基于机器学习的自密实混凝土连续梁近表层嵌入玻璃纤维增强聚合物加固性能研究

《Eng》：Machine Learning-Based Prediction of Breakdown Voltage in High-Voltage Transmission Lines Under Ambient Conditions

本文通过实验与数值模拟，系统研究了自密实混凝土（SCC）双跨连续梁采用近表层嵌入（NSM）玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋加固后的抗弯性能。研究结果表明，GFRP加固可显著提升梁的极限承载力，但加固位置直接影响破坏模式与延性；基于Abaqus/Standard建立的混凝土损伤塑性（CDP）模型能高精度（偏差<3%）预测梁的非线性响应，为实际工程加固设计提供了可靠工具。

　　

1. 引言

自密实混凝土（SCC）作为一种高性能混凝土，因其优异的流动性和自密实性，在结构构件中的应用日益广泛。然而，既有混凝土基础设施的劣化以及满足现代设计规范的需求，使得结构加固技术备受关注。纤维增强聚合物（FRP）复合材料以其高强轻质、耐腐蚀等优点，成为替代传统钢材加固的首选材料。近表层嵌入（NSM）法是FRP加固的重要方法之一，它将FRP筋或板条嵌入混凝土保护层预先切割的槽中，并用环氧树脂粘结，具有优于外贴（EB）法的性能。尽管已有大量研究关注FRP加固传统振捣混凝土（VC）简支梁，但针对更能反映真实结构行为（如桥梁、框架）的SCC连续梁的研究仍相对有限。本研究旨在通过实验与数值模拟相结合的方法，探究NSM GFRP筋加固对SCC连续梁抗弯性能的影响。

2. 实验研究

2.1. 材料力学性能

实验所用SCC的配合比包括水泥320 kg/m³、石灰石填料100 kg/m³以及不同粒径的天然骨料，水灰比约为0.49。新拌SCC的坍落度流动直径为605毫米，T₅₀₀流动时间为4.8秒，符合SF1（流动性）和VS2（粘度）等级。硬化混凝土的力学性能通过立方体和圆柱体试件测试，其28天抗压强度（f_c,28）和弹性模量（E_c,28）等参数详见文中表格。钢筋（B500B）和GFRP筋的力学性能由厂家提供或实验测定，GFRP筋表现为线弹性直至破坏。环氧树脂粘结剂的力学性能则依据供应商技术数据表选取。

2.2. 试件

研究制作了四根几何尺寸和配筋相同的SCC双跨连续梁，截面尺寸为120毫米×200毫米，总长3200毫米，跨度1500毫米，纵筋为?8的B500B钢筋，箍筋为?6钢筋。

2.3. 加固方法与变体

加固采用NSM技术，步骤包括用金刚石锯在混凝土保护层切割沟槽（25×25毫米）、清理沟槽并涂刷底漆、填入环氧树脂并放置GFRP筋、最后用环氧树脂填平沟槽。设计了三种加固配置：梁G1仅在中支座顶部区域加固；梁G2仅在两个跨中底部受拉区加固；梁G3则在中支座顶部和跨中底部均进行加固。

2.4. 试验过程

梁的加载试验在实验室进行，采用液压作动器通过分配梁施加两个集中荷载。荷载通过HBM U2A荷载传感器测量，挠度通过线性可变差分变压器（LVDT）记录，应变通过粘贴在钢筋、GFRP筋和混凝土表面的应变片监测。数据采集使用MGC-plus和SPIDER8系统及Catman软件。

2.5. 试验结果

荷载-跨中挠度曲线清晰展示了各梁的行为。加固梁表现出更高的刚度，但延性有所降低。各梁的屈服荷载、极限荷载、破坏时跨中挠度及延性指数均有详细比较。破坏模式各异：对照梁因钢筋屈服形成塑性铰；G1梁在跨中截面形成塑性铰后，中支座顶部混凝土压碎；G2梁在中支座形成塑性铰，随后受拉钢筋水平附近混凝土保护层剥离；G3梁则发生环氧树脂脱粘与混凝土保护层分离的突然破坏。梁G3的延性指数最低，表现为脆性破坏。

