《Developments in the Built Environment》：Experimental and numerical investigation of alternative CFRP systems combining sheets and ropes for shear-flexural strengthening of T-beams
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本研究利用外部加固，即碳纤维增强聚合物（CFRP）板材和闭式近表面安装（NSM）CFRP绳索，研究了钢筋混凝土（RC）T形梁的混合抗剪-抗弯加固策略。大规模实验评估了带有和不带绳索锚固的U形剪切外部粘结加固（EBR）系统以及闭式NSM加固配置。闭式回路绳索和锚
本研究利用外部加固，即碳纤维增强聚合物（CFRP）板材和闭式近表面安装（NSM）CFRP绳索，研究了钢筋混凝土（RC）T形梁的混合抗剪-抗弯加固策略。大规模实验评估了带有和不带绳索锚固的U形剪切外部粘结加固（EBR）系统以及闭式NSM加固配置。闭式回路绳索和锚固的U形板材抑制了过早剪切破坏，使受拉钢筋屈服，提高了承载能力，并促进了弯曲控制行为。研究人员进一步利用经过实验验证的有限元模型，研究了混凝土强度对加固效率的影响。参数分析确定了与试件混凝土强度相对应的近最优效率范围。闭式NSM绳索系统被证明在实验上高效且理论上可预测。研究人员开发了一个分析模型来量化闭式CFRP绳索的剪切贡献，证明了闭式配置提供的扩展粘结发展长度的重要性。
**论文解读：结合CFRP板材与绳索的替代体系用于T形梁抗剪-抗弯加固的实验与数值研究**
**一、研究背景与问题**
在钢筋混凝土（RC）结构的加固与修复中，纤维增强聚合物（FRP）体系已成为一种成熟策略，尤其当构件存在抗剪、抗弯或延性不足时。然而，现实中的T形梁常因楼板存在而无法实现全包裹，导致U形外部粘结加固（EBR）系统面临粘结长度不足、过早剥离等问题，从而引发脆性剪切破坏。尽管已有多种锚固技术（如FRP绳索锚固）被提出，但现有研究多将抗剪与抗弯加固分开探讨，缺乏对两者在T形梁中协同作用的系统理解。此外，闭式近表面安装（NSM）CFRP绳索系统虽在前期研究中展现出抑制剪切开裂、促进弯曲破坏的潜力，但其与抗弯FRP加固的交互作用、混凝土强度的影响机制及剪切贡献的理论描述仍需深入研究。因此，本研究通过大规模实验、非线性有限元（FE）分析与分析模型，系统探究了混合抗剪-抗弯加固策略，以解决上述问题。
**二、研究内容与意义**
研究人员开展了包含6个RC T形梁（其中1个为未加固参考梁TB，5个采用不同CFRP配置）的实验，评估了U形EBR板材（有无绳索锚固）及闭式NSM CFRP绳索系统在抗剪与抗弯混合加固中的效果。实验后，利用经过验证的FE模型进行参数分析，考察混凝土强度（C12/15至C60/75）对加固效率的影响，并开发了分析模型量化闭式绳索的剪切贡献。研究得出：闭式NSM绳索系统能有效抑制过早剪切破坏，使梁实现弯曲控制破坏，大幅提高承载能力；锚固路径（通过楼板或通过梁腹）影响裂纹分布与破坏模式；混凝土强度在约45 MPa以上时对加固效率影响减弱。该研究为T形梁抗剪-抗弯加固设计提供了实验依据与理论工具，论文发表在《Developments in the Built Environment》。
**三、主要关键技术方法**
1. **大规模试验**：采用四点弯曲加载，测试6个T形梁（跨度2.0 m，剪切跨0.8 m，截面为T形，梁腹300×150 mm，翼缘50×300 mm）。内部钢筋配置相同（底部4×16 mm，顶部2×14 mm，翼缘2×10 mm，箍筋仅1根8 mm@400 mm）。
2. **非线性有限元（FE）分析**：使用ATENA软件，基于断裂力学的弥散裂缝模型，结合裂缝带理论，模拟混凝土、钢筋（1D桁架单元）及CFRP（NSM绳索为1D完美粘结单元，EBR板材为复合表面层）的非线性行为。模型经实验验证后用于参数分析。
3. **分析模型**：基于Parretti和Nanni（2004）方法，考虑闭式绳索的弯曲强度折减、扩展粘结发展长度及变角度临界斜裂缝，提出剪切贡献计算公式。
**四、研究结果**
**4.1 试验结果**
- **TB（参考梁）**：发生脆性剪切破坏，临界斜裂缝导致荷载骤降，最大剪切力167.0 kN。
