高性能混凝土柱配碳纤维筋和箍筋在偏心受压荷载下的实验与非线性有限元研究

《Structures》：Experimental and nonlinear finite element investigation of high-performance concrete columns reinforced with carbon fiber bars and ties under eccentric compression loading

　　摘要
高强混凝土在高性能桥梁、隧道及预制结构中的应用日益广泛。然而，针对碳纤维增强聚合物筋（含纵筋和箍筋）增强高强混凝土柱性能的研究仍然有限。本研究考察了碳纤维增强聚合物纵筋和箍筋增强高强混凝土柱在偏心受压荷载下的结构性能。采用含8%硅灰和高效减水剂的M50级高强混凝土浇筑了六根全尺寸柱，尺寸为150×150 mm，高度为1200 mm。研究参数包括配筋类型（钢筋或碳纤维增强聚合物筋）、箍筋直径和间距。与选定的钢筋增强参考试件相比，碳纤维增强聚合物筋增强柱的极限偏心荷载能力平均提高了42.53%，提高幅度取决于横向配筋构造。碳纤维增强聚合物筋增强柱在极限轴向位移方面比选定的钢筋增强参考试件提高了10.12%，能量吸收能力提高了65.7%。碳纤维增强聚合物筋增强柱的延性指数在1.001（φ6@150）至1.19（φ8@100）之间。这些结果表明，充分的横向约束对于改善碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱的延性至关重要。此外，碳纤维增强聚合物筋中记录的平均最大应变未超过其极限应变的73.34%。与钢筋增强相比，碳纤维增强聚合物筋增强还提供了更好的裂缝控制，裂缝更窄。采用ABAQUS进行非线性有限元分析，模拟了试验柱的结构响应。数值结果在极限承载力、荷载-位移响应和破坏模式方面与试验结果吻合良好。同时，将解析法和规范预测模型与试验结果进行了对比。研究结果证实，碳纤维增强聚合物筋增强可显著改善高强混凝土柱在偏心受压下的性能，为传统钢筋增强提供了一种有前景的替代方案，具有相当或更优越的结构性能。

引言
高强混凝土柱因其优越的力学性能、增强的耐久性和对侵蚀性环境条件的改善抵抗能力，在现代基础设施中得到越来越广泛的应用[1，2]。然而，传统钢筋混凝土柱的长期性能仍然极易受到钢筋锈蚀的影响，特别是在海洋环境、桥梁和化学暴露结构中[3，4]。这一挑战促使研究人员探索能够同时改善耐久性和结构效率的替代性非腐蚀性增强材料[3，5]。在现有替代材料中，碳纤维增强聚合物筋因其高抗拉强度、低密度、耐腐蚀性和优异的疲劳性能而成为最有前景的解决方案之一[6]。

近年来，纤维增强聚合物筋作为压缩构件中传统钢筋增强的替代品引起了广泛关注。与钢筋不同，纤维增强聚合物筋在破坏前呈现线弹性行为，并具有较高的强度重量比，这显著影响了钢筋混凝土柱在轴心和偏心加载条件下的结构响应[7，8，9，10]。因此，理解碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱在偏心受压下的性能已成为结构安全和设计优化的重要研究课题。

以往的试验研究表明，纤维增强聚合物筋增强混凝土柱在偏心加载条件下可以获得令人满意的结构性能。例如，Fathi等人[5]研究了玻璃纤维增强聚合物筋增强纤维混凝土柱在偏心加载下的行为，并报告称与传统的增强体系相比，纤维增强聚合物筋增强有助于提高承载能力和裂缝控制。尽管该研究使用了玻璃纤维增强聚合物筋，但关于偏心加载行为的发现与碳纤维增强聚合物筋增强柱相关，因为两种筋材都表现出线弹性行为而无屈服。作者还强调，偏心距水平强烈影响纤维增强聚合物筋增强柱的刚度退化、变形行为和破坏机制。类似地，Hadhood等人[11]研究了内部用碳纤维增强聚合物筋增强的圆形高强混凝土柱在轴向和偏心加载下的行为。他们的结果表明，碳纤维增强聚合物筋增强柱在破坏前实现了显著的荷载抗力，并表现出稳定的结构行为。然而，该研究还指出，与钢筋增强柱相比，碳纤维增强聚合物筋增强中缺乏屈服可能导致相对脆性的破坏。这些发现强调了约束和配筋构造细节在改善纤维增强聚合物筋增强压缩构件延性和整体性能方面的重要性。

