关于采用混合钢纤维增强塑料（FRP）箍筋加固的混凝土梁的抗剪性能及使用可靠性的实验研究

《Engineering Structures》：Experimental study on shear behavior and serviceability of concrete beams reinforced with hybrid steel-FRP stirrups

混凝土梁抗剪性能研究中，钢-FRP混合箍筋系统通过内钢外FRP配置有效提升抗剪能力达36.4%，延性指数提高30.3%，并优化裂缝控制。

　　

莫斯塔法·H·肖艾布（Mostafa H. Shoaib）|王欣（Xin Wang）|穆罕默德·R·阿卜杜拉蒂夫（Mohamed R. Abdellatif）|刘水（Shui Liu）|吴志森（Zhishen Wu）|阿姆尔·M·A·穆萨（Amr M.A. Moussa）

教育部C与PC结构重点实验室，东南大学国家及地方统一工程研究中心（玄武岩纤维生产与应用技术），中国南京211189

摘要

本研究通过实验探讨了采用新型混合箍筋系统（结合内部钢筋和外部纤维增强聚合物FRP箍筋）的混凝土梁的剪切性能和适用性。该混合箍筋系统的设计旨在提高结构在恶劣环境中的延展性和抗腐蚀性。共测试了11根全尺寸简支梁，这些梁被分为四组，分别评估了箍筋材料类型、钢筋与FRP的面积比、间距以及箍筋布置方式（包括传统绑扎方式、螺旋绑扎方式和交错布置方式）对梁性能的影响。测试结果表明，混合箍筋不仅增强了梁的剪切承载能力，还提高了其延展性，并有效控制了裂缝的发展。在钢筋轴向刚度相同的情况下，与传统的钢筋箍筋相比，采用混合箍筋的梁的剪切承载能力提高了36.4%，位移延展性指数提高了30.3%，服务载荷承载能力提高了47.4%。当钢筋与FRP的面积比为1.0且箍筋间距较小时，梁在强度和裂缝控制方面表现出了良好的平衡性。螺旋绑扎方式的箍筋进一步增强了约束效果，使位移延展性指数比采用传统绑扎方式的梁提高了21.8%。研究结果表明，这种新型混合箍筋系统是一种有前景的剪切加固技术，能够有效提升混凝土梁的剪切性能。

引言

钢筋混凝土（RC）梁的剪切破坏是一种脆性且突然的破坏模式，对结构安全构成重大威胁，尤其是在地震或腐蚀性环境中。这种破坏模式的特点是在没有明显变形的情况下迅速丧失承载能力，如果处理不当，可能导致灾难性倒塌[1]。在传统的RC设计中，通过设置钢筋箍筋来抵抗剪切力并约束混凝土核心，从而提高梁的剪切承载能力和延展性。这些箍筋通常布置在梁的外表面附近，以最大化其约束效果。然而，这种布置方式使它们容易受到环境因素的影响，特别是在沿海或工业等腐蚀性较强的环境中，那里氯化物离子等腐蚀性物质较为普遍[2]。腐蚀会加速箍筋的损坏，降低其截面面积，并削弱其与周围混凝土的粘结强度，导致混凝土保护层开裂或剥落[3]、[4]。随着时间的推移，严重的箍筋腐蚀可能会改变梁的破坏模式，使其从弯曲破坏转变为剪切破坏，即使最初的设计目的是为了实现延性破坏[5]、[6]。 为了减缓钢筋箍筋的腐蚀，人们探索了多种方法，包括增加混凝土保护层[7]、涂覆表面密封剂或涂层[8]、使用耐腐蚀的钢筋材料（如不锈钢[9]以及实施阴极保护系统[10]。例如，研究表明，磷酸盐涂层可以机械性地阻止氯化物离子等腐蚀性颗粒的侵入，从而降低腐蚀速率。不锈钢钢筋（如SUS304）在富含氯化物的环境中具有优异的耐久性，尽管初始成本较高，但应用越来越广泛。然而，这些方法往往存在施工成本增加、应用复杂以及在极端腐蚀条件下长期效果有限等缺点。因此，对于暴露在恶劣环境中的结构而言，仍需要创新、经济且耐用的替代方案。 近年来，纤维增强聚合物（FRP）材料作为耐腐蚀的钢筋替代品受到了广泛关注[11]、[12]，并且被证明是增强结构构件的有效材料[13]、[14]、[15]。FRP箍筋，尤其是由玻璃纤维（GFRP）、玄武岩纤维（BFRP）或碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的箍筋，具有较高的抗拉强度、低密度和耐腐蚀性，使其成为腐蚀环境中的理想选择。多项研究探讨了用FRP箍筋替代传统钢筋箍筋的可能性，但结果表明，FRP加固的梁通常具有较低的剪切承载能力[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。FRP加固的梁通常以脆性剪切-拉伸模式破坏，箍筋往往在直线部分或弯曲部分发生断裂[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。此外，FRP箍筋产生的剪切裂缝宽度较大，且其服务载荷强度相对较低[27]、[28]。因此，设计规范（如ACI 440.1R-15 [29]、CSA S806–12 [30]）通过限制FRP箍筋的允许应力和应变来应对这些问题，以控制剪切裂缝宽度，保持混凝土的结构完整性并避免弯曲部分的早期破坏。然而，FRP材料本身的脆性行为和较低的弹性模量限制了其在剪切载荷下的延展性，这对于超载或地震事件中的结构安全至关重要。 为了克服FRP箍筋的局限性，人们提出了结合钢筋和FRP箍筋的混合加固系统。这种方法旨在利用钢筋的延展性和能量吸收能力，同时利用FRP的耐腐蚀性。据作者所知，仅有两项研究[31]、[32]探讨了采用钢-FRP复合箍筋（SFCB）加固的RC梁的剪切性能，结果显示其剪切强度和变形能力优于传统钢筋箍筋。然而，由于SFCB箍筋的直径较小，其外层FRP保护层也相应较薄，这可能导致制造过程中箍筋在弯曲部分发生扭曲或屈曲，从而削弱了对内部钢筋的保护效果。其他方法，如将FRP条嵌入两层钢筋之间[33]或用CFRP包裹钢筋条[34]，虽然提高了延展性，但未解决钢筋的耐腐蚀问题。相比之下，黄和李[35]研究了在梁表面附近交错布置钢-GFRP混合箍筋的混凝土梁的剪切性能，证明了其能够有效控制剪切裂缝。尽管有所改进，但传统的混合配置（将钢筋箍筋布置在外表面附近）仍容易受到腐蚀，从而限制了其使用寿命。这表明，要同时实现良好的耐腐蚀性和性能提升，需要超越简单的材料替代，而是根据各组分的特性进行战略性布置。因此，需要新的混合箍筋布置方式来优化耐腐蚀性和结构性能。

