0 引　言

目前，传统浮式防波堤采用混凝土全钢筋结构，有重量大、耗材多、价格高等缺点^{[1 - 3]}。卿龙邦等^[4]基于理论分析和数值模拟，研究了钢纤维对水泥基复合材料裂纹尖端应力强度因子的影响，对不同钢纤维体积率的三点弯曲缺口梁进行了断裂试验，研究了钢筋混凝土结构的破坏模式。浮式防波堤主体结构采用钢筋混凝土材质，当混凝土在外荷载作用下出现裂缝时，海洋环境下的钢筋存在锈蚀风险，严重影响结构的耐久性。因此，找到一种高强度、刚度且抗腐蚀材料的需求日益迫切，然而绝大部分满足需求的材料为金属材料，此类金属材料并不适用于海上工程，但玄武岩纤维材料已经在建筑、交通、军事上有了很广泛的应用，且效果良好，将其应用在海上工程^[5]，优化防波堤结构有着巨大潜在应用价值。

玄武岩诞生于火山岩，作为一种新型的绿色环保材料^[6]，强度高、压碎值低，可制作增强复合材料，掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度^[7]。Mohanavel等^{[8 - 9]}通过研究了钢丝网水泥板在四点加载和落锤冲击下的受弯性能，发现玄武岩纤维的掺入提高了材料的抗弯强度和能量吸收能力。Eslami等^[10]采用手糊法制备了薄铺层碳纤维和玄武岩纤维3种铺层顺序的混杂复合材料，研究温度对薄铺层单向碳-玄武岩纤维/环氧树脂混杂复合材料弯曲和冲击性能的影响。冲击试验结果表明，随着温度的升高，吸收的能量值降低，但更多分层可以具备更高的吸收能量值。因此，本文研究玄武岩筋混凝土结构浮式防波堤与传统浮式防波堤破坏模式区别，以及采用单层玄武岩网格和双层玄武岩网格是否有助于提升极限强度，改善传统浮式防波堤的失效模式。

然而，当前玄武岩材料的应用仅是在军事工程、市政建筑、建筑材料和交通运输等^{[11 - 17]}领域，简而言之，只在陆上工程有所涉及，将其与浮式防波堤相结合，应用于风浪流环境下作业还处在探索阶段，并没有相关的试验和工程案例，玄武岩材料是否能承受载荷、达到变形协调还未得到验证。综上，本文重点研究玄武岩材料应用于浮式防波堤的可行性，根据加载仪器尺寸极限长度为5 m，确定采用1∶20的相似比，通过几何相似和抗弯能力相似制作了4组模型，1号钢筋混凝土主体结构；2号玄武岩筋混凝土主体结构；3号单层玄武岩网格主体结构；4号双层玄武岩网格主体结构，通过静载试验研究其失效模式，为浮式防波堤增强抗腐性能提出一种合理方法。

1 玄武岩混凝土组合结构浮式防波堤设计

本文采用如图1和图2所示的防波堤主体构型，该主体断面采用上窄下宽的翼状箱型结构。传统的箱型梁采用钢筋混凝土材质，当混凝土在外荷载作用下出现裂缝时，海洋环境下的钢筋存在锈蚀风险，严重影响结构的耐久性。为此，本文提出了2套方案：1）在钢筋混泥土中用玄武岩筋替代钢筋；2）采用玄武岩纤维网对钢筋混凝土梁箱型梁进行加强方案。

玄武岩纤维筋（Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP）是以玄武岩连续纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，掺入适量辅助剂，经拉挤成型技术和表面处理形成的一种新型复合材料，具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等特点。将玄武岩纤维筋替代钢筋用于混凝土结构之中，对提高结构的承载力、减轻结构自重以及改善结构防腐耐久性能等方面有显著效果。为验证玄武岩纤维筋替代钢筋用于混凝土结构后，对浮式防波堤主体结构的抗弯性能的改善效果，评估玄武岩材料应用于实际浮式防波堤主体结构的可行性，通过简支梁静载弯曲试验，探究钢筋混凝土主体结构和玄武岩材料主体结构的抗弯性能。主要针对以下受弯性能开展研究：1）钢筋混凝土主体结构、玄武岩筋混凝土主体结构、玄武岩纤维网加强的钢筋混凝土主体结构的挠度-荷载曲线特征；2）钢筋混凝土主体结构、玄武岩筋混凝土主体结构、玄武岩纤维网加强的钢筋混凝土主体结构的抗弯开裂性能。

