碳纤维增强聚合物与钢板作为腹板加劲肋加固钢I型梁的对比研究及其结构性能提升

为解决钢I型梁腹板局部屈曲和承载力不足的问题，研究人员开展了CFRP（碳纤维增强聚合物）与钢板作为腹板加劲肋的对比研究。通过实验和有限元模拟发现，CFRP加劲肋使梁的承载力提升21.67%，且完全避免了压缩翼缘的局部失效，同时重量仅增加1.83%，显著优于钢加劲肋的增重9.15%。该研究为轻量化钢结构加固提供了高效解决方案，成果发表于《Next Materials》。

　　

在建筑工程领域，钢I型梁因其优异的力学性能被广泛应用，但长期服役后易出现腹板局部屈曲和承载力下降的问题。传统加固方法如焊接钢板虽有效，却会显著增加结构自重，且施工复杂。如何在不显著增加重量的前提下提升梁的承载能力，成为工程界亟待解决的难题。

印度D.Y. Patil工程技术学院土木工程系的Prashant Jagtap团队在《Next Materials》发表了一项创新研究，对比了碳纤维增强聚合物（CFRP）与钢板作为腹板加劲肋的加固效果。研究人员发现，采用5 mm厚的CFRP板对称粘贴于腹板两侧后，梁的承载力提升21.67%，而重量仅增加1.83%；相比之下，钢加劲肋虽使承载力提升35%，却导致9.15%的增重。更关键的是，CFRP加固完全消除了压缩翼缘的局部失效模式，且通过有限元分析验证了实验结果的可靠性（误差<8%）。这项研究为轻量化钢结构加固提供了新思路，尤其适用于对自重敏感的改造工程。

研究团队采用三项关键技术：1）基于ISLB-115钢梁（8.2 kg/m）的三点弯曲实验，通过200吨万能试验机（UTM）测定荷载-位移曲线；2）CFRP板与钢板的对比加固设计，分别采用环氧树脂粘接和焊接工艺；3）ANSYS非线性有限元模拟，建立包含残余应力的3D模型验证实验结果。

材料特性

钢梁（ISLB-115）与CFRP板（抗拉强度4200 MPa）的关键参数通过标准测试获取。CFRP由三层1.4 mm板叠加而成，采用特殊配比环氧树脂（Hinpoxy CAD）粘接。

实验与模拟结果

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  承载力（LCC）：CFRP加固梁达73 kN，较对照组（60 kN）提升显著，且与钢加固梁（81 kN）差异有限，但重量优势明显。

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  破坏模式：CFRP完全抑制了压缩翼缘屈曲（图8），而对照组出现典型局部失效。

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  弹性响应：加固梁破坏挠度增至13 mm（对照组6.6 mm），表现出更好的延性（图11）。

结论与展望

该研究证实CFRP加劲肋能以最小增重代价显著提升钢梁性能，其施工便捷性（无需焊接）和轻量化特性（密度1.6 g/cm³）使其成为传统钢加劲肋的理想替代方案。未来研究可拓展至其他截面形式和复杂荷载工况，以进一步验证CFRP在钢结构加固中的普适性。