吳智深，汪 昕，史健喆

(1.東南大學(xué)玄武巖纖維生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇，南京 210019；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇，南京211189；3.東南大學(xué)城市工程科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇，南京211189)

纖維增強復(fù)合材料(簡稱FRP)具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良特性，在工程結(jié)構(gòu)的加固改造和新建結(jié)構(gòu)增強中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過30多年的研究和應(yīng)用，F(xiàn)RP加固技術(shù)已發(fā)展成為提升土木工程結(jié)構(gòu)使用性能、承載力、耐久性和疲勞壽命的重要手段，形成了成熟的加固施工工藝，建立了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。但在新建結(jié)構(gòu)方面，幾種傳統(tǒng)的FRP材料，如碳纖維FRP(CFRP)、芳綸纖維FRP(AFRP)和玻璃纖維FRP(GFRP)存在一些不足，制約了FRP新建結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。例如，CFRP雖然強度和彈性模量高，但延伸率低，且熱膨脹系數(shù)與混凝土相差較大，嚴(yán)重影響其與混凝土的共同工作性能，且CFRP材料價格昂貴，很難大規(guī)模運用于新建結(jié)構(gòu)。AFRP也存在成本過高的問題，且材料蠕變率大(0.5fu應(yīng)力下1000 h蠕變率高達7%)[1]，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的長期變形。GFRP的蠕變斷裂應(yīng)力低(0.29fu)[2]，因此，其高強度難以得到充分發(fā)揮，且一般的玻璃纖維耐堿性差，不適合作為混凝土增強材料。近 20年興起的玄武巖纖維復(fù)合材料(BFRP)具有優(yōu)越的綜合性能，成為解決上述FRP新建結(jié)構(gòu)問題的有效途徑。BFRP的強度和彈性模量比通用GFRP高30%，且斷裂延伸率較高(2.5 %)[3]，熱膨脹系數(shù)(6×10-6℃-1~8×10-6℃-1)與混凝土接近，蠕變斷裂應(yīng)力為0.54fu[4]，介于AFRP和CFRP之間，且價格接近 GFRP。因此，BFRP的性價比高于三種傳統(tǒng)FRP材料。

玄武巖纖維是將火山巖原料經(jīng)1500℃高溫熔融后拉制而成的連續(xù)纖維，由于生產(chǎn)過程中無污染，能耗低(僅為碳纖維生產(chǎn)能耗的1/16)，因此，被稱為21世紀(jì)無污染的“綠色工業(yè)原材料”，與碳纖維、芳綸纖維、超高分子纖維并稱中國的四大高技術(shù)纖維[5]。另一方面，中國的玄武巖礦石資源豐富，取材廣泛，為玄武巖纖維的大規(guī)模生產(chǎn)提供了原料保障。因此，玄武巖纖維有望推動工程結(jié)構(gòu)的綠色可持續(xù)化發(fā)展，得到了國家和地方政府的政策支持。目前，玄武巖纖維及其復(fù)合材料已在土建交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域得到應(yīng)用與示范，其在結(jié)構(gòu)中所發(fā)揮的優(yōu)越性得到了行業(yè)認可，如三沙市某島礁混凝土結(jié)構(gòu)、南京長江大橋加固修復(fù)、高速公路路面增強等。

為進一步提升 BFRP增強工程結(jié)構(gòu)的性能與壽命，還需改善BFRP性能，并根據(jù)結(jié)構(gòu)性能需求開發(fā)BFRP增強結(jié)構(gòu)新形式。目前，東南大學(xué)玄武巖纖維生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界已在玄武巖纖維原絲的品質(zhì)穩(wěn)定化、量產(chǎn)化和高端化技術(shù)方面取得了重要突破。在品質(zhì)穩(wěn)定化技術(shù)方面，提出玄武巖多元均配混配技術(shù)體系，實現(xiàn)了原料和生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定控制，奠定了高性能玄武巖纖維生產(chǎn)的理論與工藝基礎(chǔ)[6]；在量產(chǎn)化技術(shù)方面，開發(fā)了一爐帶8~16塊漏板的大池窯技術(shù)[7]和1200孔以上的漏板技術(shù)，突破了年產(chǎn)千噸以上的規(guī)?；a(chǎn)瓶頸；在高性能化及高端化技術(shù)方面，基于礦石成分結(jié)合多元均配混配技術(shù)，開發(fā)了高單絲強度(超過4000 MPa)、高彈性模量(超過 110 GPa)[5]、耐堿(強度保留率高于 80 %)[8]、耐高溫(最高工作溫度達800 ℃)[9]玄武巖纖維。在上述原絲高性能化成果的基礎(chǔ)上，本文主要介紹作者團隊在BFRP的高性能化和BFRP增強新建結(jié)構(gòu)方面取得的成果。