由于防波堤原型为翼状箱型结构，且其中配筋情况较为复杂，为尽量保证缩尺模型与原型的相似性，本试验考虑以下2条相似准则：1）几何相似；2）抗弯强度相似。图3(a)为防波堤主体结构的断面图，上宽为44 m，下宽为50 m，高为8 m，长为75 m，厚度为25 cm。考虑的翼型结构主要作用在减少上浪，且开展静载试验的目的是为了研究玄武岩纤维材料的力学性能，规则的几何结构更具有普适性。因此将图3(a)模型简化成图3(b)进行试验研究。

考虑到本实验采用的反力架尺寸为6 m×3 m×5 m，因此将几何相似比定位为1∶20，则箱型梁模型上宽为2.2 m，下宽为2.5 m，高为0.4 m，长为3.75 m，这里长度取整为4.0 m；厚度采用几何比尺为1∶5，则箱型梁模型各板厚均取5 cm。在设计结构配筋及其梁板结构的厚度时，采用抗弯能力相似准则设计。

本试验模型缩尺采用抗弯刚度相似准则，因此需要通过式(1)进行模型与原型结果的对照。对整个截面的抗弯力矩累加，即可得到总的抗弯力矩。

$ \varepsilon $与截面弯矩和惯性矩I、弹性模量E的关系为：

$ \varepsilon {\text{ = }}\frac{M}{{EI}}y 。$

(1)

在弯曲梁的情况下，与中性轴距离为y点的应变$ \varepsilon $与梁曲率$ k $之间的关系可表示为：

$ \sigma = E \cdot \varepsilon {\text{ = }}E \cdot \frac{M}{{EI}}y = \frac{M}{I}y 。$

(2)

根据试验需要，设计3组缩尺模型。L₁为钢筋混凝土模型；L₂为玄武岩筋混凝土模型；L₃为玄武岩纤维网增强的钢筋混凝土模型。以上3个模型具有相同的截面和配筋。试验采用2点对称加载，在对称集中荷载F作用下，受力点与支座之间为剪弯段，2个受力点之间为纯弯段，如图4所示。

对于本试验，2个对称荷载值F与纯弯段的弯矩值M存在如下关系：

$ M = F \cdot L 。$

(3)

原型配筋为双层配筋，为了简化模型，在模型中壁板统一采用单层配筋，布置在壁板中间位置，剪弯段加配箍筋防止剪坏，箍筋间距取100 mm，纯弯段不受剪力故不设置防剪箍筋。L₃试件玄武岩纤维网铺设在顶底板外侧保护层中间位置，最终通过配筋达到抗弯相似。原型与模型的截面受力筋配筋情况见表1。

2 实验方法 2.1 测量仪器

本文共浇筑了4组浮式防波堤主体结构，分别为钢筋混凝土主体结构、玄武岩筋混凝土主体结构、单层玄武岩网格主体结构、双层玄武岩主体结构。试验中混凝土设计强度为C50，采用的受力钢筋为直径为10 mm的HRB500级钢筋，屈服强度不低于500 MPa；箍筋采用直径为6 mm的HPB300级钢筋，屈服强度不低于300 MPa。试验机采用江苏科技大学重装实验室大型加载试验系统，能够进行静载试验，利用其垂向作动器，量程为400 t（超过抗弯梁抗弯极限强度），作动器精度达到1%。反力架尺寸为6 m×3 m×5 m，可以针对长度5 m的梁开展抗弯性能试验。图5为本试验拟采用的大型加载试验系统。支座设计如图6所示。该试验系统配备试验所需的测量仪器，配置裂缝检测仪与应变仪等相关测量仪器。图7为试验相关测试设备。

2.2 加载设计

标准载荷（即正常使用载荷）P_k为试验荷载分级的依据，计算式为：

$ {P_k} = \frac{R}{{{\gamma _0}{\gamma _u}\left[ {{\gamma _u}} \right]}}。$

(4)

