型钢与表面粗糙环氧涂层Fe-SMA钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯性能

《Engineering Structures》：Flexural behavior of concrete beams hybrid-reinforced with steel and textured epoxy-coated Fe-SMA rebars

　　

摘要 当通过电阻加热激活时，铁基形状记忆合金（Fe-SMA）钢筋可以将自预应力引入混凝土梁中；然而，当它们与传统钢筋绑扎在一起并在钢筋笼内激活时，可靠的电气绝缘是必不可少的。在本研究中，使用纹理环氧涂层 Fe-SMA 钢筋作为嵌入式自预应力钢筋。在四点弯曲下测试了十二根矩形混合配筋梁，考虑了钢筋/Fe-SMA 钢筋比例（2:1 和 1:1）、Fe-SMA 表面状况（未涂层和纹理环氧涂层）、激活条件（未激活和在 150 °C 下激活）以及高低温循环（?20 °C 至 +80 °C，持续 60 天）。还开发了一个包含有效自预应力的截面模型来预测开裂、屈服和极限弯矩。结果表明，纹理环氧涂层在 80 °C 环境加热和 100–300 °C 电阻加热处理后保持了视觉完整性和电气绝缘。所有试件均表现出典型的少筋受弯破坏；涂层没有改变破坏模式，对极限承载力影响有限。150 °C 激活始终使开裂荷载增加了 30.9%–72.3%，并使对应于 0.3 mm 裂缝宽度的荷载增加了 12.5%–40.0%，同时将极限承载力的变化限制在±3% 以内。60 天循环后，极限承载力变化保持在±5% 以内，并保留了良好的抗裂性。理论预测与测试结果吻合良好，极限弯矩估计较为保守。总之，纹理环氧涂层 Fe-SMA 钢筋实现了安全可控的电阻加热激活，并在高低温循环后保留了混合配筋梁中的裂缝控制益处。

引言 裂缝控制是钢筋混凝土梁适用性和耐久性的核心。开裂会降低构件刚度并促进有害物质的侵入，从而加速钢筋腐蚀和界面劣化[1,2,3,4]。传统预应力可以有效延缓开裂，但需要张拉设备和锚固系统。相比之下，预应变铁基形状记忆合金（Fe-SMA）钢筋可以通过电阻加热激活期间的受限回复产生内部压缩预应力，从而消除了对大型张拉设备和永久锚具的需求[5,6,7,8,9,10]。由于 Fe-SMA 仍然比传统钢材昂贵得多，用 Fe-SMA 钢筋替代普通混凝土梁中的所有传统配筋通常是不切实际的；因此，混合钢 -Fe-SMA 配筋提供了一种更合理的解决方案。在该系统中，传统钢材提供主要的承载能力、延性和构造功能，而放置在受拉区的少量 Fe-SMA 配筋引入自预应力以延缓开裂、控制裂缝宽度并提高服役阶段刚度，对极限受弯承载力的影响相对有限[11,12,13,14]。

关于 Fe-SMA 在混凝土结构中的应用研究主要集中在梁、板和柱上，其中 Fe-SMA 作为纵向钢筋、箍筋、约束环或局部连接件，以增强受弯和抗剪能力、裂缝控制、耐火性和疲劳性能。早期研究主要调查了使用近表面安装 Fe-SMA 条或钢筋对现有 RC 梁的加固，并报告了开裂荷载增加、挠度减小以及承载能力和延性提高[14,15,16,17]。对于新建梁，Hong 等人使用 Fe-SMA 钢筋作为纵向钢筋和箍筋，并调查了激活对受弯、抗剪和疲劳行为的影响[18,19,20]，以及通过有限元模拟研究激活温度的影响[21]。Zheng 等人 [22,23] 将 Fe-SMA 钢筋与传统钢筋结合，利用火灾诱发的回复应力减小挠度并提高耐火性。Yeon 等人 [24]、Sun 等人 [25]、Río-Bonnín 等人 [26,27] 和 Zhao 等人 [28,29] 分别将 Fe-SMA 配筋扩展到单向板、桥梁铰接节点、主动连续连接件和 UHPC 板和板，通常改善了抗裂性和服役阶段行为。Fe-SMA 螺旋环也用于混凝土柱的主动约束 [30]，而多物理场模拟阐明了激活和构造参数对温度和应力场以及预应力产生的影响 [31,32]。

当 Fe-SMA 钢筋嵌入新构件并通过电阻加热激活时，可靠的电气绝缘对于激活安全至关重要。在钢筋笼中，Fe-SMA 钢筋可能会接触或紧密交叉传统钢筋。不足的电气隔离可能会允许电流通过这些接触点分流到钢筋笼中，造成短路、局部加热、激活效率降低和施工安全风险。为了解决这个问题，Dong 等人 [12] 提出了一种结合 Fe-SMA 钢筋、塑料波纹管和高温砂浆的系统，其中导管提供电气绝缘，砂浆提供激活后的界面粘结。后续研究表征了加热后 Fe-SMA 砂浆粘结 [33,34] 并证明了该系统在混凝土 T 型和 I 型梁中的受弯和抗剪有效性 [11,35]。尽管基于导管的系统提供了可靠的电气绝缘和界面保护，但在钢筋笼内安装和协调波纹管以及现场砂浆灌浆，增加了施工复杂性和空间需求。