1 玄武巖纖維復(fù)合材料(BFRP)高性能化

1.1 纖維混雜提升綜合性能

單一玄武巖纖維復(fù)合材料雖然延性好、成本較低，但強度和彈性模量遠低于碳纖維，無法滿足對材料力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用需求。為此，作者團隊[10]提出了混雜FRP材料，并通過應(yīng)力波動控制技術(shù)抑制了不同纖維之間斷裂不同步導(dǎo)致的材料連續(xù)破壞(圖1(a)、圖1(b))，實現(xiàn)了FRP高強、高彈性模量、高延性和高性價比的效果，B/CFRP混雜筋相比CFRP筋延性系數(shù)提升105 %，相比BFRP筋強度提升35 %?；诶髦欣w維連續(xù)斷裂的失效機理，建立了考慮纖維/樹脂界面應(yīng)力傳遞的斷裂力學(xué)理論預(yù)測模型，實現(xiàn)了新型混雜FRP筋拉伸性能的精確預(yù)測。另一方面，混雜還可提升FRP材料的疲勞性能，Wu等[11]的試驗表明，玄武巖纖維/碳纖維混雜可使BFRP的疲勞強度從0.55fu提升至0.7fu(圖1(c))，玻璃纖維無此提升效應(yīng)，這是因為延伸率較小的碳纖維先斷裂后，由于玄武巖纖維與基體的粘結(jié)完好，纖維與樹脂之間共同受力性能好；相反，玻璃纖維與樹脂之間易發(fā)生剝離，導(dǎo)致連續(xù)破壞(圖1(d))。

圖1 纖維混雜技術(shù)Fig.1 Fiber hybridization

1.2 基于“外封、中阻、內(nèi)護”三層次理念的BFRP性能提升技術(shù)

1.2.1 設(shè)計理念

作者團隊以 FRP制品的性能為目標(biāo)，提出了“外封、中阻、內(nèi)護”三層次理念?！巴夥狻笔菍RP材料外表層涂覆防護層，作為FRP材料和外界環(huán)境之間的第一層屏障；“中阻”是對樹脂基體進行微觀層次的改性(包括增韌和替換樹脂)，根據(jù)實際需求提升基體性能，限制基體在外界環(huán)境因素(腐蝕、高溫等)影響下的裂紋擴展或軟化；“內(nèi)護”即利用纖維表面涂層技術(shù)對纖維絲進行防護，隔絕外界腐蝕介質(zhì)與纖維的直接接觸?；谠撊龑哟卫砟?，開發(fā)了以下三方面BFRP性能提升技術(shù)。

1.2.2 耐堿性能提升技術(shù)

FRP制品在堿性環(huán)境中的退化問題是限制其在混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的瓶頸。針對既有BFRP在極端堿腐蝕溶液中耐久性不足以及在荷載-腐蝕環(huán)境耦合下性能亟需提升的問題，基于作者團隊提出的FRP材料“外封、中阻、內(nèi)護”三層次理念，開發(fā)了FRP耐堿性能改性技術(shù)。其中，作者團隊在“中阻”和“內(nèi)護”兩個層面進行了改性試驗研究。作者團隊最新研究表明，通過對內(nèi)部纖維表面涂覆防護層，實現(xiàn)對纖維絲的保護(圖2)，涂層根據(jù)材料類型可分為有機涂層和無機涂層，有機涂層是隔絕外部堿溶液，避免其和內(nèi)部纖維發(fā)生反應(yīng)；無機涂層在隔絕的基礎(chǔ)上，還能和堿反應(yīng)生成難溶物(如氫氧化鋯類)，進一步阻止堿溶液對纖維的侵蝕。Shi等[12]對樹脂基體進行微米級的防裂球狀顆粒體增韌改性，實現(xiàn)阻隔腐蝕粒子侵入的作用(圖3)。采用上述技術(shù)處理后，F(xiàn)RP材料在堿性腐蝕溶液環(huán)境下拉伸強度保留率從原先的不到 40 %提升至60 %以上，且該改性方法成本低廉，適宜于在量大面廣的土木工程結(jié)構(gòu)中推廣和應(yīng)用。

圖2 纖維涂層改性BFRP耐堿性能Fig.2 Alkaline resistance of BFRP with fiber coating

圖3 增韌改性BFRP耐堿性能[12]Fig.3 Alkaline resistance of BFRP with resin modification

1.2.3 耐高溫性能提升技術(shù)

FRP材料的耐高溫性能是建筑材料防火中的重要工程問題。針對組成FRP的環(huán)氧基體材料玻璃化溫度低、難以滿足防火要求的問題，作者團隊通過“中阻、外封”二層次理念，提升FRP制品耐高溫性能。其中，在“中阻”層面進行了改性試驗研究?！爸凶琛本唧w采用兩種方法：1)在樹脂基體中添加蒙脫土進行改性提升FRP材料高溫下的力學(xué)性能；2)采用一種可用于拉擠成型的耐高溫酚醛樹脂替換傳統(tǒng)樹脂作為FRP的基體。作者團隊的最新成果表明，樹脂替換和改性處理后的BFRP在高溫下的強度保留率與未經(jīng)處理的普通BFRP相比明顯提高(如 300 ℃下分別提升 150 %和 230 %)，如圖4。并且，經(jīng)改性后的樹脂在高溫下無煙無毒，并同時具備成熟的生產(chǎn)工藝、穩(wěn)定的力學(xué)性能及合理的制備成本。所提出的技術(shù)有效解決了普通FRP在高溫下力學(xué)性能退化嚴(yán)重的工程難題，進一步推動了FRP在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

