《Structures》：Experimental and numerical analysis of the strengthening of slab-column connection against punching shear using strain-hardening cementitious composite
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摘要：本研究提出了一种创新的混合加固技术，旨在通过在临界冲切区域内植入应变硬化水泥基复合材料（SHCC）梁，并采用U形镀锌钢棒（UGSRs）进行机械约束，从而提高无梁板-柱连接的冲切抗力和延性。UGSRs通过可拆卸的钢-橡胶条带系统锚固，该系统旨在提高约束效率
摘要：本研究提出了一种创新的混合加固技术，旨在通过在临界冲切区域内植入应变硬化水泥基复合材料（SHCC）梁，并采用U形镀锌钢棒（UGSRs）进行机械约束，从而提高无梁板-柱连接的冲切抗力和延性。UGSRs通过可拆卸的钢-橡胶条带系统锚固，该系统旨在提高约束效率并促进延性荷载传递。一项涉及七块足尺板的试验计划研究了UGSR位置、橡胶夹层和SHCC梁厚度对结构性能的影响。结果表明，UGSR布置距离更近可增强约束和承载力，而橡胶层则显著改善了延性和耗能能力。所提出的系统有效地将脆性冲切破坏转变为稳定的延性机制。最佳性能通过在距柱面3d处设置70 mm厚SHCC梁实现，冲切承载力提高89%，同时刚度和耗能能力也大幅提升。经验证的三维线性和非线性有限元模型与试验结果偏差小于5%，进一步用于参数分析。基于试验和数值结果，建立了解析公式以预测采用植入SHCC梁和约束UGSR锚固加固的板柱连接的极限冲切承载力。
研究背景与问题
无梁楼盖（flat slab）因其施工简便和建筑空间布置灵活在现代建筑中得到广泛应用。然而，板柱连接处的冲切剪切破坏呈显著脆性，是威胁结构安全的关键问题。自该结构体系应用以来，已有多起建筑及地下车库倒塌事故被归因于板柱节点的冲切破坏。传统加固策略包括设置柱帽、增加板厚、配置抗冲切钢筋以及掺入纤维增强混凝土等，但上述方法虽能提升极限承载力，脆性坍塌模式往往仍然存在，对延性、能量耗散和初始刚度的改善有限。应变硬化水泥基复合材料（SHCC）作为一种具备高延性和多重细密开裂特征的新型纤维增强材料，展现出优异的拉伸应变能力和能量耗散性能。然而，现有研究尚未涉及采用机械锚固的橡胶-钢板条系统固定植入板内的SHCC梁以同时实现抗冲切加固和延性提升的技术路径。
研究内容与结论
研究人员提出了一种新型混合加固策略，将植入式SHCC梁、机械锚固U形镀锌钢棒（UGSRs）以及钢-橡胶复合界面系统加以整合，旨在同时提升冲切剪切承载力和延性。试验程序包含七块足尺钢筋混凝土板，按三组进行划分，分别研究UGSR锚固位置（距柱面2d和2.5d）、橡胶夹层数量（一层和两层）、植入SHCC梁厚度（50 mm和70 mm，即0.5d和0.7d）及布置位置（2d和3d）对结构性能的影响。试验在四边简支条件下通过柱顶单调静力加载至破坏。研究结果表明，UGSR布置在2d位置比2.5d位置具有更高的承载力提升效率，完全改变了破坏模式，使脆性冲切转变为延性弯曲破坏。在锚固区引入橡胶层可有效改善开裂荷载、延性和能量耗散能力，且两层橡胶效果优于单层。植入SHCC梁的方案表现最优，其中采用70 mm厚SHCC梁布置在距柱面3d处时，极限冲切承载力提升达89%，刚度提升达7倍以上，耗能能力提升约7.2倍，延性指数提升约2.73倍，实现了脆性冲切向延性弯曲机制的完全转变。此后，研究人员建立了三维线性和非线性有限元模型（FEM），预测结果与试验数据吻合良好，极限荷载误差低于5%。基于经过验证的有限元模型进一步开展了参数分析，重点考察SHCC厚度对承载力贡献的影响。在此基础之上，基于临界剪切裂缝理论（CSCT）提出了能够综合考虑既有混凝土板、UGSR机械锚固和植入SHCC梁三方面贡献的解析计算公式，并通过对比分析确定了合理的SHCC开裂折减系数（ω = 0.5）。
