轴压荷载下CFRP筋增强高性能混凝土柱的结构行为研究

《Scientific Reports》：Structural behavior of HPC columns reinforced with CFRP bars under axial loading

　　

本研究旨在探讨碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber-Reinforced Polymer, CFRP）筋增强高性能混凝土（High-Performance Concrete, HPC）柱的轴压行为，其研究动机源于CFRP的高强度、抗疲劳性和抗腐蚀性。尽管具有上述优势，有限的研究制约了其实际应用。研究人员对8根HPC柱（截面尺寸150×150 mm，高度1200 mm）进行了轴压试验，这些柱采用M50级混凝土，并掺入8%硅灰和高效减水剂。关键参数包括轴向荷载能力、变形、破坏模式和延性。结果表明，与钢筋增强柱相比，CFRP增强柱的极限荷载仅降低了5.7%。然而，CFRP试件在保持相当延性的同时，吸收了约8%更多的能量。试验过程中未发生CFRP筋断裂；纵向CFRP筋中记录到的最大应变达到其极限拉伸应变能力的约65%（2600 μm/m，极限值为4000 μm/m）。采用现有约束混凝土模型进行的理论强度预测与试验数据吻合。总体而言，该研究表明CFRP纵筋和箍筋可替代传统钢筋用于HPC柱。荷载能力的轻微降低被改善的能量吸收和环境效益（包括耐腐蚀性和潜在更长的使用寿命）所抵消。这些发现支持CFRP在混凝土结构中的更广泛应用，尤其是在恶劣条件下对耐久性要求较高的场景。该工作提供了有价值的试验数据，并验证了分析模型，有助于弥合阻碍CFRP增强材料在实际建筑中广泛采用的知识鸿沟。

《轴压荷载下CFRP筋增强高性能混凝土柱的结构行为》论文解读

研究背景：高性能混凝土（High-Performance Concrete, HPC）因高强度、良好延性和耐久性，被广泛用于高层建筑、桥梁和海洋结构。但传统钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）中钢筋腐蚀是主要病害，尤其在恶劣环境。碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber-Reinforced Polymer, CFRP）具有非腐蚀、非磁、非导电、抗疲劳等优点，是潜在替代材料。然而，现有研究多集中于普通强度混凝土（Normal-Strength Concrete, NSC），对HPC柱采用CFRP纵筋和箍筋的轴压性能研究有限，尤其是HPC的脆性破坏与CFRP线弹性行为的相互作用尚不明确。为此，研究人员设计试验，通过对比钢筋和CFRP筋增强HPC柱的轴压行为，评估CFRP筋的可行性。

研究内容与结论：研究人员制作8根方形HPC柱，分为钢筋组（A）和CFRP组（B），变化箍筋直径（6 mm、8 mm）和间距（100 mm、150 mm），进行单调轴压试验。结果表明，CFRP柱极限荷载较钢柱降低0.8%~8.2%，但在充分约束下达到钢柱承载力的92%~99%；CFRP柱能量吸收能力更高（如C1-B比C1-A高33.2%），延性指数略高；CFRP筋最大压应变约为极限拉伸应变的65%，未发生断裂。理论预测与试验数据吻合，表明CFRP筋可作为HPC柱纵筋和箍筋的替代方案，尤其适用于腐蚀环境。该研究提供了试验数据并验证了分析模型，有助于推动CFRP筋在实际工程中的应用。

主要技术方法：试验在埃及住房和建筑研究中心进行。采用M50级HPC（实测立方体抗压强度50.2 MPa），配比包括普通硅酸盐水泥、8%硅灰、天然砂、碎石白云岩和聚羧酸高效减水剂。钢筋采用12 mm高强变形钢筋（屈服强度435 MPa）和6/8 mm光圆钢筋；CFRP筋为12 mm碳纤维筋（拉伸强度2013 MPa，弹性模量111.3 GPa），箍筋采用湿法缠绕手工制作。试件尺寸150×150×1200 mm，纵向配4根12 mm筋，箍筋配置为φ6@100/150或φ8@100/150。采用5000 kN MTS试验机位移控制加载（0.25 mm/min），预载10%后正式加载；测量装置包括LVDT位移计、应变片和数据采集系统，采样频率10 Hz。

