嵌入地聚物基体的FRP小杆加固钢筋混凝土梁的受弯性能与脱粘机理

《Engineering Structures》:Flexural behavior and debonding mechanism of RC beams strengthened with FRP mini-bars embedded in geopolymer matrix

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月13日 来源:Engineering Structures 7.6

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   摘要碳纤维增强聚合物(CFRP)提供了一种高效的加固方案,然而,通过提高配筋率来追求更高的承载力会引发过早的界面剥离。玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)作为一种具有成本效益的替代方案,凭借较低的弹性模量,在不妨害力学性能的情况下,从本质上缓解了界面应力集中。本研究利用四点弯曲试

  

摘要

碳纤维增强聚合物(CFRP)提供了一种高效的加固方案,然而,通过提高配筋率来追求更高的承载力会引发过早的界面剥离。玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)作为一种具有成本效益的替代方案,凭借较低的弹性模量,在不妨害力学性能的情况下,从本质上缓解了界面应力集中。本研究利用四点弯曲试验、数字图像相关法(DIC)和三维有限元分析,考察了采用FRP细钢筋-地质聚合物增强体系的钢筋混凝土(RC)梁的弯曲行为与剥离机理,评估了FRP增强刚度、FRP类型以及基体材料的影响。结果表明,采用3根4 mm钢筋(3Φ4)进行CFRP加固可将极限承载力提高36.6%。尽管增加配筋量(6Φ4或9Φ4)能有效改善屈服后刚度,却会引发过早的界面剥离,无法带来额外的极限承载力,并造成延性指数最多损失57.7%。直接替换为BFRP(3Φ4)可达到CFRP承载力的82.8%及其屈服后刚度的64.6%。等刚度的4Φ6设计以CFRP材料成本的51.1%恢复了相当的性能,但加剧了界面应力并促进了过早剥离,这一问题通过高韧性基体得以缓解。最后,基于扩展的参数化模拟,建立了破坏模式图与经验边界方程,提供了一种双向定量工具,用于预测破坏模式并反演设计允许的最大加固刚度限值以防止剥离。

引言

由于卓越的强度重量比、出色的环境耐腐蚀性和易于安装,外贴纤维增强聚合物(FRP)已被广泛用于土木工程基础设施的结构加固 [[1], [2], [3], [4]]。然而,传统有机树脂粘合剂固有的物理和化学局限性严重限制了该技术的长期耐久性。这些有机粘合剂在高温下会发生热降解 [5] 并存在火灾隐患 [6],同时与潮湿基材的适应性较差 [7]。其固有的不透水性会在界面处积聚水蒸气,引发过早的分层 [8]。为突破这些瓶颈,水泥基复合材料和改性矿物材料等无机基体被视为有机粘合剂的理想替代物 [[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。其中,地质聚合物因其兼具优异的热稳定性以及低碳与环保效益,为开发高效且可持续的FRP增强地质聚合物基体(FRGM)体系提供了关键的物质基础 [[17], [18], [19]]。其碳足迹远低于普通硅酸盐水泥 [20,21]。
在各类FRP材料中,碳纤维增强聚合物(CFRP)凭借其高抗拉强度、高弹性模量以及出色的耐腐蚀性,在钢筋混凝土加固领域受到特别关注 [[22], [23], [24]]。近期关于碳基水泥基复合材料和FRP增强无机基体体系的研究也反映出,人们仍在持续努力为混凝土加固应用开发耐久且可持续的替代方案 [14,25,26]。对于以纵向弯曲为主导的钢筋混凝土梁,双向FRP网格中的横向钢筋可能无法被充分利用。在此背景下,嵌入地质聚合物基体中的CFRP细钢筋在加固钢筋混凝土梁方面展现出相当大的潜力 [[27], [28], [29]]。这种结构性能从根本上得益于CFRP的优异性能,以及显著提升的界面荷载传递效率 [19,30]。然而,CFRP的原材料成本仍然制约着该技术的规模化工程应用 [27]。CFRP与地质聚合物基体之间显著的弹性模量不匹配容易在界面处诱发局部高剪切应力梯度。为满足不同结构承载力需求而提高配筋率,会进一步加剧这种应力集中。这种增强的应力状态最终会在CFRP的拉伸潜力被充分利用之前,引发脆性界面剥离破坏 [27,29]。
玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)提供了一种具有成本效益且弹性模量相配的替代方案 [31,32],前提是将其嵌入低碱地质聚合物(LAG)中以防止碱性降解 [[33], [34], [35], [36]]。要达到与CFRP体系相当的刚度或极限强度加固目标,有必要通过增加细钢筋数量或增大钢筋直径来提高BFRP配筋率。这两种策略都不可避免地会降低界面效率:减小钢筋间距会导致应力场重叠,而增大直径则会减少相对粘结面积,从而放大界面剪切需求 [19]。因此,在仅依赖无机基体传递界面剪切应力的FRGM体系中,不同的BFRP加固策略可能会导致界面荷载传递效率和整体加固性能出现显著差异。然而,这些局部界面响应如何主导被加固梁的整体弯曲行为和破坏模式,仍有待阐明。
为解决这一问题,本研究考察了采用CFRP和BFRP细钢筋加固、旨在实现不同配筋刚度水平的钢筋混凝土梁的弯曲行为与剥离机理。此外,还进行了初步研究以评估基体黏度增强和内部增韧在改善FRP-地质聚合物体系界面性能方面的潜力。结合四点弯曲试验与数字图像相关法(DIC),表征了被加固梁的荷载承载行为、破坏模式和全场应变演化。建立并验证了一个三维非线性有限元模型(FEM),纳入了由剪切试验标定的界面粘结本构参数。经验证的模型被用于追踪界面损伤的演化,并阐明配筋刚度和粘结特性在主导剥离行为方面的作用。最后,进行了广泛的参数化分析,建立了将配筋刚度比与界面剪切强度关联起来的破坏模式图。随后提出了一个经验临界边界方程,以预测破坏模式并支持BFRP-FRGM加固体系的设计优化。