3. 数值模拟

3.1. 有限元模型

基于Abaqus/Standard软件建立了三维有限元（FE）模型。利用对称性，仅对梁的四分之一进行建模以节省计算资源。边界条件根据实验支座情况（中支座为铰支座，端支座为滚轴支座）进行设置，荷载以面压力的形式施加。

3.2. 材料模型

混凝土采用混凝土损伤塑性（CDP）模型，其受压应力-应变关系依据实验数据，受拉行为采用经验公式定义。环氧树脂同样采用CDP模型，其参数依据供应商数据。钢筋采用多线性等向强化模型，箍筋采用双线性随动强化模型，GFRP筋则简化为线弹性材料。

3.3. 相互作用模型

环氧树脂层与混凝土基体之间的相互作用采用粘性接触单元模拟，定义了法向和切向最大应力。钢筋与混凝土之间、GFRP筋与环氧树脂之间均假设为完全粘结（无滑移）。

3.4. 有限元网格

混凝土梁和环氧树脂层采用六面体减缩积分单元（C3D8R）离散，钢筋和GFRP筋采用桁架单元（T3D2）。进行了网格收敛性分析，最终确定混凝土全局网格尺寸为15毫米，环氧树脂层网格尺寸为12.5毫米。

3.5. 数值结果与讨论

数值模拟得到的荷载-挠度曲线与实验结果高度吻合，在弹性阶段、开裂后至钢筋屈服阶段、以及屈服后至破坏阶段均表现出良好的一致性。极限荷载和跨中挠度的数值与实验值偏差均小于3%，验证了模型的可靠性。模型还成功模拟了各梁的破坏机制，包括混凝土开裂（通过拉伸损伤参数表征）、混凝土压碎（通过压缩损伤参数表征）以及环氧树脂-混凝土界面的应力传递。荷载-应变曲线的对比也进一步支持了模型的有效性，尽管在非线性较强的阶段存在微小差异，但总体可接受。

4. 讨论

实验和数值结果均表明，GFRP筋的布置位置和数量显著影响SCC连续梁的极限承载力和延性。在跨中受拉区加固（梁G2）在强度和变形能力之间取得了较好的平衡。而在支座和跨中均加固（梁G3）虽然获得了最高的极限荷载，但导致了脆性破坏。仅在支座顶部加固（梁G1）则表现出有效的应力传递而无脱粘。验证后的数值模型能够准确捕捉梁的非线性行为，包括开裂、压碎和界面粘结-滑移，为参数化研究和NSM加固优化提供了可靠工具。从实践角度，NSM加固设计需谨慎，以避免过度加固和脆性破坏。本研究结果与已有文献关于NSM加固梁中粘结行为和加固布置重要性的结论一致，并扩展至SCC连续梁这一更接近实际工程的结构形式。

5. 结论

基于对NSM GFRP筋加固SCC连续梁的实验与数值研究，可得出以下结论：

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  加固有效性：即使少量的GFRP筋也能显著提高梁的抗弯承载力。
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  对延性的影响：NSM加固在增强刚度和强度的同时，往往会降低延性。综合加固（G3）的梁承载力最高，但破坏突然，表现为脆性。
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  破坏机制：对照梁因钢筋屈服和跨中混凝土压碎破坏；G1梁因中支座顶部混凝土压碎破坏；G2梁因受拉钢筋水平混凝土保护层部分剥离破坏；G3梁因环氧树脂层与混凝土保护层同时脱粘破坏。
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  数值验证：在Abaqus/Standard中建立的有限元模型准确复现了实验响应，证实了该建模方法适用于进一步的参数化研究。
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  实践意义：NSM技术有效，但需精心设计以避免过度加固和过早脱粘。在受拉区加固（如梁G2）能在承载力和延性间取得最佳平衡。由于测试梁数量有限，未能对所有参数进行全面的统计分析，但所呈现的实验和数值结果为后续验证和参数化研究、以及NSM FRP加固SCC连续梁的可靠设计奠定了坚实基础。
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  未来工作：未来研究应侧重于参数化数值分析，以优化NSM加固配置。系统改变FRP筋长度、截面积和布置位置，以确定达到预期抗弯性能所需的最小加固量。此外，还应研究长期性能、循环荷载以及环境效应（温度、湿度、冻融）的影响，以制定全面的设计指南。