高强混凝土腹开孔深梁的未加固与深层嵌入碳纤维复材加固性能研究：有限元分析与参数化探讨

本综述通过建立并验证非线性有限元（FE）模型，系统研究了高强混凝土（HSC）腹开孔深梁在未加固与深层嵌入（DE）碳纤维增强聚合物（CFRP）加固条件下的力学行为。研究揭示了混凝土强度、剪跨比（a/d）、开孔尺寸与位置对剪切承载力的显著影响，并首次探讨DE CFRP筋的加固效能与设计适用性，为工程实践提供了重要理论依据与设计参考。

　　

引言

混凝土深梁作为剪跨比（a/d）小于2.5的结构构件，在剪力较高而弯矩较低的情况下表现出复杂的荷载传递机制，其设计无法直接应用经典梁理论。当腹板中开设孔洞以容纳管线时，其力学行为进一步复杂化，尤其是孔洞会打断直接传力路径，导致剪切承载力显著下降。近年来，纤维增强聚合物（FRP）加固技术因其高效性与创新性受到广泛关注，其中碳纤维增强聚合物（CFRP）以其轻质、耐腐蚀和高抗拉强度成为传统钢筋的有效替代。深层嵌入（DE）FRP技术（亦称嵌入式断面（ETS）方法）解决了外贴（EB）和近表面安装（NSM）技术的部分局限，特别适用于梁腹板或翼缘受限的情况，且避免了耗时的表面处理。尽管如此，腹开孔深梁尤其是高强混凝土（HSC）深梁的力学行为尚未被完全掌握，DE CFRP筋在这一领域的应用研究仍属空白。

方法论

研究采用VecTor2软件建立非线性有限元（FE）模型，该软件基于修正压力场理论（MCFT）和扰动应力场模型（DSFM），并结合弥散、延迟旋转裂缝模型，能有效预测钢筋混凝土构件行为。模型验证依据Yang等人（2006）的实验数据，选用四节点平面应力矩形单元模拟混凝土，二节点桁架单元模拟钢筋，网格尺寸设为25毫米，以保证计算精度与效率。材料本构模型中，混凝土压缩行为采用Thorenfeldt等人（1987）提出的应力-应变曲线，适用于高强混凝土；拉伸行为采用双线性软化模型；钢筋模型包含弹性、屈服和硬化三阶段，且假设与混凝土完全粘结。

模型验证

FE模型在预测实验梁的极限荷载和跨中挠度方面表现出高度准确性，极限荷载预测比值的平均值为0.97，标准差为0.03；挠度预测比值的平均值为1.15，标准差为0.13。荷载-挠度曲线的初始刚度、开裂后行为及极限承载力均与实验结果吻合良好，表明模型能可靠模拟腹开孔深梁的结构响应，适用于后续参数化分析。

未加固梁行为研究

参数分析涵盖混凝土强度、剪跨比（a/d）、开孔尺寸和位置的影响。研究表明，混凝土强度从40 MPa提升至100 MPa可提高剪切承载力达45.5%（a/d=0.54）和32%（a/d=1.08），但增长率随a/d增大而降低。剪跨比从1.08增至2.7导致剪切承载力下降约50%，因传力路径延长、拱作用减弱。开孔面积与剪跨区面积之比（woa/ssa）增至0.33时，剪切承载力降低62.1%，之后下降趋缓，反映应力重分布趋于稳定。开孔水平位置距支座越远、垂直位置距梁底越高，剪切承载力越高，因孔洞对直接受压路径的干扰减小。

加固梁行为研究

采用DE CFRP筋（弹性模量130 GPa，抗拉强度2300 MPa）加固后，梁的剪切承载力显著提升，增幅最高达33.8%。增大CFRP筋直径（8毫米至12毫米）可进一步提升抗力，因更大直径筋更好地抑制裂缝开展。CFRP筋布置形式（数量与间距）也影响加固效果，但剪切承载力主要受拱作用主导，而非桁架机制。所有加固梁均表现出更高的开裂后刚度。

设计规范评估

对比TR55（2012）设计规范发现，其基于桁架类比的方法显著高估了CFRP筋的贡献（平均偏高2.57倍），因深梁中以拱作用为主，传力机制与细长梁不同。该比较突显了现有规范对腹开孔深梁加固设计的不足，亟需发展更精确的设计公式。

结论

本研究通过 validated FE模型系统探讨了腹开孔HSC深梁在未加固与DE CFRP加固下的结构行为，得出以下结论：FE模型能准确预测极限荷载；混凝土强度与a/d比显著影响剪切承载力；开孔尺寸和位置直接干扰传力路径，降低抗力；DE CFRP筋有效提升剪切承载力与刚度，其效果受筋直径与配置影响；现行设计规范TR55（2012）不适用于深梁加固设计，需进一步实验与研究以发展针对性指南。