使用碳纤维增强聚合物和扇形锚栓加固受损钢筋混凝土梁的实验与机器学习辅助设计

《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Experimental and machine learning-assisted design of damaged reinforced concrete beams strengthened using carbon fiber reinforced polymer and fan-spike anchors

　　•新型扇形锚栓与ECC组合可防止剥离。
•扇形锚栓将因损伤导致的强度退化恢复至原始未损伤状态。
•ECC作为裂缝控制层，用于损伤RC梁的加固。
•采用扇形锚栓进行适当的端部锚固，提高了加固试件中CFRP的利用率。
•XGBoost可被视为针对未见数据的可靠机器学习模型。

引言

使用碳纤维增强聚合物（CFRP）加固钢筋混凝土（RC）梁已被证明是许多土木工程结构中可靠的技术。随着老化基础设施面临设计限制、环境退化和建筑功能变化等重大挑战，CFRP是增加承载能力而不显著增加重量的有效解决方案（Rabinovitch和Frostig，2003；Wenwei和Guo，2006）。CFRP的轻质和耐腐蚀特性使其成为传统加固方法更好的替代品，尤其是当常规方法不适用时。然而，其成功应用取决于CFRP与混凝土和基材的相互作用，这确保了适当的锚固，同时降低了剥离或早期破坏的风险（Jahami和Issa，2024；Rabinovitch和Frostig，2003；Wenwei和Guo，2006）。Yazdani等人（2020）研究了使用锚固环氧预饱和CFRP（PS-CFRP）层板加固RC梁。他们的结果表明，未锚固的PS-CFRP比普通CFRP更有效地提高抗弯承载力，理论模型低估了其贡献39%–46%。破坏位置和层板长度显著影响锚固性能。Sun等人（2020）研究了一种结合刺锚和两个补片的改进锚固系统，以解决FRP层剥离问题。他们证明该系统提高了锚固强度，并最小化了粘结长度、弯曲半径和FRP-混凝土粘结的影响。Smith等人（2013）研究了使用FRP锚具提高FRP加固RC板的强度和延性。他们发现，最佳FRP锚具配置使承载能力提高达44%，挠度能力提高216%。Llauradó等人（2022）研究了刺锚在CFRP加固RC梁中的效率。结果表明，锚固接头的峰值荷载比未锚固接头高155%。然而，锚具周围的粘结长度显著影响性能，粘结不足导致过早滑移和不良行为而无纤维断裂破坏，这强调了适当粘结设计对于实现最佳锚固效率的重要性。Kim和Smith（2010）开发了分析模型来量化未开裂混凝土中FRP刺锚的拔拉强度，通过审查和调整金属锚具模型，他们提出了针对FRP锚具重新校准的模型。实验验证表明这些模型的有效性，参数研究突出了影响锚具性能的关键变量，为设计和应用提供了实用工具。Castillo等人（del Rey Castillo等，2019）对32个弯曲FRP锚具试件进行了实验研究，以探究其在纤维断裂破坏下的行为。他们为外部粘结FRP（EBR-FRP）系统中的FRP锚具开发了设计方法。该研究提出了均值和下限特征值的方程，并评估了方法的可靠性，促进了FRP锚具在土木工程应用中的更广泛使用。Pudleiner等人（2019）研究了锚具尺寸对RC梁中锚固CFRP系统有效性的影响。他们发现，每个锚具对应更宽的CFRP条带导致断裂应力较低。关键参数，如锚具数量、条带宽度和锚孔倒角半径，显著影响锚固强度和CFRP条带上的应变分布。结果证实了锚固CFRP系统中尺寸效应的存在。Dong等人（2023）对FRP锚具增强的CFRP-混凝土界面粘结行为进行了实验和分析研究。他们发现，在FRP锚具之前或同时安装CFRP层可提高锚具效率。研究人员为CFRP-混凝土界面开发了指数粘结-滑移模型，为FRP锚具开发了弹性模型，两者均准确预测了荷载-滑移曲线和应变分布。Zaki等人（2019）使用两种类型的CFRP刺锚测试了CFRP加固RC梁。结果表明，锚固梁实现了完全抗弯承载力，T形梁由FRP断裂控制，矩形梁由混凝土压碎控制。该研究证实，CFRP锚具的战略设计和布置有效防止了过早剥离，并提出了一个新的乘数来根据锚具有效性调整ACI 440.2R-17设计应变。Alotaibi（2024）进行了一项广泛的实验研究，以评估锚具配置和补片布置对外部粘结FRP系统中FRP锚具性能的影响。研究结果显示，新提出的端部锚具配置与以往设计表现相当。该研究旨在简化锚具细节同时保持效率。