研究结果：
1. 开裂荷载与极限荷载行为：通过应变片和目测确定开裂荷载，CFRP柱开裂荷载略高于钢柱（高1.3%~5.6%），因CFRP箍筋线弹性可持续提供约束压力。极限荷载方面，钢柱略高，C3-B比C3-A低8.2%，而C1-B仅低0.8%，充分约束可缩小差距。
2. 破坏模式：低约束（φ6@150）试件产生宽斜裂缝和脆性破坏；高约束（φ8@100）试件逐渐压碎。CFRP柱在低约束下突然破坏，但C3-B表现最好。
3. 荷载-轴向位移行为：相同荷载下CFRP柱轴向位移更小，如970 kN时C3-B位移4.60 mm，比C3-A小9.27%，表明CFRP箍筋约束更有效。
4. 柱的延性：延性指数DI=δ_0.85/δ_u，CFRP柱DI比钢柱高0.3%~0.9%，其中C3-B最高（1.0751），约束增强对CFRP柱延性提升更显著（2.33% vs 1.85%）。
5. 能量吸收：通过荷载-位移曲线下面积计算，C1-B能量吸收为3250 kN·mm，比C1-A高33.2%；但C2-B因约束不足低于C2-A。高约束下CFRP柱和钢柱能量吸收几乎相同（3142 vs 3129 kN·mm）。
6. 应变分析：纵筋应变显示，相同荷载下CFRP筋应变高于钢筋（如1000 kN时高39.5%），最大压应变2600 μm/m约为极限拉伸应变（4000 μm/m）的65%。箍筋应变显示CFRP箍筋约束刚度更高，且100 mm间距优于150 mm。混凝土应变对比理论预测，CFRP约束试件与弹性理论更接近。
7. 理论承载力计算与试验对比：采用ACI 318-19、ECP 203-2018、ACI 440.1R-15、Zrar等（2019）和Maranan等（2016）公式预测。未考虑约束时各公式低估承载力；引入约束修正项后预测精度提高，尤其ACI 318-19（钢柱）和Zrar、Maranan公式（CFRP柱）。ECP公式仍过于保守。
8. 模型性能讨论：基本公式均未显式考虑箍筋直径、间距和体积配箍率，无法反映试验中承载力随约束增强而提高的现象。提出的约束修正公式（P_n,conf=P_n,basic（1+αρ_sf_c'））能初步改善预测，但需更多数据验证。ECP公式因采用偏保守系数，即使修正后仍低估，故提出HPC修正系数λ_HPC=1.8~2.3。

讨论与结论总结：讨论部分指出，约束水平是控制CFRP增强HPC柱结构响应的关键参数。在充分约束（φ8@100）下，CFRP柱与钢柱性能相当，因此CFRP筋可作为短HPC柱在同心轴压下的有效替代材料。研究结论翻译如下：
1. 钢柱极限荷载比CFRP柱高0.8%~8.2%，但充分约束的CFRP柱能达到钢柱承载力的92%~99%，证明CFRP筋在足够约束下可有效承受压缩。
2. 相同荷载下，CFRP柱轴向位移小于钢柱（如970 kN时C3-B位移4.60 mm，比C3-A的5.07 mm减小9.27%）。
3. 约束水平从φ6@150提高到φ8@100，使CFRP柱延性提高2.33%，高于钢柱的1.85%。
4. 高约束CFRP柱获得更优能量吸收（C1-B为3250 kN·mm，高于C1-A的2440 kN·mm），但约束不足会限制变形能力。
5. 理论预测精度高度依赖约束效率。
6. 引入初步约束修正能改善ACI 318-19（钢柱）和Zrar等、Maranan等（CFRP柱）公式的预测能力，但ECP 203-2018仍偏保守。
7. 试验表明约束水平是控制CFRP增强HPC柱响应的主导参数，充分约束时CFRP柱与钢柱性能相当。
8. 根据试验结果，CFRP筋增强HPC柱在适当约束下表现出与钢柱相当的结构性能，可作为同心轴压短柱的替代方案。
9. 由ECP公式的试验-预测比值得出修正系数λ_HPC=1