纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯力学性能综述

邓鑫，熊峥

（1.武汉市中心工程检测有限公司，武汉430014；2.武汉科技大学，武汉430070）

1 引言

工程用水泥基增强复合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）是一种具有超强韧性的水泥基复合材料，具有抗疲劳和变形能力强、抗冲击和抗震性能好、抗弯承载力高、耐久性好等优点[1-4]；而纤维复合材料具有强度高、质量轻、对结构几何尺寸改变小、耐腐蚀、施工简单快捷等优点[5-8]。因此，利用纤维网格增强ECC 抗弯加固混凝土梁，不仅节省成本，而且增强混凝土的抗弯承载力，实用性较强。本文针对纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯力学性能，借鉴已有的相关文献，来研究其影响因素。

2 纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯力学性能影响因素

近年来，我国大量的专家致力于混凝土梁的研究，在混凝土抗弯加固领域取得了飞快发展。东南大学郑宇宙[9]通过玄武岩纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP）网格增强ECC 复合加固钢筋混凝土的弯曲性能试验，分析了FRP 网格类型，FRP 网格增强率，FRP-ECC 复合层黏结长度对试验梁弯曲性能的影响。研究表明，FRP-ECC 复合层可以显著提高混凝土梁的抗弯承载力，FRP 格栅增强ECC 复合加固技术优于FRP 编织网增强ECC 复合加固，且随着加固层FRP 格栅增强率的提高，试验梁的极限承载力提高程度越明显，而随着FRP-ECC 复合层黏结长度的减小，试验梁的弯曲承载力略有下降。

浙江大学的徐世烺[10]通过FRP 网格增强混凝土薄板的抗弯试验，研究了FRP 网格表面的不同黏砂粒径以及ECC 中PVA 短纤维掺量对混凝土薄板受弯性能的影响。研究表明：当掺加2%的PVA 短纤维，FRP 网格浸渍环氧胶且表面黏有粒径为0.6～1.2 mm 的细砂时，FRP 网格增强混凝土薄板的抗弯性能达到最佳状态。

郑州大学的王新玲等人[11]通过FRP 网格增强ECC 加固素混凝土受压性能试验，分析了不同ECC 厚度，FRP 网格尺寸以及混凝土强度等级对加固柱承载力的影响。结果显示：随着ECC 厚度的增加，加固柱的峰值承载力呈现线性增长，随着FRP 网格的减小加固柱的抵抗变形的能力明显增加，而混凝土的强度等级越高，加固柱的峰值承载力越大，但承载力下降段的构件承载力减小速度加快。

东南大学的朱忠锋[12]通过FRP 编织网-ECC 复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能试验，分析了纤维编织网表面处理、层数和ECC 施工工艺等因素对加固柱承载力和抗变形能力的影响。试验结果表明：随着编织网层数的增加，加固柱的承载力和抵抗变形的能力均有提高，而且FRP 编织网经过表面处理后，其与ECC 的界面黏结性能和共同工作性能得到明显改善。

祝和意[13]通过PVA 纤维体积率对PVA-ECC 力学性能影响试验，研究了PVA 纤维体积率对PVA-ECC 抗弯性能的影响。试验结果表明，PVA 纤维体积率对PNA-ECC 韧性的影响显著，体积率在1.6%～2%时，韧性明显增加，体积率为2%时最佳，对应的极限荷载和抗弯强度达到最大值。

乐睿等[14]通过不同长度与掺量的PVA 纤维对水泥基材料性能的影响试验，研究了纤维与水泥基体之间的黏结与阻裂机理。试验结果表明，PVA 纤维是一种阻裂材料，它能够与水泥混凝土产生良好的复合作用。

李福海等[15]通过四点弯曲试验，研究PP-ECC 梁在弯曲荷载作用下的裂缝发展规律，并与RC 梁进行对比。研究结果表明，相同配筋率下，PP-ECC 梁破坏时产生的裂缝数量远高于RC 梁，PP-ECC 梁的最大裂缝宽度远小于RC 梁，其最大裂缝宽度分别为RC 梁试件的35.3%和38.5%。

