在寒冷地区，通过CFRP（碳纤维增强塑料）和ECC（钢筋混凝土）的混合加固方法，对RC梁在极端温差环境下的性能进行了增强研究

《Case Studies in Construction Materials》：RC beams strengthened with hybridization by CFRP and ECC under extreme temperature difference environments in cold regions

　　

为研究火灾在寒冷地区引起的极端温差对碳纤维增强聚合物（CFRP）和工程水泥基复合材料（ECC）混合加固的钢筋混凝土梁（CER梁）抗弯承载力的影响，研究人员以钢筋混凝土（RC）梁作为对照组。分别在-20°C、200°C、400°C和600°C条件下对CER梁进行了试验。在寒冷地区高温作用下，RC梁和CER梁的特征承载力显著退化。与初始环境温度-20°C相比，在200°C、400°C和600°C时，RC梁和CER梁的极限承载力分别下降了8.99%/14.02%/20.33%和26.13%/35.38%/43.57%。寒冷地区的极端温差荷载大大降低了CER梁的抗弯承载力。与RC梁相比，开裂荷载、屈服荷载和极限荷载平均分别提高了245.67%、56.58%和61.97%。这表明CFRP/ECC混合加固在极端温差环境下对RC梁的抗弯性能具有显著的改善效果。此外，本文提出了寒冷地区极端荷载下CER梁特征荷载的计算公式。结果表明，理论计算与试验吻合良好，各温度下特征承载力的平均误差控制在8%以内。该试验和理论研究量化了寒冷地区火灾荷载后CER梁的力学性能退化行为，为后续类似研究提供了有益参考。

**寒冷地区极端温差环境下CFRP与ECC混合加固RC梁抗弯性能研究解读**

**1. 研究背景与问题**

在寒冷地区，火灾后结构会经历巨大的温度梯度，这会对建筑结构造成严重威胁。工程水泥基复合材料（ECC）和碳纤维增强聚合物（CFRP）因其优异的力学性能，被广泛用于钢筋混凝土（RC）结构的加固。然而，当前研究多集中于室温环境，对于CFRP/ECC混合加固的RC结构在火灾后极端温差环境下的力学性能研究尚不充分。特别是，在寒冷地区的低温环境下，火灾后的降温过程会加剧结构内部的温度梯度，导致材料性能进一步退化，现有研究缺乏对“低温-火灾-低温”多阶段损伤叠加的理论模型。因此，开展此项研究旨在揭示CFRP/ECC混合加固RC结构在寒冷地区经历火灾升温及后续冷却全过程的行为变化规律，为实际工程应用提供理论依据和设计参考。

**2. 研究内容与结论**

研究人员开展了室外低温环境下的火灾试验，模拟了寒冷地区火灾后的极端温差条件。试验以未加固的RC梁为对照组，对CFRP/ECC混合加固的RC梁（CER梁）在-20°C、200°C、400°C和600°C四种温度条件下进行了四点弯曲加载试验。结果表明，在极端温差荷载下，CER梁的特征承载力（开裂、屈服、极限荷载）显著高于未加固的RC梁，平均分别提高了245.67%、56.58%和61.97%，证明了CFRP/ECC混合加固技术的有效性。然而，随着温度的升高，CFRP的强度及界面剪力传递系数在200-600°C范围内平均下降了55.14%和90.38%，导致CER梁的承载力显著降低，在200°C、400°C和600°C下，其极限荷载比-20°C时分别降低了15.57%、34.83%和49.71%。ECC在-20°C和200°C时表现出良好的应变硬化特性，但该特性在400°C和600°C时显著减弱。

研究人员还提出了基于分段截面和材料本构模型的计算方法，用于计算CER梁在极端温差下的特征荷载。理论计算结果与试验数据吻合良好，各温度下特征承载力的平均误差控制在8%以内。此外，通过响应面法（RSM）建立了特征荷载（开裂、屈服、极限荷载）与环境加热温度（T）、ECC抗拉强度（σ_et^T）和CFRP加固宽度（b_cf）之间的代理模型，模型精度高（R2≥0.95），可作为快速评估结构性能的简便方法。

该研究发表于《Case Studies in Construction Materials》，其重要意义在于量化了CFRP/ECC混合加固RC梁在寒冷地区火灾后的性能退化行为，提出的理论模型和经验公式为寒冷地区建筑结构的加固设计、灾后评估及后续研究提供了宝贵参考。

