论文分享 I 玄武岩纤维网格增强工程水泥基复合材料抗弯加固钢筋混凝土梁弯曲性能试验

来源：复合材料学报

出版年份：2025年

作者：石南，龙关旭，周子桓，孙亚民，韦少东，黄飞衡，张泽军

作者单位：山东高速建设管理集团有限公司，清华大学

论文链接：10.13801/j.cnki.fhclxb.20250509.001

摘要

为研究玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）网格增强工程水泥基复合材料（ECC）对钢筋混凝土（RC）梁的抗弯加固效果以及加固参数对加固效果的影响机制，共制作了10片RC梁并开展了四点弯曲试验。研究了ECC厚度、BFRP网格层数、BFRP网格尺寸和BFRP网格加固量等参数对RC梁抗弯性能的影响规律，并提出了针对该加固方式加固的RC梁极限承载力的理论计算模型。试验结果表明，采用BFRP网格增强ECC加固RC梁能够有效提升RC梁的抗弯性能，开裂荷载、屈服荷载以及破坏荷载相比未加固梁分别提升了62.5%, 11.1%和21.2%，且加固梁的延性水平也更好。ECC厚度提升能够有效抑制界面脱粘破坏，网格层数更少、尺寸更小的加固梁加固效果更好。此外，FRP网格非等厚度多层布置相比等厚多层布置会因加固层变形不协调导致过早的出现界面剥离破坏。最后所提出理论计算模型能够准确地预测加固梁的极限承载力。研究成果可为RC 梁的抗弯加固设计提供理论支撑。

研究背景

在当前桥梁与建筑结构加固领域，纤维增强复合材料（FRP）因其轻质高强、耐腐蚀等优点，已成为提升既有钢筋混凝土（RC）结构性能的常用技术。传统外部粘贴（EB）法和近表嵌入式（NSM）法虽施工便利或粘结性能较好，但仍存在FRP与混凝土界面易发生脱粘、端部剥离或保护层剥离等问题，严重影响加固效果与材料利用率。尽管采用锚固措施可缓解上述问题，却增加了施工复杂度，违背了简便高效的加固初衷。近年来，FRP网格与工程水泥基复合材料（ECC）相结合的新型加固方式逐渐受到关注。该体系通过FRP网格的纵横纤维协同受力及ECC优异的拉伸硬化与多缝开裂特性，显著提升了界面的粘结性能与整体协同工作能力，有效延缓了剥离破坏，提高了加固构件的延性与承载力。然而，现有研究中对ECC厚度、FRP网格层数、尺寸及加固量等关键参数的影响机制尚不明确，且相关结论存在不一致之处。因此，需系统研究各参数对加固梁弯曲性能的影响。

研究内容

该文主要研究了采用玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）网格与工程水泥基复合材料（ECC）协同工作，对钢筋混凝土（RC）梁进行抗弯加固的性能及其作用机理。首先，作者共设计了10片矩形RC梁试件，其中包括1片未加固的对照梁和9片加固梁，研究的主要变量为ECC保护层厚度、BFRP网格的层数、网格尺寸以及网格的总加固量（配网率）。其次，作者对全部试件进行了四点弯曲试验，测得了各梁的开裂荷载、屈服荷载、极限承载力、荷载-挠度曲线、裂缝发展形态以及BFRP网格和钢筋的应变分布等关键数据，研究并分析了上述变量对RC梁破坏模式、抗弯承载力、刚度、延性及BFRP材料利用率的影响规律。最后，作者基于平截面假定和界面粘结断裂能理论，提出了一个能够准确预测此类加固梁极限承载力的理论计算模型，模型预测值与试验结果的平均比值接近1.002，验证了其可靠性，为工程应用提供了理论依据。

图1   试验梁尺寸及钢筋布置（单位：mm）

图2 试验梁加固施工流程

图3  加载装置示意图

图4 试验梁破坏模式及裂缝分布

图5  不同试件的荷载挠度曲线

图6  各组试件极限承载力对比

主要结论

（1）BFRP 网格增强ECC加固法能够有效地提升RC梁的弯曲性能，相较未加固梁开裂荷载、屈服荷载以及破坏荷载分别提升了62.5%、11.1%和21.2%，且加固梁的刚度也有明显的提升。

（2）ECC黏结长度稍大于BFRP网格加固长度可缓解端部应力集中问题，从而有效避免端部剥离破坏发生。ECC厚度提升能够有效抑中部裂缝破坏，当ECC厚度从10mm提升至20mm 时加固梁破坏模式从中部裂缝剥离破坏转变为BFRP网格拉断，FRP网格利用率从87.5%提高至100%；且网格层数更少、尺寸更小的加固梁显示出更好的抗弯加固效果。

（3）通过分析多层BFRP 网格的荷载-应变曲线，发现当BFRP 网格非等厚度多层布置时，加固层变形不协调且会导致过早的出现ECC-混凝土界面剥离，对于较高配网率的加固梁，其FRP 网格利用率仅有57.2%。

（4）通过分析BFRP 网格应变分布增长趋势发现，在0~200 mm 范围内BFRP 网格整个加载过程中应变等级较低，推断本研究中的有效加固长度为2400 mm 为宜。

文章亮点

该文创新性地采用BFRP网格与ECC协同加固RC梁，系统揭示了ECC厚度、网格层数与尺寸等关键参数对弯曲性能与破坏模式的调控机制，并建立了可准确预测极限承载力的理论模型，对推动该加固技术的工程应用具有重要理论意义与实用价值。