碳纤维增强聚合物约束在改善偏心受压混凝土柱性能方面的有效性也已被广泛报道。Yang等人[12]研究了用碳纤维增强聚合物布约束的矩形高强混凝土柱在偏心加载下的行为，观察到强度、刚度和变形能力的显著改善。研究人员得出结论，碳纤维增强聚合物约束延缓了裂缝扩展，减少了混凝土过早压碎，从而提高了结构性能。

最近，Jaitrong和Thongchom[13]评估了外贴碳纤维增强聚合物约束的玻璃纤维增强聚合物筋增强混凝土柱在轴心和偏心加载条件下的行为。他们的研究表明，碳纤维增强聚合物约束显著提高了轴向承载力，减少了横向变形和裂缝发展，特别是在偏心加载试件中。Liang等人[14]也报告了类似的观察结果，他们研究了碳纤维增强聚合物部分约束混凝土柱在偏心受压下的行为，发现碳纤维增强聚合物约束有效减少了保护层剥落，并在加载过程中提高了约束效率。

除约束效应外，一些研究人员还考察了碳纤维增强聚合物体系在偏心加载条件下的结构行为和加固效率。Othman和Mohammad[6]报告称，与传统的钢筋增强柱相比，碳纤维增强聚合物筋增强混凝土柱表现出改善的耐久性能和更小的裂缝宽度。同样，Yu等人[15]证明，碳纤维增强聚合物加固技术显著提高了偏心加载钢筋混凝土柱的承载力，并延缓了损伤发展[15，16]。碳纤维增强聚合物筋与混凝土之间的粘结相互作用是影响纤维增强聚合物筋增强柱响应的另一个关键参数。Zhao等人[17]研究了埋入混凝土中的碳纤维增强聚合物筋和玻璃纤维增强聚合物筋的粘结性能，并得出结论，当实现适当的表面特性和锚固条件时，纤维增强聚合物筋可以提供可靠的应力传递机制。该研究进一步证实，粘结行为在控制加载下的裂缝分布和结构完整性方面发挥着重要作用。

除纤维增强聚合物筋增强混凝土柱外，钢管混凝土组合体系作为改善混凝土柱在各种加载条件下性能的有效手段已被广泛研究。最近的研究考察了高强混凝土填充不锈钢管梁柱的结构性能和抗力，证明了在承载能力和延性方面的显著增强[18]。高强混凝土填充高强钢管短柱在组合受压和受弯作用下的火灾后行为和剩余承载力也得到了研究，强调了组合设计中耐火性的重要性[19]。此外，还对偏心加载的圆形再生骨料混凝土填充不锈钢管短柱的行为，以及再生骨料混凝土填充不锈钢管短柱在组合受压和受弯作用下的试验和数值性能进行了研究，表明在钢管混凝土柱中掺入再生骨料混凝土是可行的，并且在合理设计时可以获得令人满意的结构性能[20，21]。这些研究证实，混凝土与钢管之间的组合相互作用可以显著提高组合柱的承载能力和变形性能，这与本研究对碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱的研究相关，其中横向约束在改善结构性能方面起着关键作用。

虽然钢管混凝土体系在材料组成和施工方法上不同于纤维增强聚合物筋增强混凝土柱，但两者都依赖约束来提高混凝土的受压性能。这种共同机制使得钢管混凝土研究的发现与本研究对碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱的研究相关，其中横向约束起着关键作用。

随着计算技术的快速发展，人工智能和机器学习方法最近已被引入预测纤维增强聚合物约束混凝土柱的行为。Kang等人[22]应用机器学习方法估算碳纤维增强聚合物筋增强混凝土柱的偏心受压性能，并报告了对承载能力和变形行为的准确预测能力。同样，Shang等人[23]提出了一种人工神经网络模型用于估算纤维增强聚合物约束混凝土柱的承载能力和应变响应，证明了预测结果与试验结果之间具有良好的一致性。