圖4 樹脂改性/替換提升BFRP耐高溫性能Fig.4 Enhancement of high temperature resistance of BFRP with resin modification or replacement

1.2.4 多場耦合下疲勞性能提升技術(shù)

FRP制品在多場耦合(腐蝕、溫度、濕度、應(yīng)力等)下的疲勞性能是其工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。既有FRP材料中BFRP相對CFRP成本較低，但耐疲勞性能不足。作者團隊[13]首先針對工程結(jié)構(gòu)長壽命設(shè)計，深入研究從200萬到1000萬次的FRP疲勞破壞形態(tài)和性能評價?；陂L壽命1000萬次疲勞試驗，所得到的BFRP疲勞強度預(yù)測值從200萬疲勞試驗的0.74fu提升至0.8fu(應(yīng)力比=0.8)，提升了土木工程用BFRP 材料的利用效率(圖5(a))。針對材料本身疲勞性能不足的問題，作者團隊[13]通過“中阻、內(nèi)護”復(fù)合技術(shù)共同作用提升制品疲勞性能?！爸凶琛笔峭ㄟ^在基體中添加納米高嶺土改善樹脂結(jié)構(gòu)，增強樹脂抵抗提供裂紋開展的能力(圖6(a)和圖6(b))，從而提升FRP的疲勞性能?！皟?nèi)護”是對纖維表面進行涂層改性，從而改善纖維-樹脂界面的粘結(jié)強度，延緩纖維-樹脂界面剝離(圖6(c)和圖6(d))。試驗結(jié)果表明，通過增韌乙烯基樹脂延性有較大提高，增韌乙烯基BFRP在靜力和疲勞作用下樹脂開裂明顯減小。雖然增韌后靜力強度有所下降，但是其疲勞壽命隨應(yīng)力水平降低的增加速率提高。在相同疲勞應(yīng)力水平下增韌乙烯基BFRP疲勞壽命高于普通乙烯基試件，應(yīng)力比 0.6下的 1000萬次循環(huán)疲勞強度水平從 0.7fu提升至0.8fu(圖5(b))。界面改性環(huán)氧基BFRP 1000萬次循環(huán)疲勞強度提升幅度較小，僅從 0.75fu提升至 0.8fu。

圖5 BFRP疲勞S-N曲線[13]Fig.5 S-N curves of BFRP

圖6 BFRP疲勞性能提升機理[13]Fig.6 Mechanism of enhancement of faitgue behaviors of BFR

1.3 多場耦合下蠕變松弛控制與性能提升技術(shù)

樹脂基體的粘彈性導(dǎo)致 FRP材料的蠕變變形不可避免，且多場耦合(腐蝕、溫度、濕度、應(yīng)力等)環(huán)境會使FRP的蠕變變形進一步增加。FRP中的粘彈性變形會造成預(yù)應(yīng)力損失，是FRP材料預(yù)應(yīng)力應(yīng)用中亟需解決的關(guān)鍵問題。針對高性價比BFRP作為預(yù)應(yīng)力材料的應(yīng)用前景，為進一步提升BFRP的耐蠕變松弛性能，作者團隊[14]提出了二階段預(yù)張拉技術(shù)提升BFRP的蠕變松弛性能。首先，在材料的制備階段樹脂處于流動狀態(tài)時，對纖維施加一定預(yù)張拉力調(diào)直纖維；待樹脂固化收縮產(chǎn)生一定的纖維彎曲后，對BFRP材料進行第二次預(yù)張拉處理，使FRP材料內(nèi)部的彎曲纖維隨著樹脂粘彈性變形被逐漸調(diào)直，從而實現(xiàn)纖維共同受力，限制FRP材料整體粘彈性變形。Wang等的試驗研究表明，經(jīng)過預(yù)張拉處理后的預(yù)應(yīng)力BFRP筋1000 h蠕變/松弛率由處理前的5 %以上降低至3 %以內(nèi)(圖7)[14]，接近CFRP和普通鋼絞線的松弛率相應(yīng)值(2 %~3 %)，蠕變斷裂應(yīng)力從0.52fu提升到0.54fu[15]。并且，預(yù)張拉不會造成強度、彈性模量等力學(xué)性能的降低。該技術(shù)成功解決了 BFRP材料蠕變/松弛率過大的問題，保證了BFRP作為預(yù)應(yīng)力材料應(yīng)用時的長期性能可靠性和有效性。

圖7 預(yù)張拉提升BFRP蠕變性能[14]Fig.7 Enhancement of creep behaviors of BFRP by pretension

2 BFRP增強新結(jié)構(gòu)體系

以上述 BFRP材料高性能化技術(shù)為基礎(chǔ)，作者團隊開發(fā)了 BFRP網(wǎng)格、筋材、型材及拉索(圖8)等多種不同形式的BFRP制品?；谶@些制品形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)性能需求，進一步開發(fā)了 BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)、BFRP型材-混凝土組合結(jié)構(gòu)以及BFRP拉索大跨結(jié)構(gòu)三種BFRP增強新建結(jié)構(gòu)形式。