主要技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：足尺试验验证，试验包含七块板，分为三组研究不同加固参数影响；基于ABAQUS平台建立三维线性和非线性有限元模型，混凝土采用塑性损伤模型（CDP），橡胶采用Mooney-Rivlin超弹性本构，通过表面接触模拟各组件相互作用；基于临界剪切裂缝理论（CSCT）推导解析计算公式，并联合有限元参数分析进行验证。
研究结果
6.1 破坏模式
未加固的基准板S0发生经典冲切锥破坏，表现为柱穿透板顶面。G1组中，UGSR加固板表现出更高开裂荷载，其中S2-(2d)比S1-(2.5d)具有更优约束效果，且完全改变了破坏模式。G2组中橡胶层进一步延迟了裂缝生成，使破坏模式彻底转变为延性弯曲破坏，体现出橡胶层对局部应力重分布的重要作用。G3组植入SHCC梁后开裂荷载提升最为显著，S6-(3d+0.7SH)开裂荷载约为基准板的5.69倍，破坏呈延性弯曲模式，UGSR有效加强了SHCC梁与板之间的协同工作。
7 荷载-挠度曲线
G1中S2-(2d)表现出比S1-(2.5d)更平缓的上升段和更大的极限挠度。G2组中橡胶层使极限挠度提升71%和84%，表现出缓慢下降的后峰段。G3组中SHCC梁加固板的刚度和延性均显著提升，较厚SHCC梁（0.7d）具有更长的平台段，极限挠度增大93%，破坏过程稳定且荷载逐渐下降，完全消除了脆性冲切特征。
8 极限承载力
三种加固方式均不同程度地提高了极限承载力：G1组分别提升40%（2.5d）和44%（2d）；G2组分别提升48%（单层橡胶）和59%（双层橡胶）；G3组提升幅度最大，分别达77%（0.5d）和89%（0.7d）。SHCC梁厚度的增加是决定承载力增幅的关键参数。
9 弹性刚度与耗能能力
UGSR锚固于2d位置使初始刚度提升73%，但对能量耗散的提升有限（约23%~26%）。橡胶条带的引入在刚度增益约84%的同时使耗能能力提升超过4倍。SHCC植入方案的协同增益最为突出，刚度分别提升约4倍（0.5d）和7倍（0.7d），能量耗散分别提升约4.8倍和7.2倍，充分展示了SHCC应变硬化和多重微裂行为对结构韧性的贡献。
10 延性指数
G1组延性提升仅约28%，表明单纯的UGSR锚固系统仍受冲切脆性主导。G2组引入橡胶层后延性提升80%~91%，证实橡胶对延缓裂缝局部化和提升耗能具有显著作用。G3组采用SHCC植入后延性提升为基准板的2.25倍（50 mm）和2.73倍（70 mm），实现了结构响应从脆性冲切到延性弯曲的彻底转换。
14 有限元验证
有限元模型预测的荷载-挠度曲线与试验结果在上升段、峰值荷载、后峰延性以及破坏模式各方面均吻合良好，极限荷载比值Pu,Exp/Pu,FEM均值为0.954，变异系数约1.9%，极限挠度比值Δu,Exp/Δu,FEM均值为1.055，变异系数约1.5%，验证了模型对加固参数变化的敏感性捕捉能力。
15-16 解析公式与参数分析
基于临界剪切裂缝理论推导的解析公式综合考虑了普通混凝土板、植入SHCC梁和锚固UGSR三者的贡献，参数分析表明SHCC厚度增加显著提升冲切承载力，折减系数ω取0.5时与试验及有限元结果最为吻合。
讨论与结论
研究表明，所提出的混合加固策略能有效将板柱连接的脆性冲切破坏转化为延性弯曲破坏，承载力、刚度、延性和耗能能力均获得大幅提升。当SHCC梁厚度为70 mm且布置于距柱面3d处时综合性能最优，承载力提升89%，刚度提升约7倍，耗能提升约7.2倍。有限元模型被证明可精确预测加固板的力学行为。所提出的解析公式综合考虑了普通混凝土板、锚固UGSRs和SHCC植入三者的贡献，能够准确估算冲切承载力，可为实际工程设计中选择满足目标承载力并避免脆性破坏的SHCC梁厚度提供可靠依据。论文发表于《Structures》。
