光圆钢筋配筋老旧单向RC板采用外贴（EBR）镀锌平/波纹钢板与近表面粘贴（NSM）镀锌钢筋抗弯加固的结构性能：试验、数值与分析

《International Journal of Concrete Structures and Materials》：Structural Performance of Old One-Way RC Slabs Reinforced with Smooth Bars Strengthened Using Galvanized Flat and Corrugated Steel Sheets and Near-Surface Mounted Steel Bars: Experimental, Numerical, and Analytical Investigation

　　

大量现有采用光圆钢筋配筋的钢筋混凝土（RC）板存在黏结性能较弱、刚度降低和抗弯承载力不足的问题，因此需要有效且可持续的加固技术。本研究通过试验、数值和分析方法，研究采用外贴加固（EBR）镀锌平/波纹钢板和近表面粘贴（NSM）镀锌钢筋对光圆钢筋配筋单向RC板进行抗弯加固。对11块板进行了单调加载试验，包括1块对照板和10块加固板。研究参数包括加固技术（EBR、NSM及EBR/NSM组合）、钢板截面形式（平或波纹）、加固布置和钢板厚度。结果表明，开裂行为、刚度、极限抗弯承载力和能量吸收均显著改善。与对照板相比，开裂荷载增加超过两倍，极限抗弯弯矩增加约50%。建立有限元模型并对照试验结果进行验证，二者吻合良好，偏差低于8%。此外，提出简化解析方程以估算极限弯矩承载力，并通过参数研究验证其可靠性。

研究背景与问题：既有大量特别是较早时期建造的RC（钢筋混凝土）单向板采用光圆钢筋（smooth/plain bars）配筋，其黏结强度低于现代带肋钢筋，易发生弯曲开裂；在单向RC板中，抗弯性能依赖受压混凝土与受拉钢筋的共同作用，因此此类老旧板需要采用耐久材料进行可持续加固。FRP（fiber-reinforced polymer，纤维增强聚合物）加固研究较多，但镀锌钢体系因成本、可得性、耐火性和与既有板相容性而具吸引力。已有研究表明EBR（externally bonded reinforcement，外贴加固）和NSM（near-surface mounted，近表面粘贴）可提升板抗弯性能，但针对光圆钢筋配筋单向RC板抗弯加固的试验证据仍有限，且镀锌波纹钢板作为加固材料的研究仍较少。研究人员据此研究平板/波纹镀锌钢板EBR与NSM镀锌钢筋组合对老旧单向RC板的抗弯加固效果，开展11块板单调加载试验，建立并验证有限元模型（FEMs），提出极限弯矩简化解析式，并以参数研究检验其可靠性。其意义在于为光圆钢筋配筋老旧RC板的抗弯加固提供试验、数值和简化分析依据。

技术方法概述（不超过250字）：试件为实验室制作的全尺寸单向RC板，来源为埃及Kafrelsheikh University结构实验室，无临床或人群队列来源；共11块板（1块对照、10块加固），简支单调加载至破坏，采用LVDT（linear variable differential transformer，线性可变差动变压器）和PI计量测。试验变量包括EBR/NSM、平板/波纹板、条带/全宽布置及0.4、0.8 mm板厚。采用Abaqus建立线性和非线性FEM，混凝土采用CDP（Concrete Damage Plasticity，混凝土损伤塑性）模型，钢筋采用嵌入式约束，钢板-混凝土界面采用内聚力牵引-分离模型，钢板采用S4R壳单元、钢筋采用T3D2桁架单元、混凝土/螺栓/加载板采用C3D8R实体单元，并开展网格敏感性分析；基于截面平衡和应变协调提出开裂弯矩与极限弯矩解析式，并用验证后的FEM进行参数研究。

