第!"卷 第#期 建 筑 结 构 $%%"年#月
钢纤维混凝土受压极限强度研究
管仲国&） 黄承逵$） 张宏战$） 林 涛!）
［提要］ 根据试验结果，分析了钢纤维混凝土受压极限强度与钢纤维体积掺率、基体强度等级和纤维形状的
关系。提出双因素、双参数计算模型，并通过对$&&组试验数据的回归分析，给出可以与《混凝土结构设计规
范》相衔接、并适用于各等级基体强度的计算表达式。进一步分析了纤维形状对强度的影响，给出了表达式中
纤维形状因子的简化取值建议。
［关键词］ 钢纤维混凝土 体积掺率 受压极限强度 试验 回归分析
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&）同济大学桥梁系，上海，$%%%E$；$）大连理工大学结构研究室，
&&I%$!；!）中国建筑设计研究院，北京，&%%%##。
一、问题的提出
钢纤维混凝土的受压极限强度是钢纤维混凝土结
构研究和设计的基本问题。目前，钢纤维混凝土正向
高强方向发展，对在高强基体下钢纤维混凝土的受压
力学性能，国内外的研究［&，$］得出的计算模型在形式
和参数上差异较大。并且，大量的早期研究主要是针
对均匀截面的直型纤维，而这种纤维目前已经很少应
用［!］。基体的高强化和纤维的异型化给钢纤维混凝土
的研究和应用提出了新的问题：
（&）高强基体下，异型钢纤维体积掺率与其增强作
用可否用线性关系描述［#］。
（$）等量钢纤维，其增强作用随基体强度的增加，
变化规律如何［"，I］；普通基体下所得的双因素单参数
模型)GH(R)H(（&S!"G）实际上是正比线性关系，并取其
比率为!)H(，而其中!为等强度基体下随掺率增加的
增强系数。若将其同时用于普通和高强基体情况，显
然不合适。
（!）很多早期研究表明，钢纤维对增强受压效果并
不十分明显［T，U］。但对于异型钢纤维高强混凝土，其增
强作用是否同样可以忽视，尚不明确。
二、试验概况
试验在大连理工大学进行，共对包含四个钢纤维
品种、每种钢纤维对应三个基体强度等级、%!&V"W四
种钢纤维体积掺量，总计&I!组标准立方体受压试块
进行试验研究。水泥为大连小野田水泥厂生产的
#$""和I$""普通硅酸盐水泥，骨料为石灰岩碎石，粒
径"!$%>>。减水剂为大连建筑科学院生产;XP"／
;XPI系列减水剂及瑞士进口液体高效减水剂（表&）。
混凝土用搅拌机搅拌，在振动台振捣成型。试验严格
按《钢纤维混凝土试验方法》（0:0D&!：UE）进行［E，&%］。
混凝土配合比 表=
强度等级 水灰比 水泥用量（2.／>!） 砂率（W） 减水剂
!% %V##I #"%（#$""） !I 不掺
"% %V#& #"%（#$""） !I 不掺
I% %V!" "%%（#$""） !! %VUW;XP"
T% %V$E "T%（I$""） $U &V%W;XPI
U% %V$E I%%（I$""） !& &V%W液体
三、钢纤维混凝土受压机理探讨
&V受压极限强度与钢纤维体积掺量的关系
混凝土中乱向分布的钢纤维对受压的增强作用主
要体现为对横向变形的约束。对基体混凝土而言，钢
纤维随横向变形的增加和微裂缝的扩展而对混凝土产
生约束作用，使其处于三向受压状态，从而提高其极限
强度。研究表明，对于钢纤维普通混凝土，在一定的体
积掺率范围内，可以保证混凝土的和易性和浇注质量，
其极限强度与钢纤维的体积掺量呈较好的线性关系。
I"
图!为在高强基体条件下，四种钢纤维混凝土的极限强
度!"#$与体积掺量!"的关系。可以看出，两者间仍呈现
较好的线性关系。但必须指出，在高强基体条件下，由
于水灰比较小，混凝土的流动性相对较差，必须特别注
意其拌和及浇捣质量，尤其在钢纤维体积掺量较大的情
况下，务必使钢纤维和其他骨料的表面被水泥浆充分浸
润和包裹，以保证钢纤维及骨料与水泥胶体之间粘结可
靠。否则，不仅不会增强，反而会降低其极限强度［!!］。
图! 钢纤维混凝土受压极限强度
%&钢纤维增强作用与基体强度等级的关系
相同体积掺率下的同一种钢纤维，随着基体强度
等级的提高，对受压极限强度的增强作用是否服从正
比线性规律，已有的研究结论并不一致［’，(］。从机理上
分析，随着基体混凝土强度等级的提高，钢纤维与混凝
土之间的粘结刚度和强度都得到增强，这是有利的一
面，也是起主导作用的一面。但同时，基体混凝土强度
的提高也使得混凝土的横向变形减小，从而使钢纤维
对横向变形的约束作用减弱，这是不利的一面，也决定
了基体强度的增加对受压强度的增强作用要远小于对
受拉强度的增强作用，二者不能采用同一规律。图!