式中：$ {\gamma _0} $为结构重要性系数，可取1.0；$ {\gamma _u} $为平均分项系数；$ \left[ {{\gamma _u}} \right] $为构件承载力检验系数允许值，取1.2；对于本受弯试件，$ {\gamma _0}{\gamma _u}\left[ {{\gamma _u}} \right] $可取1.5。R为结构抗力，即极限载荷。

根据经验公式估算标准载荷P_k，玄武岩筋混凝土结构P_k为98 t，钢筋混凝土结构P_k为152 t，以标准载荷P_k作为依据设计分级加载过程。依据图8(a)所示的静载试验加载程序，首先进行预加载（可使试件各部位接触良好，进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定；另外，预载可以检验全部试验装置与观测仪表的正常与否），荷载最大值为0.6P_k，分两级加载，之后卸载至0.2P_k；然后进行标准载荷的分级加载过程（验证正常使用极限状态下的结构的刚度及裂缝开裂情况），荷载从0.2P_k，依次增加至0.4P_k、0.6P_k、0.8P_k、1.0P_k，相邻级间间歇约15 min，达到满载后持续30 min以上，之后分两级卸载至0.2P_k；空载50 min，进行极限载荷的分级加载（确定承载能力接线状态下结构的极限承载能力），初始载荷增加量为0.2P_k，随后每级载荷增量逐渐减小至0.1P_k，至结构完全破坏，每级间歇时间设置为10～15 min。试验过程中保持录像，记录试验数据。加载实况如图8(b)所示。

2.3 试验记录

试验过程中试样出现裂缝，对于裂缝观测的方法如下：

1）首先用目测对结构构件进行观察，确定裂缝的形态和走向。

2）采用裂缝观测仪量测裂缝宽度。测量时取与裂缝走向平行的裂缝区段测定，一般应选3条目估最大裂缝测量，取其中最大值为最大裂缝宽度。垂直裂缝的宽度应在结构构件的侧面相应于主筋高度处测量，斜裂缝的宽度应在斜裂缝与箍筋或斜裂缝与弯起钢筋交汇处量测。裂缝宽度数据应量取至0.01 mm。

3）记录裂缝观测数据，绘制裂缝的位置、形态和尺寸状态图。绘制状态图时应对需要观测的裂缝应统一进行编号。每条裂缝至少应布设2组观测标志，一组在裂缝最宽处，另一组在裂缝末端。

3 试验结果与分析 3.1 极限强度

通过表2和图9(a)～图9(d)载荷位移曲线，发现玄武岩筋替代钢筋对箱型梁的承载力有明显负面效果，极限载荷从160 t降低到108 t，降幅超过30%。钢筋梁极限承载力为160 t，其较高的承载力表明，钢筋作为传统增强材料，在抗拉强度和结构整体性方面表现优异，能够有效承担较大荷载。玄武岩筋梁极限承载力为108 t，为4种梁中最低，这一结果表明，玄武岩筋作为纤维增强材料，尽管具有轻质、耐腐蚀等优点，但其抗拉强度和与混凝土的粘结性能可能较弱，导致整体承载力较低。单层网格梁极限承载力为149 t，介于钢筋梁与玄武岩筋梁之间。单层网格结构在一定程度上优化了荷载分布，但其承载力仍低于钢筋梁，表明单层网格在结构刚度和材料利用率方面存在一定局限性。双层网格梁极限承载力为167 t，为4种梁中最高。双层网格结构通过增加网格层数显著提高了整体刚度和荷载分布效率，其承载力甚至超过了传统钢筋梁，表明其在结构优化和材料性能利用方面具有显著优势。

3.2 裂纹大小及数量

1号箱型梁（钢筋）在加载到520 kN时，采用位移加载，当裂宽大于0.4 mm时，视为混凝土完全破坏，不再记录裂纹宽度，极限载荷1600 kN，该模型的最大裂宽0.435 mm，如图10所示。裂纹发展图以800、1000、1200、1600 kN分级绘制如图11所示。

2号箱型梁（玄武岩筋）在加载到520 kN时，采用位移加载，当裂宽大于0.4 mm时，视为混凝土完全破坏，不再记录裂纹宽度，极限载荷1080 kN，该模型的最大裂宽0.408 mm，如图12所示。裂纹发展图以800、1000、1200、1600 kN分级绘制如图13所示。