**3. 主要关键技术方法**

1. **室外火灾试验与四点弯曲加载：** 在室外低温环境（约-20°C）下，使用可移动喷灯和钢制加热板，按ISO 834标准升温曲线对试件底部进行加热，模拟火灾工况。加热后，将试件在室外冻结240小时，以模拟寒冷地区火灾后的极端温差环境，随后进行四点弯曲静力加载试验。
2. **数值模拟（LS-DYNA）：** 利用有限元软件LS-DYNA建立RC梁和CER梁的热传导模型，计算试件在火灾及冷却过程中的截面温度分布。通过设置初始温度、对流边界和热传导辐射边界，并输入与温度相关的材料热物理参数（比热容、导热系数），模拟了温度场，并与实测数据进行了验证。
3. **分段截面承载力计算方法：** 基于平截面假定，将试件截面按高度分为上、下两个区域，分别采用不同温度下的材料本构模型。通过拟合已有文献数据，获取了普通混凝土（NC）、ECC、钢筋、CFRP及其界面在低温和高温下的力学性能退化模型，并代入分段区间进行计算，最后与试验结果对比验证。
4. **响应面法（RSM）：** 采用Box-Behnken设计（BBD）方法，以环境加热温度（T）、ECC抗拉强度（σ_et^T）和CFRP加固宽度（b_cf）为影响因素，特征荷载（开裂、屈服、极限荷载）为响应，建立了二次多项式回归方程，用于快速预测CER梁的承载力。

**4. 研究结果**

**3.1 试验过程与破坏行为**
通过观察破坏形态发现，RC梁均发生弯曲破坏。CER梁的破坏模式随温度变化：-20°C时，CFRP整体剥离，承载力显著下降，发生弯曲破坏；200°C时，CFRP局部脱粘，发生斜压破坏；400°C和600°C时，CFRP与ECC界面退化严重，均发生弯曲破坏。CFRP的损伤随温度升高而加剧，从无明显损伤到大部分跨中区域损坏。所有梁均表现出典型的三个阶段：开裂、钢筋屈服和混凝土压碎。载荷-位移曲线显示，混合加固显著提高了梁的承载力和延性，但高温下提高幅度减小。

**3.2 应变分布**
在-20°C和200°C条件下，应变沿梁高呈线性分布，表明NC与ECC界面粘结良好、变形协调。当温度升至400°C和600°C时，截面应变分布呈现明显的非线性，表明ECC的延性因高温而未能充分发挥。

**3.3 升温曲线与截面温度分布**
试验升温曲线与ISO 834标准曲线吻合良好。截面温度分布数值模拟结果表明，温度主要集中于梁底部0-50mm高度范围内，上部区域温度变化不明显，因此将截面在50mm高度处分为上、下两部分进行分析。

**4.2 各试件力学性能分布**
通过数值模拟获取了截面温度分布，并结合材料力学性能退化模型，分析了各材料力学性能沿高度的分布。结果表明，RC梁的混凝土受温度影响大于CER梁。CER梁中CFRP的强度及界面力传递系数随温度升高显著下降（平均下降55.14%和90.38%），限制了其加固效果。ECC的应变硬化特性在-20°C和200°C时表现良好，但在400°C和600°C后显著减弱。

**4.3 抗弯承载力分析模型**
提出的分段截面计算方法计算结果与试验数据吻合良好，RC梁和CER梁在三种特征荷载下的平均误差分别为7.29%/7.03%/6.94%/7.95%和4.81%/3.24%/4.74%/2.68%，验证了该方法的可行性。理论计算显示，CER梁相比于RC梁，其开裂、屈服和极限荷载的平均提高幅度分别为265.83%、41.48%和83.44%。

**5. 抗弯承载力影响因素分析**
基于响应面法（RSM）建立的代理模型，其决定系数R2分别为0.99、0.98、0.95，平均相对误差（ARE）分别为2.50%、1.28%、4.82%，均小于5%，表明模型预测精度高，可用于快速评估设计参数（T、σ_et^T、b_cf）对特征荷载的影响。

**6. 结论**

本研究通过试验和理论分析，揭示了CFRP/ECC混合加固RC梁在寒冷地区极端温差环境下的力学性能退化规律。主要结论包括：
1. CFRP/ECC混合加固能显著提高RC梁在极端温差下的特征承载力，抗裂能力加倍，显著增强了承载力和耐久性。
2. 寒冷地区极端温差荷载显著影响加固梁的承载力，CFRP强度和界面剪力传递系数平均下降超过50%，ECC的应变硬化特性在高温下减弱。
3. 高温导致CFRP与ECC界面剪切力及ECC纤维桥接性能下降，是造成梁截面承载力显著降低的主要原因。
4. 底部升温导致受拉区材料严重损伤，使梁的破坏模式从适筋塑性破坏向少筋脆性破坏趋势转变；若顶部升温，则可能导致超筋脆性破坏。
5. 提出的基于试验数据拟合和截面温度分布计算的理论方法与试验结果吻合良好，结合响应面法建立的快速评估方法，可为后续研究提供便捷工具。
6. CFRP与ECC混合加固可极大地提高常规RC梁在低/高温及极端温度梯度环境下的承载力，但承载力受界面粘结强度影响大，高温导致界面强度严重退化，同时CFRP和ECC的强度也显著降低。后续研究需在界面材料和ECC材料中引入耐低/高温及大温度梯度循环的无机高性能材料，以提高整体结构的耐火性能。