圖8 BFRP主要制品形式Fig.8 Typical forms of BFRP products

2.1 BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)

2.1.1 設(shè)計理念

高溫高濕高鹽、晝夜溫差大且紫外線強的海洋環(huán)境對傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生了巨大的威脅，嚴(yán)重阻礙了海洋工程的發(fā)展。為此，吳智深等[16]提出利用BFRP筋/網(wǎng)格輕質(zhì)、高強和耐腐蝕的優(yōu)勢，將BFRP筋/網(wǎng)格增設(shè)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外側(cè)(圖9)，使BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)的截面剛度與抗裂性能得到同步提升，可較好地解決因結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕而導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題。這種混合配置方式也是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷可靠和災(zāi)后可恢復(fù)的有效手段。BFRP筋/網(wǎng)格的線彈性使其能夠在鋼筋屈服后為結(jié)構(gòu)提供二次剛度(圖10中的可修復(fù)狀態(tài))，卸載后的結(jié)構(gòu)殘余變形明顯小于相同位移下的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；同時，BFRP筋/網(wǎng)格與混凝土之間粘結(jié)滑移曲線中穩(wěn)定的下降段(圖11)可保證變形過大時結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌(圖10中的極限狀態(tài))。為了實現(xiàn)這一效果，必須通過合理的設(shè)計使FRP筋/網(wǎng)格的實際粘結(jié)強度小于其受拉斷裂時對應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力，否則將無法有效可靠地限制結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)的變形。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

BFRP筋/網(wǎng)格與混凝土粘結(jié)性能的優(yōu)劣是其作為結(jié)構(gòu)增強材料的關(guān)鍵。BFRP網(wǎng)格為網(wǎng)狀材料，因此其在混凝土內(nèi)具有良好的粘結(jié)性能。與鋼筋和混凝土間優(yōu)異的粘結(jié)性能相比，傳統(tǒng) BFRP筋與混凝土粘結(jié)性能相對較差。為此，可對 BFRP筋表面肋進行了優(yōu)化處理來提升其粘結(jié)性能。吳智深等[16]的試驗研究表明，表面肋優(yōu)化后的 BFRP筋不僅擁有穩(wěn)定的粘結(jié)滑移性能，并且粘結(jié)滑移曲線上升段的粘結(jié)剛度和鋼筋-混凝土接近。同時，優(yōu)化后的BFRP筋的粘結(jié)強度與鋼筋-混凝土粘結(jié)強度相當(dāng)(圖11)。此外，由于 BFRP筋的表面肋在發(fā)生滑移后，并未損傷粘結(jié)處的混凝土，所以，優(yōu)化 BFRP筋發(fā)生滑移后的粘結(jié)應(yīng)力明顯高于普通鋼筋。因此，該研究結(jié)果為BFRP筋作為混凝土增強材料奠定了基礎(chǔ)。

圖9 BFRP筋-鋼筋混合配置示意圖Fig.9 Concrete reinforced by steel bars and BFRP bars

圖10 損傷可控結(jié)構(gòu)荷載-變形曲線圖Figure 10 Load-deformation curves of damage-controllable structures

圖11 BFRP筋-混凝土粘結(jié)滑移實驗結(jié)果[16]Fig.11 Results of BFRP bar-concrete pullout tests

2.1.3 BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

1)靜力性能

吳智深等[16]通過試驗證明，BFRP筋-鋼筋混配梁鋼筋屈服前的受彎性能與鋼筋混凝土梁類似。鋼筋屈服后，由于FRP筋一直處于線彈性階段，因此，結(jié)構(gòu)仍可以繼續(xù)承受一定荷載，這與普通的鋼筋混凝土屈服后荷載即無明顯增長的現(xiàn)象有所不同。由于帶肋BFRP筋具有較好粘結(jié)性能，可以有效控制裂縫寬度，顯著提升結(jié)構(gòu)剛度。BFRP筋-鋼筋混配梁的承載力和延性明顯高于僅配置鋼筋的梁，并且在相同的跨中撓度下，前者的裂縫寬度更小(圖12)。相比鋼筋混凝土梁，BFRP筋-鋼筋混配結(jié)構(gòu)的裂縫更細且更加彌散。

如圖13所示，作者團隊[17]對BFRP網(wǎng)格-鋼筋混配柱的軸壓試驗結(jié)果表明，與鋼筋混凝土柱相比，BFRP網(wǎng)格-鋼筋配混柱由于增設(shè)BFRP網(wǎng)格，提高了對核心混凝土的約束作用，因此，靜力加載下BFRP網(wǎng)格-鋼筋混凝土柱表現(xiàn)出更大的抗壓承載能力和更好的延性。此外，BFRP網(wǎng)格能夠有效減小混凝土柱開裂后裂縫開展的速度，并抑制表面混凝土剝落。