为了克服这些限制，本研究用纹理耐热绝缘环氧涂层取代了基于导管的系统，允许 Fe-SMA 钢筋直接嵌入混凝土。消除波纹管和现场砂浆灌浆简化了施工，减少了钢筋笼拥挤，降低了现场劳动力需求，而成熟的环氧粉末涂层工艺促进了标准化生产和成本控制，从而提高了所提系统对新建混凝土构件的适用性。然而，涂层改变了钢筋表面和界面接触条件，可能会改变界面摩擦和机械互锁，从而影响粘结和预应力传递。常规设计规定通过降低设计粘结强度或增加锚固长度来处理涂层引起的粘结降低 [36,37]。一项配套的中央拔出研究表明，涂层使 Fe-SMA 混凝土极限粘结强度降低了约 19%–26%，并提出了一种包含峰值和残余降低系数的粘结 - 滑移模型 [38]。这种局部粘结降低是否显著影响开裂行为、裂缝控制和自预应力在构件层面的有效贡献仍不清楚。

在服役期间，Fe-SMA 加固混凝土梁可能会经历由季节和昼夜温度变化及太阳辐射引起的反复热循环 [39,40]。在本研究中，采用 -20 至 +80 °C 作为实验室热循环范围：-20 °C 代表寒冷地区暴露，而 +80 °C 则被选为加速热暴露的故意严酷上限 [41,42]。60 次循环方案用于比较性实验室筛选，并不意味着与特定服役历史或设计服役寿命在定量上等效。对于采用的 100 °C 暴露跨度，Fe-SMA、环氧涂层和混凝土之间的热膨胀系数差异得出自由差分热应变的理论上限估计约为 0.3%–0.8% [43]。由此产生的热不匹配可能会产生循环界面应力和局部界面变形，可能促进混凝土微开裂 [44,45,46]，削弱界面接触和机械互锁 [47,48,49]，并导致预应力松弛。因此，反复高低温循环后涂层 Fe-SMA 自预应力梁的受弯性能需要实验评估。

总之，尽管 Fe-SMA 自预应力已应用于新建受弯构件，但大多数现有研究使用了未涂层 Fe-SMA 钢筋或基于导管的绝缘系统。对于直接嵌入的纹理环氧涂层 Fe-SMA 钢筋，涂层相关粘结降低和反复热循环的构件层面后果仍了解不足。针对此类混合配筋梁，覆盖开裂、屈服和极限状态并经实验验证的截面模型也有限。为了填补这些空白，本研究在构件层面评估了涂层相关粘结变化和热循环如何影响混合钢 -Fe-SMA 梁的分阶段受弯响应。十二根用传统钢材和涂层或未涂层 Fe-SMA 钢筋混合配筋的新建矩形梁在四点弯曲下进行了测试，考虑了 Fe-SMA 钢筋数量、涂层状况、电阻加热激活和高低温循环作为变量。记录了荷载 - 跨中位移、裂缝宽度和钢筋及混凝土应变，同时使用三维数字图像相关（3D-DIC）捕捉全场变形和裂缝演化。进一步开发了一个包含有效自预应力的截面模型，并与测量的开裂、屈服和极限弯矩进行验证，以评估自预应力的分阶段贡献。

材料特性 纵向拉伸钢筋由 HRB500 传统钢筋、未涂层 Fe-SMA 钢筋和涂层 Fe-SMA 钢筋组成。使用直径为 6 mm 的 HRB400 钢筋作为箍筋。在与梁试件相同条件下养护的 150 mm 混凝土立方体的 28 天抗压强度为 57 ± 2 MPa。在 -20 至 +80 °C 之间经历 60 次高低温循环后，立方体抗压强度为 59 ± 4 MPa。Fe-SMA 钢筋的名义直径为 10 mm，且 a

涂层 Fe-SMA 钢筋的绝缘性能 涂层 Fe-SMA 钢筋在不同温度处理后的绝缘测试结果汇总于表 3，表面外观和代表性测试装置分别如图 8、图 9 所示。涂层和未涂层钢筋的端到端电阻均约为 0.3 Ω，证实了 Fe-SMA 基材的电气连续性。未涂层钢筋的表面对端电阻也约为 0.3 Ω，而所有涂层测点均显示 OL 在

基本假设和有效自预应力 为了定量解释自预应力 Fe-SMA 钢筋对混凝土梁受弯行为的影响，开发了截面分析模型来计算开裂、屈服和极限弯矩。Fe-SMA 钢筋的数量通过钢筋面积明确考虑，而激活条件由梁中的有效自预应力 σpe 表示。在模型中，σpe 代表梁弹性释放后的实际自预应力水平

结论 在本研究中，纹理环氧涂层 Fe-SMA 钢筋直接用作新建混凝土梁受拉区的自预应力钢筋，并以未涂层 Fe-SMA 钢筋作为参考。对十二根矩形梁进行了四点弯曲测试和理论分析，考虑了 Fe-SMA 钢筋数量、表面涂层、150 °C 电阻加热和高低温循环作为变量。主要结论如下：(1)纹理环氧涂层

CRediT 作者贡献声明 Zhian Zhao: 撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。Zhiqiang Dong: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取，形式分析，概念化。Jie Wang: 撰写 – 审阅与编辑，调查，形式分析。Hong Zhu: 撰写 – 审阅与编辑，监督。Tao Wang: 撰写 – 审阅与编辑。Yijie Pan: 资金获取。

利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢 作者感谢中国国家重点研发计划 (No. 2024YFD1600404)、江苏省优秀青年基金 (No. BK20230088)、国家自然科学基金 (Nos. 52378139 和 52478307)、东南大学芝山青年学者计划 (No. 2242025RCB0007) 和中央高校基本科研业务费 (No. 2242022k30031) 的财政支持。

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