由此可见，纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯力学性能，主要是通过影响其与ECC 黏结以及裂缝数量和裂缝宽度实现的，而影响纤维网格增强ECC 抗弯加固混凝土梁的主要因素有纤维网格的大小、体积率、类型、ECC 厚度以及二者之间的黏结长度。

3 纤维网格增强ECC 加固混凝土梁计算模型研究

3.1 纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯承载力计算模型

纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯承载力按极限状态[16-18]计算，采用普通钢筋混凝土梁正截面承载力计算[19]的基本假定。文献[20-21]通过进行复合砂浆钢筋网加固小尺寸构件的一次受力试验，研究了加固梁纵向加固配筋率对抗弯承载力和变形能力的影响，得到其承载力计算公式如式（1）和式（2）[22]：

式（1）和式（2）中，b 为梁截面宽度；b′为梁截面加固宽度；h 为梁截面高度(包括加固高度)；h0为截面有效高度；xc为截面受压区高度；fc为混凝土轴心抗压强度；Mu为极限受弯承载力；f′c为纤维水泥轴心抗压强度；fy为钢筋屈服强度；As为截面纵向受拉钢筋的全部截面面积；δsm为梁底钢筋网纵筋应力；Asm为梁底钢筋网纵向面积，β 为考虑侧面钢筋网对加固构件的影响系数。

此模型研究了PVA-ECC 加固梁的抗弯承载力，同时考虑了钢筋网对加固构件受弯承载力的影响，考虑较为全面具体。

3.2 纤维网格增强ECC 材料应力与应变本构关系模型

朱忠锋[23]等采用非接触式观测技术和传统应变片测量方法对纤维网格与ECC 复合材料试件进行了单轴反复拉伸试验，研究复合材料的轴向抗拉力学性能，提出了纤维网格增强ECC 材料本构关系模型[24-26]，对于纤维网格增强ECC 加固混凝土梁试件，其轴向拉伸应力-应变曲线主要分为两个阶段。上升段：此阶段内试件的应力随应变的增加基本呈线性增长，当外荷载不断接近ECC 开裂强度时，试件的轴向应变增长速度逐渐加快，当外荷载达到ECC 的开裂强度时，其截面刚度迅速减小。应变强化阶段：此阶段内，纤维网格增强ECC 加固混凝土梁试件的应力随应变的增加表现出典型的线性变化的特征，但是应变的增长速度明显快于应力的增加速度[27-28]。

此模型较直观地反映了应力-应变的本构模型，随着应变的增长，应力的不同阶段的变化情况以及二者对应的关系，以此作为纤维网格增强ECC 加固混凝土梁试件在轴向拉伸荷载作用下的受力性能依据。

4 结论

本文对纤维网格增强ECC 加固混凝土梁抗弯性能的影响因素及纤维网格增强ECC 加固混凝土梁计算模型进行了论述，讨论分析了近年来我国诸多学者在此方面的研究成果，得出目前的研究成果主要有以下几点：

1）纤维网格增强ECC 加固混凝土梁可以有效地提高梁的开裂性、屈服能力和极限荷载，二者的结合有效地弥补了纤维以及ECC 在混凝土梁的性能方面各自存在的缺陷，适合大量推广。

2）纤维网格增强ECC 层加固混凝土梁抗弯性能与网格大小、网格类型、纤维网格的黏结长度、网格的增强率、施工工艺、加固方法、加工环境、纤维类型以及掺量有关。

3）纤维网格通过改变ECC 裂缝的宽度和数量以及增强混凝土的韧性等因素从而增强ECC 加固混凝土梁抗弯力学性能。

4）通过纤维网格增强ECC 材料本构关系模型以及抗弯承载力计算模型，进一步验证了二者之间的作用能够增强混凝土梁的抗弯承载力，且纤维网格增强ECC 材料的应力应变曲线具有明显的线性变化的特征。