圖12 BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置結(jié)構(gòu)靜力性能(S和B分別表示鋼筋混凝土梁和BFRP筋-鋼筋混配梁)[16]Fig.12 Static behaviors of concrete structures reinforced with BFRP bars or grids and steel bars (S and B represent concrete beams reinforced with steel bars and those reinforced with BFRP bars and steel bars)

圖13 BFRP網(wǎng)格與GFRP網(wǎng)格增強鋼筋混凝土柱軸壓性能對比[17]Fig.13 Axial compressive behaviors of RC concrete columns reinforced with BFRP grids or GFRP grids

2)抗震性能

對于地震頻發(fā)區(qū)域的混凝土柱結(jié)構(gòu)，通過BFRP筋-鋼筋混合配置可實現(xiàn)損傷可控。表面肋紋優(yōu)化后的BFRP筋和混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力峰值與鋼筋接近，且BFRP筋粘結(jié)滑移曲線的下降段明顯高于鋼筋。因此，當(dāng)鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)滑移時，BFRP筋能夠有效地限制滑移量。作者團隊[18]的試驗研究表明，普通鋼筋混凝土柱在側(cè)向荷載下的破壞始于混凝土保護層的剝落，最終鋼筋屈曲時延性系數(shù)(μ)為10.3；而損傷可控結(jié)構(gòu)具有明顯的二次剛度，并使結(jié)構(gòu)具有和鋼筋混凝土相似的延性，不僅能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下良好的耗能能力，且能夠有效地控制結(jié)構(gòu)損傷，提升結(jié)構(gòu)災(zāi)后可修復(fù)性能(圖14)。對 BFRP筋-鋼筋混合配置損傷可控結(jié)構(gòu)進行了三維有限元模型分析，驗證了相關(guān)試驗結(jié)果，如圖15[19]。

圖14 側(cè)向荷載-層間位移角曲線[18]Fig.14 Lateral load-drift curves of concrete structures reinforced with

圖15 損傷可控結(jié)構(gòu)的有限元模型[19]Fig.15 Finite element (FE)model of a damage-controllable structure

3)耐久性

為了驗證2.1.1節(jié)中BFRP筋-鋼筋混配結(jié)構(gòu)的高耐久性，作者團隊[20]分別對普通鋼筋混凝土梁和BFRP筋-鋼筋混配梁進行了模擬海水環(huán)境下的干濕循環(huán)加速腐蝕。通過三點彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋混凝土梁在為期6個月的海水環(huán)境腐蝕后，受拉鋼筋和箍筋均出現(xiàn)了一定程度的銹蝕，但由于腐蝕齡期較短，承載力僅下降5 %；BFRP筋-鋼筋混配梁中的鋼筋在腐蝕6個月后未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，其極限承載力無退化現(xiàn)象，且經(jīng)過腐蝕后梁的抗彎剛度略高于未腐蝕的對照梁(圖16)。

圖16 鹽腐蝕環(huán)境下BFRP筋-鋼筋混合配筋混凝土梁荷載-跨中位移曲線[20]Fig.16 Load-deflection curves of concrete structures reinforced with BFRP bars and steel bars exposed to salt corrosion

2.2 BFRP型材-混凝土組合結(jié)構(gòu)

2.2.1 設(shè)計理念

傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面板結(jié)構(gòu)存在疲勞壽命短和耐久性差的問題，而既有FRP 型材-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)大多存在型材用量多、截面利用率低和組合連接件性能不足等缺陷[21－23]。針對上述問題，作者團隊[24－26]開發(fā)了新型預(yù)應(yīng)力 BFRP型材-混凝土組合橋面板(如圖17所示)。一方面，將 FRP材料置于受拉區(qū)、混凝土置于受壓區(qū)，充分發(fā)揮FRP抗拉強度高和耐腐蝕性強以及混凝土抗壓強度高的特點；另一方面，通過在BFRP型材底板內(nèi)壁張拉預(yù)應(yīng)力BFRP板條進而使橋面板形成反拱，大幅提高橋面板在施工狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下的整體剛度，節(jié)省了FRP型材用量。同時，BFRP型材可兼作模板，避免了其腹板屈曲的問題。另外，各BFRP型材組裝模塊之間采用波紋齒和預(yù)緊螺栓連接，型材表面經(jīng)過打磨粘砂處理，充分保證了各界面的有效傳力及橋面板優(yōu)異的整體性

圖17 BFRP型材-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)示意[24]Fig.17 BFRP profile-concrete composite bridge deck