研究结果：3.1 裂缝形态与破坏模式：试验表明对照板仅形成一条主弯曲裂缝，P_cr=4 kN、P_u=12 kN，呈弯曲破坏；平板条带加固板P_cr分别约5.96、6.40 kN，较对照提高约49%、60%，0.8 mm较0.4 mm再提高约7%；平板条带+NSM板P_cr=8.15 kN（提高约104%），全宽平板P_cr=10.9 kN（提高约172%），全宽平板+NSM P_cr=11.06 kN（提高约177%）、P_u=25 kN，端锚附近出现板滑移和起皱；波纹条带P_cr约5.33、6.82 kN，较对照提高约33%、70%，0.8 mm较0.4 mm提高约28%；波纹条带+NSM P_cr=9.56 kN（提高约139%）；全宽波纹P_cr=10.91 kN（提高约173%）；全宽波纹+NSM P_cr=12.81 kN（提高约220%，两组最高）、P_u=30.36 kN（较对照提高约149%）。总体仍以一条主弯曲裂缝为主，加固延迟开裂并限制裂缝扩展但未显著改变裂缝分布；波纹板优于平板，全宽+NSM组合最优。3.2 极限荷载增益：平板条带使P_u提高约40%–49%，加NSM提高约58%；全宽平板提高约81%，加NSM约105%。波纹条带提高约26%–54%，条带+NSM约62%；全宽波纹提高约109%，加NSM约149%。以P_u/A_s,add归一化后，全宽平板为172.4 kN/cm²、全宽波纹为151.6 kN/cm²，全宽平板+NSM为124.2 kN/cm²、全宽波纹+NSM为104.0 kN/cm²，表明波纹板因几何惯性提供更高刚度和总承载力，而平板单位增加钢材面积的材料强度效率更高。3.3 荷载–挠度响应：所有加固板均较对照更刚、承载力更高；平板条带、0.8 mm板及条带+NSM的Δ_u较对照约提高10%、17%、15%，全宽平板及全宽平板+NSM约提高46%、57%；波纹条带、0.8 mm板及条带+NSM的Δ_u约提高6%、23%、18%，全宽波纹及全宽波纹+NSM约提高33%、126%。延性指数μ=Δ_u/Δ_y显示加固未显著牺牲延性，全宽波纹+NSM的μ=3.42，较对照提高44.3%，为最高；其机制为高刚度波纹板控制早期刚度，NSM钢筋在初始板脱粘后继续提供二次受拉和延性屈服伸长。3.4 弹性刚度响应：平板条带、0.8 mm板及条带+NSM的K较对照提高约33%、48%、108%，全宽平板及全宽平板+NSM提高约250%、446%；波纹条带、0.8 mm板及条带+NSM提高约43%、124%、162%，全宽波纹组合最高。对比显示CRG-0.4较GV-0.4高约7%，CRG-0.8较GV-0.8高约51%，CRG-B较GV-B高约26%，CRG-total较GV-total高约25%，CRG-total+Bar较GV-total+Bar高约79%，说明波纹截面几何刚度和与黏结层/混凝土界面作用更有效。3.5 能量吸收：平板条带、0.8 mm板及条带+NSM的E提高约45%、61%、81%，全宽平板及全宽平板+NSM提高约191%、209%；波纹条带、0.8 mm板及条带+NSM提高约33%、94%、141%，全宽波纹及全宽波纹+NSM提高约233%、416%。波纹板总体上较平板更能维持开裂后荷载并利用更大变形。4 数值模拟：4.1 模型构建、相互作用、加载与边界条件：采用Abaqus按试件几何、加载和边界条件建模，钢筋-混凝土采用嵌入式约束，钢板-混凝土界面采用内聚力模型，端锚螺栓显式建模。4.2 本构材料建模与网格离散：混凝土采用CDP模型，钢材采用双线性弹塑性强化模型，界面参数取τ_max=1.5 N/mm²、G_f=0.9 N/mm，网格敏感性分析后采用25 mm网格。4.3 有限元模型验证：FEM再现了主裂缝和破坏模式，荷载–挠度曲线吻合，弹性段偏差约8%、较高荷载段约11%；开裂荷载试验/数值比均值约0.90、标准差0.0508、变异系数低于5%；极限荷载比值约0.92–0.97、均值约0.952、标准差0.0194、变异系数0.0204，表明FEM略高估但预测稳定可靠。5 解析抗弯评估：基于截面平衡和应变协调提出开裂弯矩M_cr和极限弯矩M_u计算，考虑内部钢筋、EBR镀锌板和NSM镀锌筋的受拉贡献；M_cr按未开裂截面弹性性质计算，f_cr=0.62√f′_c；M_u由C=T_s+T_GV+T_NSM及力矩臂Z求得。与ACI 318-19比较，对照板M_n,ACI=2.22 kN·m、M_exp=2.29 kN·m；加固板M_exp/M_n,ACI为1.00、0.80、0.80、0.70，说明未锚固或条带EBR因部分组合作用可能不能完全达到规范名义承载力。该解析式假设完全应变协调和完全组合作用，未显式纳入局部黏结滑移，属理想上界估计。6 参数研究与所提解析模型验证：以λ=M_u,FEM/M_u,th对ρ_add=(A_GV+A_NSM)/A_c进行验证，平板工况解析与数值差异约从5%高估至2%低估，波纹工况约高估2%–8%；研究范围限于板厚0.4–0.8 mm、ρ_add至0.73%，表明所提方程在该参数范围内可靠。

讨论与结论翻译：讨论表明全宽布置优于条带布置，波纹板优于平板，EBR与NSM组合表现最佳；加固在提高承载力和刚度的同时未显著损害延性，全宽波纹+NSM延性指数最高。数值模型能较好再现材料非线性、界面响应和组合作用；解析式在限定范围内可估算极限弯矩，但其完全组合假设需注意。结论翻译如下：1. 平板和波纹镀锌板的EBR体系均改善开裂响应并改变破坏模式，与NSM钢筋组合时改善显著；全宽平板使开裂荷载提高约177%，波纹板约220%；破坏由对照板的局部弯曲开裂转为更稳定的弯压模式，归因于附加受拉约束、更好的裂缝分布和延迟裂缝扩展。2. 所有加固体系均提高极限承载力；全宽EBR平板和波纹板结合NSM钢筋分别使光圆钢筋RC板抗弯承载力提高约105%和149%；这强调EBR板与NSM钢筋在开裂后共同增强抗拉，波纹截面因更高几何刚度提供更有效机械贡献。3. 平板和波纹镀锌板EBR体系均显著提高刚度和能量吸收，波纹板贡献更大；与NSM钢筋组合时，平板体系弹性刚度和吸收能量分别提高约4.46倍和2.09倍，波纹体系约8.80倍和4.16倍，说明波纹板几何刚度和应力传递效率更高。4. 所建FEM以满意精度模拟加固板结构响应，数值与试验结果偏差低于8%，验证了模型对材料非线性、界面响应及RC板与加固体系组合作用的表征能力。5. 所提解析方程可可靠估算极限抗弯弯矩，参数研究支持其有效性；平板工况解析与数值预测差异约从5%高估至2%低估，波纹工况约高估2%–8%；参数分析表明增加板厚使抗弯承载力增加率提高约1.4%，并确认所提方程和验证FEM在研究加固范围内的可靠性。