3号箱型梁（单层网格）在加载到840 kN时，采用位移加载，当裂宽大于0.4 mm时，视为混凝土完全破坏，不再记录裂纹宽度，极限载荷1490 kN，该模型的最大裂宽0.449 mm，如图14所示。由于在920 kN时，裂纹已经达到最大，裂纹发展图以800、1000、1200 kN分级绘制如图15所示。

4号箱型梁（双层网格）在加载到800 kN时，采用位移加载，当裂宽大于0.4 mm时，视为混凝土完全破坏，不再记录裂纹宽度，极限载荷1600 kN，该模型的最大裂宽0.408 mm，如图16所示。裂纹发展图以800、1000、1200、1600 kN分级绘制如图17所示。

通过系统的静载试验，获得了大量关于玄武岩混凝土组合结构浮式防波堤力学性能的数据。依据图18、图19，纯钢筋材料在载荷范围为 720～1040 kN 的条件下，变形量从 0.095 mm 增加到 0.435 mm。实验结果表明，纯钢筋材料在较低载荷下即表现出较大的变形量，且随着载荷的增加，变形量的增长速率较快。纯钢筋材料的刚度较低，在承受载荷时更容易发生变形。玄武岩筋材料的载荷范围为 640～800 kN，其变形量从 0.109 mm 增加到 0.408 mm。与其他材料相比，玄武岩筋材料在相同载荷条件下的变形量显著更高，表明其刚度较低。实验数据显示，玄武岩筋材料在较低载荷下即表现出较大变形，这可能限制了其在高载荷条件下的应用。双网格材料在载荷范围为 640～1320 kN 的条件下，其变形量从 0.068 mm 增加到 0.408 mm。实验数据显示，随着载荷的逐步增加，双网格材料的变形量呈现出较为线性的增长趋势。这表明双网格材料在承受较高载荷时仍能保持相对稳定的力学性能，具有较高的刚度和承载能力。单网格材料的载荷范围为 680～1080 kN，其变形量从 0.068 mm 增加到 0.408 mm。与双网格材料类似，单网格材料的变形量也随载荷的增加而逐渐增加。然而，在相同载荷条件下，单网格材料的变形量略低于双网格材料，表明单网格材料可能具有更高刚度。

3.3 试验结果

1）纯钢筋材料。在720～1040 kN的载荷范围内，变形量从0.095 mm增加到0.435 mm。纯钢筋材料在较低载荷下即表现出较大的变形，且变形速率随载荷增加较快，表明其刚度较低，容易发生变形。

2）玄武岩筋材料。在640～800 kN的载荷范围内，变形量从0.109 mm增加到0.408 mm。玄武岩筋材料在相同载荷条件下的变形量显著高于其他材料，表明其刚度较低，可能不适用于高载荷条件。

3）双网格材料。在640～1320 kN的载荷范围内，变形量从0.068 mm增加到0.408 mm。双网格材料的变形量随载荷增加呈线性增长，表现出较高的刚度和承载能力，适合承受较高载荷。

4）单网格材料。在680～1080 kN的载荷范围内，变形量从0.068 mm增加到0.408 mm。单网格材料的变形量略低于双网格材料，表明其刚度可能更高，但仍需进一步研究其在高载荷下的表现。

4 结　语

本研究通过系统的静载试验，对玄武岩混凝土组合结构浮式防波堤的失效模式进行了全面评估。本文通过对4组模型进行静载试验研究了玄武岩混凝土组合结构浮式防波堤的失效模式，重点研究了玄武岩筋对比传统钢筋失效模式的优劣以及增加玄武岩网格对结构失效模式起到的作用，得出以下结论：

1） 双网格和单网格材料具有较高的刚度，其变形量相对较小。

2）纯钢筋和玄武岩筋材料的刚度较低，变形量较大。双网格和单网格材料在较高载荷下仍能保持较小的变形，表现出优异的承载能力；相比之下，纯钢筋和玄武岩筋材料在较低载荷下即表现出较大变形，其承载能力相对较弱。

3）双层网格梁在极限承载力方面表现最优，适合高荷载应用场景，其结构设计在提升承载力方面具有显著潜力。

4） 优化玄武岩材料布置和混凝土强度可显著提高结构的整体性能。