虽然以往的研究已经调查了纤维增强聚合物筋增强混凝土柱在轴向和偏心加载下的性能[5，6，11，12，24，25]，但高强混凝土同时用碳纤维增强聚合物纵筋和碳纤维增强聚合物箍筋增强在偏心受压加载下的特定组合仍未得到充分研究。本研究的独特贡献在于：（1）评估碳纤维增强聚合物纵筋和横向箍筋在高强混凝土柱中在偏心加载下的联合效应；（2）研究碳纤维增强聚合物箍筋直径和间距对结构性能的影响；以及（3）为碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱的数值模拟提供试验验证。这种组合在以往的研究中尚未得到系统研究，本研究为未来设计建议提供了宝贵的试验数据。

本研究的意义从三个互补的角度呈现：
1. 试验研究：对六根用钢筋或碳纤维增强聚合物筋和箍筋增强的全尺寸高强混凝土柱进行了偏心受压试验，以评估配筋类型、箍筋直径和间距对结构性能、破坏模式和变形能力的影响。
2. 数值模拟：采用ABAQUS进行非线性有限元分析，模拟试验柱的行为，从而能够详细评估荷载-位移响应、裂缝模式和应力分布。
3. 理论评估：将现有设计规范和已发表模型的解析预测结果与试验结果进行比较，以评估其应用于偏心加载下碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱的适用性。

章节片段
试件设计
共浇筑并试验了六根混凝土柱在偏心受压加载下。所有试件中间截面均为150×150 mm的正方形截面，牛腿侧为300×150 mm，总高度为1200 mm。每根柱两端设有两个牛腿头，以减少应力集中，并允许正确施加偏心荷载。两端安装钢板以确保荷载均匀分布。所有柱均采用四根12 mm

配合比设计与混凝土性能
混凝土配合比设计的目标抗压强度为50.2 MPa，其性能如表4所示。浇筑程序按照埃及标准规范[ESS 203/2007]进行。报告的抗压强度值为在7、28和56天龄期测试的三个试件的平均结果，如表5和图7所示。

每个龄期（7、28和56天）分别测试三个立方体试件。试件编号已修改为

开裂偏心荷载和极限偏心荷载行为
测量了所有试验柱的开裂荷载和极限荷载，相应结果汇总于表6。结果表明，偏心受压下的初始开裂荷载在碳纤维增强聚合物筋增强柱中始终高于钢筋增强试件。试件C1-B的开裂荷载达到530 kN，比C1-A（370 kN）提高了约43.2%。类似地，试件C3-B的开裂荷载达到615 kN，比

理论极限承载力计算
当前解析研究侧重于偏心距为37.5 mm的偏心受压高强混凝土柱的行为。为确定极限承载力，采用基于应变协调和平衡方法的以下方程，依据ACI 318-19[36]、ACI 440.1R-15[28]、CSA S806-12[37]以及以往关于纤维增强聚合物约束混凝土柱的研究[5，6，12，24，25，29，32]。碳纤维增强聚合物筋的应变根据应变

通用
采用ABAQUS/CAE 2024[41]进行非线性有限元分析，以模拟钢筋和碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱在偏心距为37.5 mm的偏心轴向加载下的行为。所建立的有限元模型用于预测试验柱的结构响应，包括荷载-位移行为、开裂模式和极限承载力，并将数值结果与试验结果进行比较[9]。

本构应力-应变关系
对于解析和

结论
本研究考察了钢筋和碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱在偏心受压加载下的结构行为，考虑了不同的箍筋直径（6和8 mm）和间距（100和150 mm）。基于试验、数值和理论研究，得出以下结论：
1. 碳纤维增强聚合物筋增强高强混凝土柱比钢筋增强柱表现出更高的极限承载力。最大提高达到

局限性与未来研究建议
尽管本研究进行了全面的试验、数值和解析研究，但仍应承认一些局限性。本研究受限于测试的试件数量（六根柱）以及单一的偏心距比（37.5 mm）。此外，钢加固参考组仅包含两个箍筋间距为100 mm的试件，而CFRP加固组则包含箍筋间距分别为100 mm和150 mm的试件。因此，相关影响

CRediT作者贡献声明
Saad M. Badr：写作——初稿、软件、资源、调查、正式分析。Ali S. Shanour：写作——审阅与编辑、监督。Taha A. El-Sayed：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证、监督、软件、项目管理、方法学、调查。Gamal E. Abdelaziz：写作——审阅与编辑、监督、方法学、调查。

利益冲突声明
作者声明，他们之间不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

Saad M. Badr|Ali S. Shanour|Taha A. El-Sayed|Gamal E. Abdelaziz