《Polymers》：Experimental and Analytical Evaluation of Strengthening Techniques for Ultra-High-Performance Concrete Circular Columns
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本研究开展了一项试验研究，旨在评估四种加固方案对圆形钢筋混凝土(RC)柱的加固效果。试验柱采用超高性能混凝土(UHPC)浇筑，共制作10根RC柱，分为五组，其中包含四种加固方案，均在轴心受压条件下进行测试。第一组(G1)为未加固试件(对照组)。第二组(G2)采
本研究开展了一项试验研究，旨在评估四种加固方案对圆形钢筋混凝土(RC)柱的加固效果。试验柱采用超高性能混凝土(UHPC)浇筑，共制作10根RC柱，分为五组，其中包含四种加固方案，均在轴心受压条件下进行测试。第一组(G1)为未加固试件(对照组)。第二组(G2)采用两层碳纤维增强聚合物(CFRP)布与4根直径12 mm的近表面嵌入式(NSM)钢筋进行加固。第三组(G3)采用三层CFRP布进行加固。第四组(G4)采用3 mm厚钢管进行柱套箍加固。第五组(G5)采用UHPC套箍加固，套箍内配置三层焊接钢丝网(WWM)和4根直径8 mm的纵向钢筋。所有方案中CFRP层的纤维均沿环向布置。试验结果表明，所有加固方案均显著提高了极限荷载(提高幅度为30%至69%)和初始刚度(最高提高130%)。其中，G5加固方案(UHPC套箍配WWM和4根直径8 mm钢筋)在提高承载力和刚度方面效果最为显著，而CFRP缠绕加固(G3)在不增大柱截面尺寸的前提下，实现了强度与延性的优异平衡，并保持了峰值后的完整性。
论文解读文章
一、研究背景与意义
钢筋混凝土(RC)结构在长期服役过程中，可能因结构老化、混凝土劣化、建筑使用功能改变、设计缺陷、钢筋腐蚀以及施工误差等多种原因而出现承载力不足的问题。对既有RC结构进行加固，相较于拆除重建具有显著优势，不仅能够节约时间、资金和材料资源，还能降低建筑行业的整体碳足迹，是一种更具可持续性的工程策略。在过去三十年间，研究者们致力于开发有效的RC柱加固方法，这些方法不仅要提高结构的强度、延性和变形能力，还需兼顾施工成本与难度、对建筑正常使用的影响、结构美观性、长期耐久性以及施工安全性等多方面因素。
早期加固方法如钢管套箍和混凝土外包层，通过增大柱截面尺寸来提升结构性能。然而，研究者们逐渐认识到，开发对构件几何尺寸改动更小、同时能有效提高强度的加固技术更为重要。超高性能混凝土(UHPC)作为一种先进的水泥基材料，具有优异的力学性能，但其脆性是需要解决的关键问题，通常通过掺入钢纤维来改善。纤维增强聚合物(FRP)已被公认为传统加固方法的有力替代方案，其中碳纤维增强聚合物(CFRP)在过去三十年中成为混凝土柱加固的主流选择。
尽管CFRP约束、NSM钢筋、钢管套箍以及混凝土/UHPC套箍等技术已被分别研究，但已有研究多基于不同的柱几何尺寸、混凝土强度、配筋细节和加载条件，缺乏在相同试验条件下的系统性对比。特别是针对既有UHPC柱的加固研究证据仍然有限，不同加固机理对UHPC柱强度、刚度、延性、能量吸收和破坏机制的影响尚未得到充分认识。为此，本研究在受控条件下对四种代表不同加固机理的策略进行了系统对比，旨在揭示不同加固机理对UHPC柱轴压性能的影响规律，并评估简化解析方法预测其轴压承载力的可行性。
二、研究内容与主要结论
研究人员制作了10根直径150 mm、高度600 mm的圆形RC柱，采用UHPC浇筑，分为五组进行轴心受压试验。第一组(G1)为未加固对照组；第二组(G2)采用4根直径12 mm的NSM钢筋配合两层CFRP布加固；第三组(G3)采用三层CFRP布加固；第四组(G4)采用3 mm厚钢管套箍加固；第五组(G5)采用UHPC套箍配三层焊接钢丝网(WWM)和4根直径8 mm纵向钢筋加固。试验结果表明，所有加固方案均显著提高了极限荷载(提高30%至69%)和初始刚度(最高提高130%)。G5方案在提高承载力和刚度方面效果最佳，而CFRP缠绕加固(G3)则提供了强度与延性的最佳平衡，且不增加柱截面尺寸，保持了峰值后的完整性。
三、关键技术方法
