开孔钢筋混凝土板的抗震加固：预应力钢丝绳新技术

《Engineering Structures》：Seismic strengthening of RC slabs with openings: Novel technique of pretensioned steel wire ropes

　　

• 提出了一种实用且创新的钢丝绳（SWR）加强方法，用于防止平面对抗冲切破坏。
• 抗冲切承载力提高高达60.3%，显示出高效的加强效果。
• 将脆性冲切行为转变为在循环荷载下更具延性和稳定性的响应。
• 即使在有开洞的板中也能保持强劲性能，解决了一个关键的现实挑战。
• 提供了一种简单且可外部应用的解决方案，用于有效地进行平面对抗震加固。

**引言**

钢筋混凝土（RC）平板在现代建筑中越来越普遍。这种结构体系将楼板荷载直接传递到柱子上，无需使用梁，因此成为多层建筑的优选方案[1]。其广泛应用与诸多优势有关，包括减少模板、降低层高、更大的建筑灵活性、更快的施工速度、成本效益、以及更易于布置钢筋和设备安装[2]、[3]、[4]。尽管具有这些优势，但柱周围的剪力和弯矩集中使得该体系极易发生冲切剪切破坏。这种脆性破坏模式可能突然发生，导致渐进式倒塌。这种敏感性可能因使用功能变更、施工或设计缺陷、设计规范更新、材料劣化、或在柱附近设置开洞而加剧[5]、[6]。

在钢筋混凝土平板中，开洞经常位于柱子附近，以容纳机电管线。当开洞离柱子太近时，会减少抵抗冲切剪力的有效混凝土面积，并破坏纵向钢筋的连续性，从而导致局部剪应力升高和抗冲切剪切承载力显著降低[7]。开洞还会在循环荷载下引起刚度、能量吸收和承载能力的显著损失。此外，开洞角部钢筋屈服和较大挠度的发展往往随之出现，标志着结构完整性的下降，并说明了在板柱节点附近引入开洞时正确细部处理的重要性[8]、[9]。

为了提高钢筋混凝土平板的抗冲切剪切性能，特别是在开洞破坏控制周边尺寸的情况下，人们提出了各种外部竖向抗剪加强技术。基于钢的解决方案，包括钢筋、栓钉、螺栓、螺钉和锚栓[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，由于其高刚度和可靠的机械锚固，已被广泛研究。这些系统可以有效地提高抗冲切剪切承载力和延性，先前的研究表明，钢筋、栓钉和螺栓可以显著提高有开洞板的承载能力，在某些情况下，可以恢复甚至超过无开洞板的性能[10]、[11]。然而，其实际应用通常需要钻孔、精确安装和适当的防腐保护，这可能增加施工复杂性和维护要求。

为了克服与基于钢的加强系统相关的某些局限性，纤维增强聚合物（FRP）技术因其自重轻、耐腐蚀和易于施工而被越来越多地采用。基于FRP的解决方案，包括CFRP钢筋、FRP网格和CFRP扇形布置[4]、[13]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，与未加强的试件相比，在抗冲切剪切阻力和延性方面表现出了相当大的改善。然而，FRP系统仍可能出现早期剥离、脆性破坏、耐火性有限和材料成本相对较高等问题，这些在实际应用中需要考虑。考虑到现有基于钢和FRP的加强系统的优缺点，近年来替代技术受到关注，以在结构性能、可施工性和长期可靠性之间取得适当的平衡。

早期研究证明了外部安装预应力钢丝绳（SWR）作为钢筋混凝土梁非粘结抗剪加强技术的可行性，显著改善了抗剪承载力、裂缝分布和峰值后变形能力。这些研究进一步揭示了倾斜钢丝绳布置和更高的预应力水平大大提高了系统的加强效率[20]。随后，螺旋型钢丝绳被引入作为内部横向钢筋，与传统的封闭箍筋相比，它们表现出更优异的裂缝控制、增强的延性和更高的抗剪阻力，显示出作为替代抗剪钢筋系统的潜力[21]。最近的研究证实，连续螺旋型钢丝绳有效地延缓了对角裂缝的扩展，改善了钢筋混凝土梁的服务性能，同时强调了钢丝绳与混凝土粘结对结构响应和延性的重要影响[22]。实验研究进一步表明，连续钢丝绳可以有效地替代传统的横向钢筋，钢丝绳的数量、间距和倾角控制着抗剪阻力、裂缝扩展和变形能力。这些研究还确定了钢丝绳的柔性和粘结特性是控制加强构件整体结构性能的关键参数[23]。

除了抗剪加强之外，钢丝绳系统也被成功地应用于钢筋混凝土构件的抗弯加强。实验研究表明，外部施加的钢丝绳可以增强抗弯强度、刚度、延性、韧性及能量吸收能力，无论是单独使用还是与CFRP加强结合使用[24]、[25]、[26]。空心板中采用预应力钢丝绳[27]和采用钢丝绳系统进行加强的砌体墙[28]也报告了类似的加强效益。最近对钢丝绳复合材料的调查也显示了有利于有效应力传递的良好粘结和锚固特性[29]。