在CFRP加固RC梁的研究中，关键挑战之一是CFRP层从混凝土表面过早剥离。为了缓解这一问题，具有优异粘结性能和延性的材料的存在对于促进CFRP与混凝土之间的有效应力传递至关重要（Wu和Li，2017）。工程水泥基复合材料（ECC），也称为应变硬化水泥基复合材料（SHCC）或可弯曲混凝土，在此背景下提供了有前景的解决方案（Zhang等，2020a，2023b）。ECC代表了水泥基材料的重大创新，其显著特点是能够发生变形并承受拉伸应变而不发生脆性破坏。ECC被归类为高性能纤维增强混凝土，表现出卓越的韧性、高延性，以及形成多条细裂缝而不是少数大裂缝的能力（Yu等，2023）。这些材料可实现窄至100 μm的裂缝宽度和3%至7%的极限拉伸应变，纤维含量仅为2%，使其在结构修复和加固中特别有效（Liu等，2023b；Zhang等，2020b）。ECC在断裂力学背景下的一個关键特征是其在拉伸应力下发展多条微裂缝的能力，从而降低应力集中并最小化形成大的局部裂缝的风险（Deng等，2023；Dong等，2018；Hao等，2023；Zhang等，2023a）。这一特性不仅提高了材料的耐久性，还改善了其作为结构应用中中间层的性能。具体而言，ECC可以有效传递表面剪应力并促进均匀应力分布，这对于防止CFRP层从下方混凝土基材剥离至关重要（P. Zhang等，2022）。

Cong等人（2024）探讨了使用工程水泥基复合材料（ECC）与CFRP结合加固预损伤RC梁。研究结果表明，未损伤梁发生CFRP断裂，而所有预损伤梁均观察到CFRP剥离。预损伤梁中CFRP的最大利用率达到83.2%，其中ECC层完全包围纵向钢筋。增加ECC厚度提高了延性，但对极限荷载影响不大。Wu等人（2024）研究了CFRP网格增强ECC加固RC梁的弯曲性能。结果表明，峰值荷载增加66.67%至100%，初始开裂荷载增加4.72%至20.47%。抗弯承载力随CFRP网格层数线性增加，随网格距梁底距离非线性增加。Shen等人（2024）研究了UHPFRC-CFRP网格层加固预损伤RC梁的弯曲性能。结果表明，与参考RC梁相比，加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别增加了64.7%–152.9%、105.7%–192%和65.4%–131.2%。增加UHPFRC层厚度提高了刚度和延性，而额外的CFRP网格层降低了延性。Aslan等人（2024）进行了一项实验研究，用CFRP、钢板（SP）和机械钢缝钉（MSS）加固预损伤RC梁。设计了剪切和弯曲损伤的梁，在诱导不同损伤水平后，使用三种方法加固。结果表明，CFRP对3%预损伤的弯曲梁最有效，而MSS对剪切损伤梁（85%损伤）更有效。Yan等人（2023）研究了用CFRP网格和ECC修复预损伤RC梁的弯曲性能。梁进行四点弯曲试验，预损伤水平从0到0.65。结果表明，修复后的梁显著提高了弯曲刚度和承载力，在预加载水平0.45之前性能退化最小，超过0.65后略有下降。Zhang等人（Y. Zhang等，2022）提出了一种使用预应力超高性能混凝土（PUHPC）层对损伤RC梁进行弯曲加固的技术。实验结果表明，与未加固的对照梁相比，PUHPC加固梁（PUB）的开裂荷载增加145%至190%，极限荷载增加90%至94%。PUB还显示出开裂后刚度的显著改善，但随着预损伤水平增加，延性下降。Liu等人（2023a）研究了CFRP和ECC加固RC梁的弯曲性能。实验结果表明，与仅CFRP加固相比，CFRP-ECC复合材料有效防止了分层。复合加固使开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别增加23%–31%、4%–6%和5%–10%。此外，刚度、延性和能量吸收能力得到增强。