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)BFRP型材-混凝土界面性能提升

在組合結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP與混凝土之間的粘結(jié)性能是保證組合結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的基礎(chǔ)，也是發(fā)揮各組成部分力學(xué)性能的前提。目前，針對新建FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)性能研究相對較少[27]。作者團隊[25]基于波紋齒BFRP型材腹板和石英砂粘結(jié)方法，對本橋面板的 BFRP型材和混凝土之間的粘結(jié)性能開展了雙剪靜力和疲勞試驗。模殼和混凝土之間的界面分別采用僅打磨(無膠層)、打磨+涂抹環(huán)氧膠+粘石英砂(單層膠)和打磨+涂抹環(huán)氧膠+粘石英砂+二次涂抹環(huán)氧膠(雙層膠)這三種處理方式。如圖18所示，采用單層膠處理FRP-混凝土界面可使界面最大粘結(jié)剪應(yīng)力和界面斷裂能(即剪應(yīng)力-滑移曲線所含面積)最大，界面粘結(jié)性能最優(yōu)。作者團隊[25]在此基礎(chǔ)上開展的不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗結(jié)果表明，界面損傷，即試件端部滑移，隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出明顯的前期快速，后期穩(wěn)定的特點。界面疲勞S-N曲線基本符合對數(shù)擬合規(guī)律，并可推知在200萬次疲勞循環(huán)下，其疲勞極限應(yīng)力水平可達0.51以上，反應(yīng)了其界面優(yōu)異的粘結(jié)性能。

2)自平衡預(yù)應(yīng)力BFRP型材

圖18 BFRP型材-混凝土界面靜力和疲勞試驗結(jié)果[25]Fig.18 Results of static and fatigue tests on BFRP profile-concrete interface

型材可作為組合橋面板施工時的模板和平臺，需要承擔(dān)混凝土重量和各種施工荷載，由于 BFRP材料本身強度受限，因此，施工荷載下的型材變形往往是設(shè)計時的重要控制因素。對預(yù)應(yīng)力BFRP型材進行了預(yù)應(yīng)力板條張拉試驗和混凝土澆筑施工過程模擬試驗。作者團隊[24]采用專門的張拉裝置對預(yù)應(yīng)力BFRP板條進行先張法張拉，并對張拉完成后的型材采用等重灌砂法模擬混凝土澆筑。BFRP板條的張拉荷載可有效形成型材反拱，并且在持荷和放張階段型材各部位內(nèi)應(yīng)力保持相對穩(wěn)定，反映了組合橋面板良好的整體性。如圖19所示，相比無預(yù)應(yīng)力，有預(yù)應(yīng)力的型材可有效控制施工荷載下的結(jié)構(gòu)變形，在強度驗算狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力可使組合橋面板跨中撓度降低約50%。

圖19 BFRP型材在施工荷載下的荷載-撓度曲線[24]Fig.19 BFRP profile under construction load

2.2.3 組合橋面板力學(xué)性能

依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，作者團隊[24－26]分別對本組合橋面板開展了靜力、疲勞和持荷試驗。靜力試驗[24]表明，本組合橋面板極限承載力達到644 kN，破壞模式主要由受壓區(qū)混凝土壓碎控制，基本未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)界面滑移和BFRP型材屈曲的現(xiàn)象，反映了其良好的整體性。通過進一步的參數(shù)對比試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常使用極限狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力橋面板的跨中撓度相比無預(yù)應(yīng)力降低了近50 %；腹板波紋齒和界面粘砂的連接措施可使結(jié)構(gòu)極限承載力提升56 %，能夠滿足實際工程需求(圖20)。

圖20 組合橋面板靜力試驗的參數(shù)對比結(jié)果[24]Fig.20 Static behaviors of composite bridge decks

在靜力試驗的基礎(chǔ)上，作者團隊[25]對橋面板進行了等疲勞下限、不同荷載水平下的車載模擬疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)了該橋面板高荷載下發(fā)生混凝土沖切破壞，中低荷載下混凝土沖切和型材撕裂破壞這一疲勞破壞模式。由疲勞S-N曲線(圖21)可以推知，當(dāng)荷載水平為 0.46Fu(Fu為極限承載力)、荷載幅為211.3 kN時，該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可達 1000萬次以上，遠高于各國規(guī)范值。此外，在中低荷載水平下，橋面板的殘余強度和剛度均達到90 %以上，反映了其優(yōu)越的疲勞性能。

圖21 組合橋面板S-N曲線[25]Fig.21 S-Ncurve of composite bridge decks

橋面板在混凝土長期荷載作用下會產(chǎn)生收縮徐變，BFRP型材本身也可能發(fā)生蠕變，因而橋面板的持荷性能有待研究。作者團隊[26]采用反向千斤頂頂壓的方式加載，由圖22可見橋面板的跨中撓度呈現(xiàn)出明顯的“前期快速發(fā)展，中期不穩(wěn)定上升，后期穩(wěn)定平緩”的三階段特征，在0.3Fu持荷水平下4000 h撓度增長率為5.4 %。后期撓度與荷載水平呈正相關(guān)關(guān)系，正則化的跨中撓度與時間的關(guān)系符合雙對數(shù)線性規(guī)律。

圖22 組合橋面板的長期持荷試驗結(jié)果[26]Fig.22 Long-term test results of composite bridge decks

2.3 BFRP拉索大跨結(jié)構(gòu)

2.3.1 設(shè)計理念

FRP拉索的錨固是制約其運用于大跨橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。既有FRP拉索粘結(jié)型、摩擦型和金屬擠壓型錨固技術(shù)多適用于單根小直徑、小噸位FRP拉索，難以對多根、大噸位FRP拉索進行有效錨固。針對上述瓶頸，作者團隊[28]提出一種同源變剛度BFRP拉索錨固方法，從BFRP拉索性能預(yù)測、拉索-錨固系統(tǒng)性能評價以及大跨斜拉橋整體設(shè)計三個方面開展研究，最終形成輕量化、長壽命的大跨斜拉橋整體設(shè)計方法(圖23)。BFRP拉索的運用能夠解決傳統(tǒng)鋼拉索自重大、易腐蝕問題，為實現(xiàn)大跨橋梁向更大跨徑發(fā)展提供新的選擇。