本研究采用的关键技术方法包括：其一，UHPC材料制备，采用水泥、微硅粉、碎砂、钢纤维、超塑化剂和水按特定比例配制，水胶比约为0.15，钢纤维体积掺量为1%；其二，四种不同的柱加固技术，即NSM钢筋配合CFRP缠绕加固、纯CFRP缠绕加固、钢管套箍加固(采用3 mm厚钢管与灌浆料填充)以及UHPC套箍配WWM和纵向钢筋加固；其三，轴心受压试验方法，采用10,000 kN万能试验机以0.5 mm/min的恒定位移速率加载至破坏，通过压缩仪和应变片分别监测轴向变形和应变响应；其四，解析分析方法，分别采用ACI 318-25规范、ACI 440.2R-17指南以及Mander等人提出的约束混凝土模型计算各组的峰值荷载，并与试验结果进行对比验证。
四、研究结果
破坏模式。 未加固的控制柱(U-C)发生混凝土压碎和突然脆性破坏。G2柱(U-CFRP-NSM)在中部三分之一处发生破坏，CFRP布出现明显的退化与环状断裂。G3柱(U-CFRP)表现出与G2柱相似的破坏模式，但破坏过程相对缓和，CFRP布环状断裂导致约束逐渐丧失。G4柱(U-SJ)因核心混凝土膨胀对钢管壁产生向外压力，导致钢管焊缝处断裂。G5柱(U-WU)的破坏由WWM断裂和UHPC套箍在试件中部附近开裂引起。
荷载-位移响应。 控制柱在2075 kN时发生脆性破坏。G2柱极限荷载达2739 kN，较控制柱提高32.0%，但破坏模式仍为突然跌落。G3柱极限荷载达3224 kN，提高55.4%，表现出更好的峰后延性。G4柱极限荷载达3254 kN，提高56.8%，但峰后响应延性不如CFRP约束柱。G5柱极限荷载最高，达3548 kN，较控制柱提高70.9%，但达到峰值时的位移很小(0.48 mm)，随后发生突然且剧烈的破坏。按峰值荷载提升效率排序为：UHPC套箍配WWM和钢筋 > 钢管套箍 > CFRP套箍 > CFRP套箍结合NSM钢筋。在能量吸收方面，U-CFRP柱的总能量吸收最高(3073 kN·mm)，约为控制柱的5倍，按峰值荷载归一化后，U-CFRP和U-CFRP-NSM柱分别达到0.96 mm和0.49 mm，而控制柱仅为0.29 mm，表明CFRP约束在改善变形和峰后响应方面效果更为显著。
柱刚度。 G2和G3柱的初始刚度与对照柱相比无明显变化，因为较薄的CFRP层在初始加载阶段尚未发挥作用。G4和G5柱的初始刚度显著提高，U-SJ和U-WU柱分别较对照柱提高107%和130%。U-WU柱获得最高初始刚度，主要归因于UHPC套箍系统以高弹性模量材料包裹原试件，显著增大了有效截面面积。
荷载-应变曲线。 随着轴压增大，核心混凝土开裂引起径向膨胀，对约束材料产生侧向压力。U-CFRP柱在所有试件中表现出最高的应变水平，表明CFRP加固在破坏前提供了比其他方案更有效的约束，这与该组柱的高延性和高能量吸收特性一致。
五、解析分析与讨论
研究人员采用ACI 318-25规范计算未加固柱的轴压承载力，采用ACI 440.2R-17指南计算CFRP约束柱的承载力，采用Mander等人的模型计算钢管和WWM约束混凝土的强度，并采用叠加法估算UHPC套箍柱的承载力。解析预测与试验结果的对比表明：对G1组预测误差约为5%，G2和G4组预测误差约为4%，G3和G5组预测误差约为10%。G5组的解析峰值荷载为3923 kN，试验值为3516 kN，高估约11.6%，这在一定程度上归因于公式(10)对原柱与UHPC套箍贡献的简化叠加处理，未明确考虑两者之间的复杂相互作用和荷载分担机制。总体而言，预测值与试验峰值承载力之间具有合理的一致性。
六、研究结论
基于本试验研究结果，得出以下主要结论：(1) CFRP在U-CFRP-NSM和U-CFRP柱中提供了有效的侧向约束，将破坏模式从突然的脆性压碎转变为更具延性的响应，改善了峰后行为并增强了柱在达到峰值荷载后的完整性。(2) 各种加固方案显著提高了极限荷载，提高幅度为对照柱的30%至69%。(3) G4和G5柱的初始刚度显著提高，U-SJ和U-WU柱分别较对照柱提高107%和130%，表明增强截面面积和组合作用的加固技术对提高初始刚度最为有效。(4) 就综合效率而言，G5柱采用的加固方案(UHPC套箍配WWM和4根直径8 mm纵向钢筋)在提高承载力和刚度方面最为有效，但CFRP缠绕加固(G3柱)因在不增大柱截面尺寸的前提下提供了优越的承载力、延性以及峰值后完整性，仍是优选方案。(5) 简化解析方法能够以4%至10%的误差预测各加固柱的峰值轴压承载力。
