene fiber effect on fatigue performance of concrete， fiber have different degrees of improvement on the fatigue life of concrete.

【Key words】Fiber reinforced concrete；Damage variable；Fatigue statistics；Fatigue life

道路工程的路面、跨海大桥和高速高架桥都受到疲劳荷载作用。日积月累的疲劳荷载导致这些结构构件的负担加重，加速其破坏进程，降低其使用寿命。这些结构是否安全，是否能够继续满足人们正常使用要求，其疲劳寿命如何发展，有何规律，是当前土木工程行业研究学者进行的重要课题。然而普通混凝土易出现裂缝，疲劳性能差，抗拉强度低，而在混凝土中加入纤维之后，能增强混凝土强度，韧性，耐久性以及混凝土疲劳性能，因而纤维混凝土的疲劳性能被众多学者所研究。

1. 混凝土疲劳理论

1.1混凝土疲劳损伤变量的研究现状。

混凝土疲劳损伤研究开始于20世纪80年代，在外荷载和环境共同作用下，由于微观结构上的缺陷对于材料的劣化过程称为损伤。在连续损伤力学中，所有的微缺陷被连续化，它们对材料的影响用一个或几个连续的内部场变量来表示，这种变量称为损伤变量[1]。

（1）Miner准则。

通过理论推导可知混凝土的疲劳寿命分布服从两参数和三参数威布尔分布，其中威布尔分布的相关系数更高，拟合程度更好，表明疲劳寿命的分布更加符合威布尔分布。两参数威布尔分布法求出的疲劳寿命相对于三参数威布尔分布法较低，更加安全可靠，适合疲劳寿命的预测。

2. 纤维对混凝土疲劳性能研究

2.1钢纤维对混凝土疲劳性能研究。

钢纖维混凝土较普通混凝土在抗拉、抗剪、抗弯、抗扭强度等方面都有明显的改善。混凝土中的钢纤维可以拉结在裂缝两端，起到控制裂缝，减小挠度作用。鞠杨[11]等通过试验经历先低后高的变幅荷载作用下，当循环次数不超过临界值时，可以提高钢纤维混凝土疲劳寿命。贡金鑫[12]等在分析钢纤维对钢纤维混凝土疲劳特性提高机理的基础上，提出钢纤维混凝土抗折的基本疲劳方程。高丹盈[13]等通过疲劳试验发现掺入钢纤维的高强混凝土梁裂缝宽度减裂缝宽度减小35%～121% ，裂缝间距减小28%～67%。高丹盈[14]还得出钢纤维能增强混凝土刚度，减小跨度。有研究表明[15～16]，钢纤维混凝土在疲劳损伤过程中，经历损伤潜伏期，损伤稳定发展期，损伤失稳破坏期三阶段。张小辉[17]研究表明在普通混凝土中掺入钢纤维可以大幅度提高静载压抗折强度，并且钢纤维混凝土的疲劳寿命符合两参数威布尔分布。杨润年[18]对钢纤维再生混凝土和钢纤维卵石混凝土弯曲疲劳性能进行试验研究，结果表明弯曲疲劳寿命较好地服从对数正态分布和两参数威布尔分布。

2.2玄武岩纤维对混凝土疲劳性能研究。

玄武岩纤维由纯天然玄武岩矿石经高温熔融后，由于生产原料取自火山岩，所以具有较强化学稳定性和热稳定性。具有断裂强度高、弹性模量高、伸长率低、耐高温、耐低温、热传导系数低、抗腐蚀、吸湿性低、重量轻、加工性能好等优异性能，属于一种全新的材料。杨勇新[19]等通过弯曲疲劳性能试验研究，发现粘贴玄武岩纤维布，可以极大的提高钢筋混凝土梁的疲劳寿命。王海良[20]等研究不论等幅、变幅疲劳荷载下，粘贴玄武岩纤维布可以加固预损伤混凝土梁疲劳寿命。马海涛[21]研究在沥青混合料加入玄武岩纤维，也可以提高其疲劳寿命，改善其疲劳性能。吴永根[22]通过弯曲疲劳试验，结果表明玄武岩纤维会提高道面混凝土疲劳性能，并且可知玄武岩纤维道面混凝土的疲劳寿命是普通道面混凝土疲劳寿命的2.15～5.95倍。

2.3玻璃纤维对混凝土疲劳性能研究。

玻璃纤维是一种性能优良的材料，种类繁多，属于高弹模纤维。它的优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐烛性好，机械强度高，但缺点是耐磨性较差。吕雁[23]等对普通混凝土以及掺入玻璃纤维混凝土的对比疲劳试验中，发现掺入玻璃纤维可以提高其疲劳性能，疲劳寿命统计分布较好的服从威布尔分布。吴鹏[24]等通过室内试验研究了玻璃纤维掺量对轻骨料混凝土疲劳寿命的影响。试验结果表明随着玻璃纤维掺量的增多，疲劳寿命增大。

2.4碳纤维对混凝土疲劳性能研究。

碳纤维材料以其质轻高强、耐腐蚀、不增加结构自重等一系列优点越来越多地被应用到桥梁加固当中。骆志红[25]对加固钢筋混凝土梁的抗剪疲劳试验中发现，碳纤维布能够限制斜裂缝的开展，增强结构的疲劳抗剪能力。并且随着纤维掺量的增加，加固的抗剪疲劳越好。

刘沐宇[26]等做出了贴碳纤维布加固损伤混凝土梁的疲劳试验。表明粘贴碳纤维布加固混凝土梁可以提高混凝土梁的疲劳寿命，提高混凝土梁的变形能力。李子奇[27]等通过对粘贴碳纤维布钢筋混凝土梁的疲劳试验，表明碳纤维布可以改善加固梁的钢筋混凝土受力性能，梁的寿命得到大大延长。张伟平[28]等通过碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验中，表明碳纤维布能降低钢筋应力，延缓裂缝发展速度，提高混凝土梁疲劳寿命。endprint

2.5聚丙烯纤维对混凝土疲劳性能研究。

蔡鹏宏[29]等通过三分点加载试验，研究表明聚丙烯纤维混凝土的疲劳寿命高于普通混凝土，并且疲劳寿命可达3.07倍。陈拴发[30]也通过三分点加载试验，结果表明掺入聚丙烯纤维不仅可以提高混凝土强度，还可以成倍地增加混凝土的疲劳寿命。张伟[31]通过疲劳试验，发现改性聚丙烯纤维增强混凝土的弯曲疲劳性能较普通混凝土的弯曲疲劳性能好，且应力水平越高，改性聚丙烯纤维增强混凝土的疲劳寿命增长幅度越大。陈涛[32]通过抗弯疲劳性能试验，得出聚丙烯纤维可以抑制混凝土裂缝扩展，延缓裂缝扩展，提高混凝土抗裂性能。

3. 结语

本文通过总结纤维混凝土疲劳相关理论研究，发现纤维能增强混凝土抗疲劳性能，可以提高混凝土的疲劳寿命，减小混凝土裂缝宽度。在研究纤维对混凝土疲劳性能研究当中，学者对于钢纤维研究的最多，然而学者对玻璃纤维对混凝土疲劳性能影响研究最少。其次碳纤维大多数被应用到桥梁加固当中。总结单掺纤维对结构疲劳性能研究，然而混掺纤维对结构疲劳性能研究少之又少，急待研究者解决；从疲劳因素考虑，本文重点介绍了直接作用的结构荷载，然而桥梁结构还长期承受温度荷载的作用，所以纤维对结构的疲劳性能在温度疲劳荷载的影响还有待于研究。

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