圖23 BFRP拉索設(shè)計理念Fig.23 Design philosophies of BFRP cables

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)BFRP拉索性能預(yù)測

BFRP拉索的性能預(yù)測對于其性能控制和提升具有重要意義，傳統(tǒng)預(yù)測方法主要存在未考慮強度隨機性或計算量過大的問題。作者團隊[29]建立了考慮材料強度隨機分布的浸膠紗-單筋-拉索多尺度精細化模型(圖24)，模型基本組成單元為縱向纖維浸膠紗和橫向樹脂，并能考慮初始纖維彎曲帶來的影響。如圖25所示，通過試驗分別得到環(huán)氧/乙烯基樹脂BFRP浸膠紗隨機強度分布，輸入模型后分別得到 4 mm/6 mm，環(huán)氧/乙烯基筋材的強度分布規(guī)律，經(jīng)試驗驗證其擬合精度達到90 %以上，誤差相比傳統(tǒng)方法減少10 %以上。另外，如圖26所示，模型還能正確揭示拉索內(nèi)部的損傷演化規(guī)律和破壞機理。

圖24 浸膠紗-單筋-拉索多尺度有限元模型Fig.24 Impregnated fiber bundle-single tendon-cable multiscale FE model

圖25 BFRP浸膠紗-單筋隨機強度分布Fig.25 Strength distributions of BFRP single tendon by different methods

圖26 拉索單筋損傷演化模擬Fig.26 Simulation of damage process in single tendon

2)BFRP拉索錨固體系

如圖27所示，為解決BFRP拉索加載端應(yīng)力集中問題，Wang等[28]提出了一種加載端剛度小、自由端剛度大的同源變剛度錨固體系，其最大特點在于通過沿BFRP拉索錨固區(qū)分段纏繞不同種纖維來實現(xiàn)荷載傳遞介質(zhì)的剛度變化。圖28為有限元分析結(jié)果，由圖可知，采用剛度變化的荷載傳遞介質(zhì)可顯著緩解BFRP拉索加載端應(yīng)力集中。

圖27 同源變剛度錨固體系Fig.27 Variable-stiffness anchorage

圖28 FRP拉索錨固區(qū)徑向應(yīng)力Fig.28 Radial stress on FRP tendons at anchor

變剛度錨頭制備過程具體如下：1)在BFRP筋錨固區(qū)纏繞一層纖維粗紗，其目的在于填充多根BFRP筋之間的間隙以及提高內(nèi)層筋與外層筋之間的協(xié)同受力能力。2)利用塑料定位板將多根BFRP筋集束成索。為了提高錨固區(qū)BFRP拉索整體性能，在BFRP拉索錨固區(qū)纏繞一層5 mm厚的碳纖維浸膠紗。3)BFRP拉索錨固區(qū)自加載端至自由端依次纏繞滌綸、玄武巖纖維、玄武巖纖維和碳纖維、碳纖維。分段數(shù)量和分段長度通過試驗和有限元模擬確定。4)將纏繞好的錨頭放置于具有錐形內(nèi)腔的模具內(nèi)，經(jīng)模壓-加熱可以形成一體化變剛度錨頭。

通過對37根BFRP拉索開展靜力拉伸試驗[28]，進一步驗證了變剛度錨固體系的有效性。BFRP拉索的失效模式為自由段炸裂式破壞，屬于理想破壞形態(tài)。相同荷載下多根BFRP筋的軸向拉應(yīng)變相差不大，表明提出的變剛度錨固體系可以確保內(nèi)層筋與外層筋之間的協(xié)同工作性能。此外，試驗驗證了3組 37根 BFRP拉索的平均靜力錨固效率高達99.2 %，錨固效率十分理想。

3)大跨結(jié)構(gòu)用BFRP拉索設(shè)計方法

與傳統(tǒng)鋼拉索的設(shè)計方法相比，F(xiàn)RP拉索的設(shè)計方法所需考慮的因素有所不同。大跨橋梁用FRP拉索的設(shè)計方法應(yīng)當(dāng)充分考慮材料的綜合性能、功能需求和結(jié)構(gòu)非線性要求。因此，作者團隊[30]在兩種傳統(tǒng)FRP拉索設(shè)計方法(等強度和等剛度設(shè)計)的基礎(chǔ)之上，進一步提出新型FRP拉索設(shè)計方法，旨在解決FRP拉索的材料利用率、綜合性能和結(jié)構(gòu)使用要求問題，以便實現(xiàn)FRP拉索的優(yōu)化設(shè)計。如圖29所示，以材料利用率與軸向剛度為設(shè)計目標(biāo)，基于不同材料 FRP拉索等效彈性模量比，根據(jù) FRP拉索長度分三個階段選取不同的設(shè)計安全系數(shù)對FRP拉索進行設(shè)計。FRP拉索三階段的設(shè)計理念旨在滿足不同橋梁跨度的需求，實現(xiàn)不同F(xiàn)RP材料的高效利用[30]。根據(jù)長度的不同，主要分為小于1000 m、1000 m~2000 m和大于2000 m三個長度區(qū)間，具體分析如下：