为此项试验得到的四种钢纤维在不同基体强度下的增
强曲线。结果表明，在!&)*的体积掺率下，当基体混
凝土由+()变到+,)，四种纤维受压强度增强的绝对
值分别为-&.!’&/012，3&3!(&’012，相对值分别为
(&’*!.&,*，’&’*!/&!*。提高基体强度对受压
强度的增大有利，但并不服从单参数正比线性规律。
四、钢纤维混凝土极限强度的回归计算
!&回归公式模式
对于钢纤维混凝土受压极限强度的计算，已有的
研究给出了很多种回归模型。显然，从工程适用的角
度，理想的模型应该是形式简单、参数能够充分反映各
影响因素的作用而又数量最少。基于以上分析，钢纤
维混凝土的受压极限强度可表示为基体强度与钢纤维
增强作用的和，而其中关键之处在于如何确定钢纤维
增强作用的计算方法。钢纤维的增强作用主要依靠其
与基体混凝土之间的粘结作用，而影响两者粘结性能
的主要因素为与基体强度等级和纤维自身形状有关的
因素，为此，钢纤维的增强作用"!"#$采用如下模式：
"!"#$"（!#$"##）$" （!）
式中$"4!"$"／%"，为钢纤维特征参数，$"／%"为钢纤维
的长径比；"，#为基体强度因子和纤维形状因子。
经过整理，提出既适用于普通基体又适用于高强
基体，并可以与《混凝土结构设计规范》相衔接的双因
素、双参数线性回归模型：
!"#$"!#$（!#"$"）##$" （%）
!"#$，!#$为钢纤维混凝土受压极限强度和基体强度。
%&回归计算
与试验数据一同参与回归的还有：文［!%］中的--
组铣削异型钢纤维在普通基体下的试验数据，文［!-］
中的!’组圆直异型钢纤维在高强基体下的试验数据。
采用最小二乘法得到的结果如表%所示。
图% 预测水平分析
回归模型分析 表!
纤维品种
长径比
$"／%"
样本数
&
基体强度
因子"
钢纤维形状
因子#
模型误差
%
铣削异型 -3&! .- )&),% /&!(.（/&.,’） 3&,//（3&,.!）
剪切异型 3(&( 3’ )&)(/ /&/!(（.&-’3） 3&!’3（3&!(%）
圆直弓型 ’’&- 3. )&)’, 5)&),-（5)&%,’）-&3!%（-&3!-）
剪切直型 3’&% %3 )&!%) %&/!%（(&(),） -&3.%（-&’(’）
注：括号内数值为"4)&)(时的回归结果。
由以上分析可知，四种钢纤维按最小二乘原理所得
的基体强度因子均大于)，这说明等体积的钢纤维随基
体强度的提高其增强作用也有一定程度的提高。同时，
在保持模型误差基本不变的情况下，四种钢纤维可采用
同一偏低值的基体强度因子，最终简化结果见表-。
-&预测水平分析
图%为按表-取值的各种纤维预测水平分析，可
见，回归模型的符合性较好。
此外，将文［3］中对3(组剪切平直和剪切微扭直
型钢纤维混凝土的受压极限强度回归表达式转化为：
!"#$"!#$（!#)&)’$"）#’&)$" （%）
可见，与文中的回归结果符合较好。
五、钢纤维品种对极限强度的影响
从表%，-所示的试验结果分析可以看出，钢纤维
,’
回归系数 表!