章节摘要

配筋

对于钢筋混凝土梁,采用直径8 mm和14 mm的钢筋分别作为横向箍筋和纵向配筋。在加固层内,采用了4 mm直径的CFRP细钢筋以及直径为4 mm和6 mm的BFRP细钢筋。所有配筋的力学性能均通过单轴拉伸试验表征。这些评估遵循了FRP筋的GB/T 30022-2013 [37]标准和钢材的GB/T 228.1-2021 [38]标准

破坏模式与裂缝形态

图4展示了所有试验试件的破坏模式和裂缝分布。对照试件(CON)呈现出典型的弯曲破坏,表现为跨中开裂和受压区混凝土压碎。采用低配筋刚度(EfAf)的试件C-3Φ4-LAG和B-3Φ4-LAG显示出与CON相似的破坏模式。加固层与钢筋混凝土梁保持了整体完整性,并在基体-基材界面附近观察到局部的界面剥离

模型总体描述

在商业软件ABAQUS中建立了一个三维非线性有限元模型(FEM),以模拟FRGM加固钢筋混凝土梁的弯曲行为,数值计算采用静态通用求解器。
几何尺寸和配筋布置按照试验试件建立,如图9所示。混凝土梁和LAG层采用带缩减积分和沙漏控制的8节点线性六面体单元进行建模

结论

通过四点弯曲试验、全场数字图像相关法(DIC)监测和三维有限元分析,本研究考察了FRGM加固钢筋混凝土梁的弯曲行为和破坏机理。FRP细钢筋配置和无机基体类型被评估为主要变量。主要结论如下:
  • (1)
    FRGM加固使钢筋混凝土梁的极限承载力提高了24.2–40.3%。提高配筋刚度改善了

CRediT作者贡献声明

王辉翔:撰写-初稿、方法学、调查研究、形式分析、数据整理。 彭开帝:撰写-审阅与编辑、可视化、调查研究、概念化。 白玉磊:撰写-审阅与编辑、监督、经费获取。

利益冲突声明

作者声明,他们没有任何已知的竞争性经济利益或可能对本研究工作中所述内容产生影响的个人关系。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划(项目编号 2023YFB2604400)、北京市自然科学基金(项目编号 JQ23036)以及中国国家自然科学基金(批准号 52478294 和 52508325)提供的财政支持。
王辉翔|彭开帝|白玉磊
北京工业大学桥梁安全与韧性国家重点实验室,北京,100124,中国
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