圖29 FRP拉索安全系數(shù)的三階段模型[30]Fig.29 Three-stage model for the safety factor of FRP cable

1)跨度在1000 m以內(nèi)時，F(xiàn)RP拉索的垂度效應(yīng)不明顯，可以不考慮拉索的非線性設(shè)計要求；

2)跨度在1000 m~2000 m之間時，拉索的設(shè)計需同時考慮非線性和使用性能要求；

3)跨度大于2000 m時，由于橋梁的整體活載和恒載比例發(fā)生變化，可容許的FRP拉索設(shè)計應(yīng)力將進一步提升，因此FRP拉索的材料利用率將進一步提升。

2.3.3 BFRP拉索大跨斜拉橋靜動力性能

1)靜力性能

由于BFRP拉索具有輕質(zhì)高強的特性，將其運用于大跨斜拉梁，可以顯著降低拉索的垂度效應(yīng)、提升承載效率和承載能力，從而達到提升大跨斜拉橋靜力性能的目的。除此之外，BFRP拉索的運用還將進一步減小索體結(jié)構(gòu)的自重和橋梁主梁的軸力負擔(dān)。Wang等[31]的分析研究表明，BFRP拉索及其混雜 FRP拉索在相同荷載下的位移均小于鋼拉索(圖30)。

圖30 FRP拉索超大跨斜拉橋加勁梁的豎向位移[31]Fig.30 Vertical displacements of the girder in a long-span cable-stayed bridge with FRP cables

2)動力性能

Wang等[31]的分析研究表明，與鋼拉索相比，F(xiàn)RP拉索具有更輕的質(zhì)量和更高的自振頻率，有利于提升大跨斜拉橋的動力性能。如圖31所示，BFRP拉索和B/CFRP拉索的自振頻率小于CFRP拉索，但是均大于鋼拉索，因此，F(xiàn)RP拉索斜拉橋發(fā)生索橋共振的可能性小于鋼拉索。與各向同性材的鋼拉索相比，F(xiàn)RP拉索的抗側(cè)壓強度與抗剪強度較低[31]，因此，鋼拉索阻尼器無法直接應(yīng)用于 FRP拉索，需要開發(fā)一種適用于FRP拉索的阻尼裝置。通過運用混雜 FRP拉索的設(shè)計方法和內(nèi)部阻尼器原理，可實現(xiàn)對FRP拉索的自減振控制[32]。

圖31 FRP拉索與整橋的自振頻率[31]Fig.31 Natural vibration frequencies of FRP cables

3 結(jié)論與展望

本文詳細綜述了玄武巖纖維及其復(fù)合材料的高性能化技術(shù)和三種新型BFRP增強結(jié)構(gòu)形式，包括BFRP型材-混凝土組合橋面板、高耐久損傷可控BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)和BFRP拉索大跨斜拉橋，主要結(jié)論如下：

(1)玄武巖纖維復(fù)合材料的纖維混雜提升技術(shù)、基于“外封、中阻、內(nèi)護”三層次理念的BFRP性能提升技術(shù)以及預(yù)張拉蠕變松弛控制提升技術(shù)，顯著提升了材料的力學(xué)性能、耐久性、耐溫性，高性能玄武巖纖維復(fù)合材料在土建交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有廣闊應(yīng)用前景。

(2)針對 BFRP筋/網(wǎng)格-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)，作者團隊解決了BFRP-混凝土界面的粘結(jié)技術(shù)難題，提出通過穩(wěn)定二次剛度有效控制結(jié)構(gòu)損傷原理，實現(xiàn)低成本下結(jié)構(gòu)高耐久、延性以及災(zāi)后可恢復(fù)性高度提升。

(3)針對BFRP型材-混凝土組合橋面板，作者團隊結(jié)合波紋齒和粘砂技術(shù)，解決了型材與混凝土之間的粘結(jié)問題；通過對型材施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生反拱，解決了型材在施工荷載下變形過大的問題，提升了BFRP型材的利用效率。

(4)針對 BFRP拉索大跨斜拉橋，作者團隊建立了考慮材料強度隨機分布的多尺度精細化拉索預(yù)測模型，開發(fā)了可有效降低錨固區(qū)應(yīng)力集中的同源變剛度大噸位BFRP拉索錨固體系，提出了滿足不同跨徑橋梁需求的三階段設(shè)計方法，提升了BFRP拉索的利用效率。

未來應(yīng)不斷探索BFRP的新材料形式和應(yīng)用技術(shù)，包括熱塑性樹脂基BFRP材料、全BFRP型材結(jié)構(gòu)、BFRP增強預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)等，為更廣泛地滿足土建交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求做好技術(shù)儲備。