纤维品种 铣削异型 剪切异型 圆直弓型 剪切直型
! !"!# !"!# !"!# !"!#
" $"%$ %"&’ !"!! #"#(
平均比值 ("!() !"%%# !"%%# !"%%*
变异系数 !"!#! !"!)& !"!)( !"!&%
的品种对钢纤维混凝土的立方体受压极限强度有较为
明显的影响。其中，两端带大头的剪切异型钢纤维和
两端带硬性弯钩的铣削异型钢纤维的增强效果最为明
显，这两种钢纤维的纤维形状因子也较大，而圆形截面
带弱性弯钩的圆直弓型钢纤维的增强效果最弱，纤维
形状因子也最小，剪切直型纤维居中。并且，对于试验
所研究的四种钢纤维，在不影响预测精度的情况下，可
以采用同一基体强度因子。由此可见，钢纤维外形对
极限强度的增强确有影响，改变其截面形状或在两端
增加硬性弯钩或大头对增强是有益的。
从总体强度来看，无论是普通基体还是高强基体，
钢纤维对受压增强作用的相对值都不十分显著［(+，(&］。
但对于高强基体下的剪切型和铣削型钢纤维，尤其是
带硬性弯钩或大头的，其增强作用的绝对值不宜忽视
（,*!基体、("’-体积掺率的剪切异型钢纤维可达
%"$./0）。建议对剪切异型、铣削异型钢纤维，采用同
一纤维形状因子"1$"’，对剪切和铣削的直型钢纤
维，取"1’"!，而对圆形截面纤维可不计其增强作用。
六、结论
（(）钢纤维高强混凝土，在保证其拌和及浇捣质量
的前提下，其受压极限强度与钢纤维体积掺率的关系
仍可以用线性关系来描述。为此，建议在高强混凝土
基本的配比设计中适当提高水泥用量，同时尽量不要
采用过高的钢纤维体积掺率。
（+）为使钢纤维混凝土受压极限强度的计算模型
能够适用各等级基体强度情况，尤其是在采用异型钢
纤维时，建议选用双因素、双参数模型，见式（+）。物理
意义明确，符合性较好。
（&）尽管总的来说钢纤维对受压增强作用的相对
值不大，但是从试验结果来看，对高强基体情况，尤其
是带硬性弯钩或大头的剪切型和铣削型钢纤维，其增
强作用的绝对值较大，不宜忽略。
（)）为简化起见，建议对剪切和铣削的异型钢纤
维，采用同一纤维形状因子"1$"’，对剪切和铣削的
直型钢纤维，取"1’"!，而对圆形截面纤维，则可不计
其增强作用。对此，由于所研究的纤维品种有限，宜作
进一步研究。
参 考 文 献
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)" 林小松，曹国娥?异型钢纤维增强磨细矿渣混凝土力学性能的试
验研究?河南科学，+!!+，+!（#）?
’" 赵顺波，孙晓燕，黄承逵?钢纤维高强混凝土基本力学性能试验
研究?水利学报，+!!+增刊?
#" 孙 伟?钢纤维混凝土的力学性能与强化机理的研究?见：纤维
混凝土的研究和应用论文集，大连理工出版社，(%%+?
*"V0T0B8W，>0X4<.O，Y74Z?9CH<;7050;@<583@8;3CE78F73@5<2F@7
E8G<55<82EC5;<MB8F7@[<8F7@0FF5<F0@<;C2;5<@<?,<H<2@\,C2;5<@<
,CHDC38@<3，+!!&，+’?
$" 卢康道，秦鸿根，孙 伟?钢纤维高强混凝土配合比试验设计方
法的研究?河南学院学报，+!!(，(#（+）?
%" 钢纤维混凝土结构设计与施工规程（,K,9&$：%+）?(%%+?
(!" 钢纤维混凝土试验方法（,K,9(&：$%）?(%$%?
((" 曾志兴，胡云昌?钢纤维轻骨料混凝土力学性能的试验研究?建
筑结构学报，+!!&，+)（’）?
(+" 铣削钢纤维混凝土承载特性及其应用（试验报告）?同济大学道
路与交通工程研究所，(%%#?
(&" 钢纤维高强混凝土施工技术指南（征求意见稿）?+!!&?
（上接第’’页）
行了多次的探讨和尝试，最终采用的实施方案切实可
行，张拉工艺成功。
四、结语
归结起来，横张预应力混凝土连续梁在简支梁基
础上进行了五点创新：(）将横张预应力技术应用于连
续梁中；+）将预应力束分成通长束和截断束，以适应中
边跨外载弯矩的不等；&）在同一预应力束中分区段采
用有粘结束和无粘结束；)）巧妙地借用横隔板将预应
力引起的竖向集中力传递给箱梁；’）设置单向定位件
达到逐跨张拉和调节各跨钢束预应力的目的。
工程实践表明，只要设计构思正确，施工工艺切实
可行，横张预应力技术可应用于连续梁中。当然，也还
存在一些问题，如：预应力束的最优布置、单向定位件
和转向件的改进、施工运营各阶段的受力性能研究、成
套张拉定位设备及配件的研制、张拉工艺的成熟。这
些都需要进一步的探索和实践。
参 考 文 献
("L82=]，Z4523O>?Q<38F2CED5<335<33<M;C2;5<@<3@54;@45<3（&5M
<M8@8C2），IC72[8B<T02M3C23，O<[]C5^，(%$(?
+" 周志祥?/_U,梁及其在通兴桥的应用?重庆交通学院学报，
(%%#，(’（’）?
&" 周志祥?预应力混凝土新技术探索?重庆交通学院学报，(%%%，($（)）?
)" 周志祥?预应力混凝土技术的应用研究?重庆交通学院学报，
(%%%，($（)）?
’" 张江涛?横张预应力技术在荥经大桥中的应用研究?硕士学位论
文，重庆交通学院，(%%%?
#" 重庆交通学院工程设计所?渝黔高速公路V!‘+(#?’!人行天桥
施工图?+!!!?
*" 胡晓伦?横张预应力混凝土连续梁桥的探索与实践?硕士学位论
文，重庆交通学院，+!!+?
$’