- **TB-U（仅U形EBR板材）**：抗剪承载力提高43%（238.8 kN），但仍发生脆性剥离破坏，未出现受拉钢筋屈服。
- **TB-Uw-F和TB-Us-F（锚固U形板材+抗弯板材）**：绳索锚固防止过早剥离，使受拉钢筋屈服，极限荷载提高115-119%（366.5 kN和358.7 kN），破坏模式转为弯曲控制（TB-Uw-F为剪切-弯曲，TB-Us-F为纯弯曲）。
- **TB-Rs（仅闭式NSM绳索）**：极限荷载提高96%（327.5 kN），且无绳索剥离或侧边混凝土保护层分离，破坏模式为弯曲控制。
- **TB-Rw-F（闭式NSM绳索+抗弯板材+绳索锚栓）**：极限荷载356.1 kN，弯曲控制，抗弯板材在位移较大时逐渐退化，但绳索仍稳定剪切裂缝。
**4.2 数值分析结果**
- **FE模型验证**：对TB和TB-Rs/TB-Rw-F的模拟与实验吻合良好，表明闭式NSM绳索体系接近理论效率；但对TB-U、TB-Uw-F、TB-Us-F的模拟低估了承载力，因FE模型无法完全捕捉EBR板材与绳索锚固的复杂交互。
- **参数分析（混凝土强度）**：C12/15至C60/75范围内，闭式NSM绳索的加固效率（Pmax,r/Pmax,u）在C45/55时达到近最优值1.97，高于此强度后效率下降；混凝土强度在C30/37以上时对加固梁极限承载力影响有限。
**4.3 分析模型结果**
- 闭式绳索配置（TB-Rs）预测剪切贡献为103.04 kN，总抗剪抗力186.54 kN，超过实验弯曲破坏荷载327.5 kN对应的剪力，理论上可确保弯曲控制。
- 假设的直绳配置（仅梁腹侧）预测剪切贡献68.10 kN，总抗剪抗力151.60 kN，低于弯曲破坏荷载，仍为剪切控制。
- 闭式配置通过利用扩展粘结长度（包括弯曲段与后弯段），使有效长度增加51.3%，从而显著提升剪切贡献。
**五、讨论与结论**
**讨论总结**：实验、数值与理论分析共同表明，闭式NSM CFRP绳索系统的核心优势不在于单纯增加抗剪承载力，而在于从根本上改变破坏序列——通过抑制过早剪切局部化，使结构能够调动弯曲承载力。研究还发现，通过梁腹的锚固路径虽有效，但可能使临界斜裂缝向梁腹-翼缘交界处偏移，部分绕过加固区域；而通过楼板的锚固路径则形成更有效的闭合传力路径。FE理论参考框架可用于筛选加固方案，识别过早剥离风险，并指导锚固详图设计。未来需研究重复荷载、疲劳、环境暴露等条件，并考虑施工性与成本效益。
**研究结论翻译**：
- 开口U形EBR系统（TB-U）相对TB将最大剪切抗力提高43%，但仍保持脆性剥离控制失效模式。TB-Uw-F和TB-Us-F中的绳索锚固形成闭式横向系统，防止过早的剪切加固损失，分布斜裂缝，使受拉钢筋屈服，并将极限荷载相对TB提高115-119%，相对TB-U提高50-53%。
- 在TB-Rs中，闭式NSM CFRP绳索相对TB将极限荷载提高96%，相对TB-U提高37%，同时将响应从脆性剪切破坏转变为变形控制弯曲破坏。未观察到绳索剥离或侧边混凝土保护层分离。在TB-Rw-F中，即使在抗弯板材退化后，绳索仍能稳定斜裂缝。
- 将横向加固与锚固的纵向CFRP板材相结合，延迟了受拉钢筋屈服，相对TB-Rs将屈服荷载提高11-19%。TB-Uw-F和TB-Us-F中的U形锚固板材还提供了分布式锚固，相比TB-Rw-F中的离散绳索锚栓，在更大的位移范围内保持了抗弯加固贡献。
- 通过梁腹锚固提供了无法接触楼板顶部时的有效替代方案。TB-Uw-F和TB-Rw-F均实现了受拉钢筋屈服，并显著超过TB-U的承载力。然而，该锚固路径可能将斜裂缝引向梁腹-翼缘交界处，部分绕过加固的梁腹区域。
- 加固评估不应仅依赖峰值荷载；裂缝局部化行为和峰后稳定性是T形梁（受楼板约束）加固有效性的同等重要指标。
- 本研究展示了基于FE的理论参考框架在评估加固效率方面的实用性。实验与数值响应接近一致表明复合作用有效调动，而系统性差异揭示了锚固-板材交互作用未被采用的理想化模型捕获。
- FE参数分析显示，混凝土强度对结构响应的影响在约45 MPa抗压强度以上变得不显著。同时，闭式NSM CFRP绳索的相对加固效率在实验所用混凝土强度附近达到近最优值。
- 分析模型表明，与假设的等效直绳布置相比，闭式配置调动了除垂直绳索分支外的额外粘结发展长度，并将预测剪切贡献提高51.3%。在所采用的假设下，这一增加理论上足以促进从剪切控制向弯曲控制行为的转变。
