《Engineering Structures》：Fabrication and axial compressive behavior of FRP tube-confined concrete core encased prestressed rebar (FCCC-PR) for marine structures
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•在FCCC概念的基础上，引入预加力和新型材料以提升构件和结构成员的性能。•提出了实用方法来模拟约束砂浆并表征波纹FRP管的约束行为。•FCCC-PR构件的轴向受压行为揭示了预加力水平和端部配置的作用。•所提出的构件表现出增强的强度、延性和约束效率，并确定了关键设计参数。引言
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在FCCC概念的基础上，引入预加力和新型材料以提升构件和结构成员的性能。
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提出了实用方法来模拟约束砂浆并表征波纹FRP管的约束行为。
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FCCC-PR构件的轴向受压行为揭示了预加力水平和端部配置的作用。
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所提出的构件表现出增强的强度、延性和约束效率，并确定了关键设计参数。
引言
纤维增强聚合物（FRP）复合材料凭借其卓越的比强度和优异的耐腐蚀性能，已成为土木工程中的变革性材料 [1], [2]。在其各种应用中，FRP约束混凝土或混凝土填充FRP管（CFFT）是最有效的方法之一。外部FRP复合材料（FRP片材或FRP管）不仅为混凝土提供横向约束，显著增强其抗压强度和变形能力，还作为防护屏障抵御环境侵蚀，从而提高结构的耐久性。在过去二十年间，大量实验项目和解析模型已严格验证了FRP约束混凝土的有效性 [3], [4], [5]，使其成为传统结构构件的有前景替代方案。这些优势在海洋、沿海及海上结构中尤为显著，在这些环境中，钢筋混凝土构件因持续不断的氯离子侵蚀和波浪作用而加速劣化。在这些恶劣环境中，采用FRP约束组件可大幅提升水下或飞溅区基础设施的承载能力，同时确保长期耐久性。
在实际应用中，FRP约束和混凝土很少采用简单的约束配置。相反，它们通常与钢筋、钢构件、FRP型材或其他材料相结合，形成具有增强性能的组合柱。为此，研究人员提出了多种组合柱形式。典型的结构形式包括FRP-混凝土-钢双层薄壁管柱 [6], [7], [8]，FRP钢筋增强混凝土管柱 [9], [10]，FRP拉挤型材增强CFFT（PPR-CFFT）柱 [11]，CFFT外包钢构件柱 [12], [13], [14]。大量实验和数值研究已证明，这些组合柱具有优异的整体力学和耐久性能，其中一些已应用于实际工程，验证了其工程可行性和长期可靠性。
然而，在实际受力工况下，这些组合柱内部应力分布不均严重削弱了其整体性能，并导致材料利用效率低下。先前的细观有限元模拟表明，截面形状（圆形或方形）和加载偏心会导致不同程度的应力不均匀性 [15]。这种轴向应力的不均匀性导致柱的整体性能低于预期。此外，不均匀应力引起混凝土的非均匀横向膨胀，从而在FRP材料中产生严重应力集中，导致其过早破裂。这些挑战促使研究人员从全截面约束转向局部高效约束策略，例如FRP约束多管混凝土柱 [16], [17], [18]。基于这一理念，如图1所示，作者提出了FCCC（FRP约束混凝土芯）概念，将约束材料集中在抗压需求最关键的区域，并将其应用于钢筋混凝土柱 [19], [20]、混凝土填充钢管（CFST）柱 [21], [22] 以及剪力墙边界构件 [23]。实验和解析结果表明，FCCC构件的采用显著改善了破坏模式并提升了结构成员的力学性能。此外，作者专注于FCCC构件，将其从第一代FCCC（FCCC-original，仅由FRP管和混凝土组成）发展到第二代FCCC（FCCC外包钢筋），如图1所示，并对轴向受压和剪切行为进行了系统研究 [19], [24]。
尽管FCCC和FCCC-R系统取得了成功，但仍存在若干局限性。第一代FCCC主要依赖被动约束，抗拉性能有限。虽然第二代FCCC-R通过引入纵向钢筋改善了抗拉性能，但FCCC与周围混凝土之间协同作用不足以及约束机制激活延迟，仍可能限制其在苛刻受力条件下的有效性。
为克服上述局限性，本研究提出第三代FCCC系统，即FRP管约束混凝土芯外包预应力钢筋（FCCC-PR），其中预应力钢筋采用慢黏结后张法施加预应力，如图2所示。与之前的代数相比，FCCC-PR引入两项关键创新：(1) 采用慢黏结预应力螺纹钢筋，主动预压砂浆芯，增强构件的初始刚度和抗裂性能；(2) FRP管的波纹结构配合石英砂涂层，旨在改善界面粘结并促进FCCC-PR与周围混凝土之间更有效的协同作用。通过主动预应力和增强界面约束的结合，FCCC-PR相比先前的FCCC系统实现了重大突破，为海洋、抗震和重载结构等苛刻应用提供了更优性能。这些创新实现了约束的更早激活、改善结构完整性并更有效地利用组成材料。为便于理解，表1总结了三代FCCC系统的关键特征、优势和局限性。
本研究的具体目标有四点：(1) 详细说明FCCC-PR的制作工艺，并评估慢黏结后张法在不同构件长度下的长期稳定性（长达1500小时）；(2) 建立高强砂浆的主动约束本构模型，并通过短砂浆试件轴向受压试验反推波纹FRP管的约束规律；(3) 研究FCCC-PR构件的轴向受压行为，明确量化预加力水平（0–15 MPa）和端部配置（全截面 vs. 仅砂浆受压）的影响；最后 (4) 提供经过验证的工程实施设计参数。综上所述，本研究将系统性地解决FCCC-PR的设计和制作挑战，为后续构件级研究奠定坚实基础。
章节摘要
FCCC-PR的制作与预应力施加
本节介绍了FCCC-PR的制作工艺和预应力施加。首先介绍构件材料和创新细节，随后介绍制造步骤，接着描述预应力施加和实时监测，最后报告长期预应力损失结果。
约束砂浆和波纹FRP管的材料行为
FCCC-PR构件集成了三种新型材料：无骨料高强砂浆、波纹FRP管和慢黏结螺纹钢筋。高强砂浆中不含粗骨料，改变了约束条件下的力学响应 [27], [28], [29]，因此需要严格研究。波纹FRP管的约束行为也值得研究，因为其一方面纤维结构不均匀，另一方面其半径与壁厚之比
试件设计与试验矩阵
共测试了六组试件以获得FCCC-PR构件的轴向受压行为。试验参数包括预加力水平和端部配置。这些参数的选择旨在提供制造FCCC-PR所需的必要设计参数。对于预加力水平，施加于砂浆的名义预压应力设定为0、7.5和15 MPa。对于端部配置，采用两种条件：全截面受压（标记为F）和仅砂浆
结论
本文介绍了采用新型慢黏结后张法、波纹FRP管和高强砂浆的第三代FCCC-PR的制作工艺和轴向受压行为。共进行了三组实验，分别针对预应力损失、组成材料行为和整件性能。得出以下结论：
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所提出的利用螺纹钢筋和螺母的慢黏结后张法成功产生了稳定的预应力
CRediT作者贡献声明
李智远：撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，数据管理，概念化。杨家奇：撰写 – 审阅与编辑，监督，资助获取。冯鹏：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，资助获取。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（编号 52508287、52378207和51973789）的支持。本工作还得到新基石科学与探索者奖的支持。
李智远|杨家奇|冯鹏