机器学习（ML）已成为结构工程和材料科学中的变革性工具，能够准确预测结构行为、优化设计和检测损伤（Thai，2022）。在钢和混凝土结构中，人工神经网络（ANN）、支持向量机（SVM）和极端梯度提升（XGBoost）等ML模型被广泛用于预测承载能力（Chen等，2023；Nouri等，2025b）、耐火性（Fakharian等，2025）、抗震性能（Nouri等，2026）和疲劳寿命（Gao等，2024）。在材料工程中，ML加速了混凝土、复合材料和金属的性能预测和配合比设计优化（Mehdizadeh等，2026；Nouri等，2025a；Xie等，2025）。尽管存在数据可用性和模型可解释性方面的挑战，但可解释人工智能（XAI）和混合物理-ML方法的持续进展正在提高ML在工程实践中的可靠性和采用率。

章节片段

研究意义

对使用CFRP加固损伤梁的文献调查表明存在重大研究空白。该研究空白涉及由于弯曲和剪切-弯曲裂缝的存在，在弯曲荷载作用下CFRP从梁上剥离。通过产生不连续区域，这些裂缝导致CFRP层在开裂区域从梁上分离。现在，如果在开裂梁和CFRP之间设计一种二次材料来灵活调节裂缝，它将提高

试件细节

测试了六根简支RC梁，每根截面尺寸为150×200 mm，长度为1600 mm。梁的净跨为1400 mm，两端各分配100 mm长度用于梁支座。采用四点弯曲装置（如图1所示）对试件加载。使用两根14 mm直径的纵向钢筋作为受拉钢筋，而在梁的受压区使用两根8 mm直径的纵向钢筋。剪切

破坏模式

图10展示了各种RC梁的破坏模式，包括未加固的、有弯曲钢筋但未预损伤的，以及有弯曲钢筋的预损伤梁。实验结果（包括最大荷载、极限荷载（Pu）、屈服位移和极限位移）总结于表9。试件中观察到的破坏模式分为混凝土压碎（CC）、CFRP层剥离（FDB）在试件B-25-1中，ECC层

CFRP加固

ACI440.2R-17（ACI 440.2R-17, 2017）规范条款以及Teng等人（2003）和Said和Wu（2008）的分析模型提供了FRP复合材料加固RC梁的极限弯矩和极限荷载。ACI440.2R-17（ACI 440.2R-17, 2017）提供的分析关系，如式（2）至（7）所示，基于RC梁截面中的力平衡和应变协调确定，如图16所示。弯矩需要确定

预损伤RC梁的机器学习响应评估

本节旨在将本研究结果与现有研究进行比较，并开发试件的扩展模型。所有关于CFRP加固受损梁性能的实验研究均被收集（Al-Saidy等，2010；Aslan等，2024；Benjeddou等，2007；Cong等，2024；Jian-He等，2014；Kabir等，2018；Liu，2025；Samarakoon等，2022；Turki和Al-Farttoosi，2023；Yu等，2020）。局限性与未来工作实验计划限于每种配置一个试件，且机器学习数据集（n = 57）相对较小，尽管它代表了针对该特定问题目前可用的最全面收集。未来工作应包括用于统计分析的重复试件、用于量化局部应力传递机制的应变计测量、扩展包含锚固相关特征（如锚固类型、间距和埋置长度）以及ECC层的机器学习数据集。结论通过CFRP层、ECC和扇形钉锚，研究了六根钢筋混凝土梁的结构性能和加固效果，包括未受损和预受损试件。进行了四点弯曲下的实验测试，以评估预损伤水平（25%和50%）及不同加固配置对梁性能的影响。可得出以下结论：•使用扇形钉锚结合CFRP和扇形钉锚，导致在CRediT作者贡献声明Younes Nouri：写作—审阅与编辑、写作—原稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。Vahid Ghanbari：验证、资源、方法学、正式分析、数据管理、概念化。Mohammad Ali Ghanbari：验证、资源、方法学、数据管理。Bahareh Mehdizadeh：写作—审阅与编辑、可视化、验证、软件、概念化。利益冲突声明作者声明，他们不知道有任何可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。Younes Nouri|Vahid Ghanbari|Mohammad Ali Ghanbari|Bahareh Mehdizadeh|Reza Peymanfar|Pouyan Fakharian