最近，钢丝绳系统的应用已扩展到抗震加强。嵌入工程水泥基复合材料（ECC）夹套中的高强度不锈钢钢丝绳（HSSSWR）网已成功用于钢筋混凝土柱的抗震改造，在反向循环荷载下带来了显著的延性、能量耗散、抗剪阻力和整体抗震性能的改善[30]。这些发现表明，钢丝绳系统在涉及严重循环荷载和抗震结构修复方面具有相当大的潜力。

对现有实验结果的定量比较显示，基于钢、FRP和钢丝绳的加强技术在性能和实用特性方面存在明显差异。对于板柱节点，传统的基于钢的系统（如外部安装的螺栓和钢筋）产生的抗冲切剪切强度增益约为9-18%，同时失效挠度增加54-162%，转动能力提高60-266%[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。相比之下，基于FRP的系统实现了更广泛的抗冲切剪切强度增强，约为16-91%，而延性改善约为35%，最大漂移能力达85%，能量耗散提高35-310%[4]、[13]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。相比之下，基于钢丝绳的系统在各种钢筋混凝土应用中表现出了结构性能的实质性改善，根据不同的加强配置和结构应用，报告了承载能力提高高达250%，延性约为49-98%，能量耗散约为149-713%[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。从实用角度来看，这三种加强方法涉及不同的实施考虑。基于钢的系统提供可靠的机械锚固，但通常需要穿透式钻孔和仔细安装。FRP系统在自重轻、耐腐蚀和易于施工方面具有优势。然而，对剥离和高温的敏感性以及相对较高的材料成本可能限制其应用。基于钢丝绳的系统受益于高抗拉强度、柔性、相对简单的安装和良好的性价比；然而，其加强效率受预应力水平、间距、倾角和粘结特性的影响。因此，选择合适的加强技术不仅应考虑可达到的强度和延性改善，还应考虑可施工性、耐久性和经济性。

然而，先前的研究主要集中在梁、柱、砌体构件和空心板上，而外部安装预应力钢丝绳系统作为钢筋混凝土板柱节点连续竖向抗冲切剪切钢筋的应用几乎未被探索。此外，尚无研究在组合重力荷载和反向循环侧向荷载作用下，研究使用外部安装预应力钢丝绳进行加强的有开洞钢筋混凝土板柱节点的抗震性能。因此，这类系统在恢复中断的剪切传递机制、延缓冲切剪切破坏以及改善有开洞板柱节点抗震行为方面的有效性仍然未知。

为填补这一空白，本研究提出了一种新颖的外部安装预应力钢丝绳加强系统，该系统在板柱节点周围形成连续的预应力加强环。所提出的技术通过大型循环试验进行实验评估，以研究其在增强有开洞和无开洞钢筋混凝土板柱节点的抗冲切剪切阻力、延性、刚度保持、能量耗散、损伤演化和整体抗震性能方面的有效性。

论文组织如下，以提供对所提出加强方法的精确评估。第2节概述了实验方案，包括试件配置、加强细节、材料属性和仪器与加载协议。第3节报告了实验响应，从整体行为和破坏机制开始，然后是滞回和包络特性。随后量化了关键抗震性能指标，包括强度、延性、能量耗散、刚度退化、损伤指标、捏缩宽度比和应变响应，以评估预应力钢丝绳系统的有效性。第4节基于既定的设计规范进行了分析研究，并将预测的抗冲切承载力与实验结果进行了比较。第5节总结了主要发现，并讨论了该技术对增强有开洞钢筋混凝土板柱节点冲切性能的启示。

**试件规格**

实验方案包括四个大型钢筋混凝土板柱外节点，在反向循环准静态荷载下进行试验，同时在每次试验过程中对柱子保持恒定的轴向荷载。试验矩阵包括一个实心对照试件（CS）、一个在柱附近具有四个方形开洞的对照试件（CS-O）、一个无开洞的钢丝绳加强试件（SWR）和一个在柱附近具有四个方形开洞的钢丝绳加强试件（SWR-O）。

**实验发现与讨论**

本节考察了在反向循环荷载下板柱节点获得的实验结果。试件的主要特征总结于表1。实验方案的进一步细节见第2节。讨论重点在于观察到的结构响应以及板开洞和钢丝绳加强对循环行为和损伤发展的影响。

**分析研究**

为进一步验证实验发现并评估所提出加强技术的实际应用性，将实测抗冲切承载力与三个广泛采用的设计规范预测值进行了比较，即ACI 318-25 [32]、欧洲规范2 2023（EC 2）[56]和fib模型规范2020（MC2020）[57]。比较的目的是评估现有规范公式预测传统和加强板柱节点抗冲切阻力的能力。

**结论**

本研究实验考察了四个大型钢筋混凝土板柱节点在有开洞和无开洞、使用预应力钢丝绳系统加强的情况下，在组合重力荷载和反向循环侧向荷载作用下的抗震响应。发现基于试件观察到的响应，并为所提出系统的结构行为和加强机制提供了见解。结果表明，位于柱子附近的板开洞……

**CRediT作者贡献声明**

Davood Mostofinejad：撰写-审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，概念化。
Navid Jafarian：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。
Ali Raji：验证，资源，项目管理，调查，概念化。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报道的工作。