在此背景下，本研究提出了一种改进的钢-FRP混合箍筋配置（图1），旨在提高RC梁的耐腐蚀性、剪切性能、裂缝控制和延展性。在新的配置中，根据材料特性合理布置钢筋和FRP箍筋，从而实现更好的性能。本文的贡献不仅限于评估这种混合箍筋系统本身，还研究了其与混合纵向加固结合时的剪切行为。混合纵向加固的采用基于先前的研究结果，这些研究表明混合纵向加固能够提高结构的耐久性和延展性[36]、[37]、[38]。这种配置使得梁在纵向和横向上都实现了完全的混合化，更接近实际应用。为了评估这种新布置的有效性，进行了实验研究，涉及11根全尺寸简支RC梁，这些梁接受了两点加载试验。试验矩阵包括3根参考梁和8根采用不同混合钢-FRP箍筋配置的梁。评估了梁的裂缝形态和破坏模式、开裂载荷和剪切承载能力、载荷-变形响应、延展性、纵向和横向钢筋的应变、剪切裂缝宽度以及服务载荷等性能指标。本研究的结果为优化混合加固策略提供了宝贵见解，有助于在恶劣环境中提高梁的剪切抗力和耐腐蚀性。

混凝土

为了确保实验的一致性和可操作性，所有梁试件均使用市售的高强度预拌混凝土进行浇筑。混凝土配合比设计如下：每立方米包含1088公斤碎石（最大粒径10–12毫米）、639公斤细砂（细度模数=2.8）、452公斤普通波特兰水泥（P.O. 42.5）和169升饮用水。为了提高混凝土的性能，添加了聚羧酸基超塑化剂。

测试结果与讨论

表3总结了在大规模RC梁上进行的两点弯曲试验所得到的关键实验结果。以下部分详细分析了所研究参数对梁机械性能的影响，特别关注了这些参数对裂缝形态和破坏模式、剪切承载能力、载荷-变形响应、延展性、纵向和横向钢筋应变、裂缝宽度以及服务载荷等方面的影响。

结论

本研究通过实验研究了采用新型混合箍筋系统（内部为钢筋，外部为FRP箍筋）的RC梁的剪切性能和适用性。共测试了11根全尺寸RC梁，以评估箍筋材料类型、钢筋与FRP的面积比、间距以及几何配置对剪切承载能力、开裂行为、延展性和应变发展的影响。主要结论如下：

• 1.
  所提出的

符号说明

FRP
纤维增强聚合物
RC
钢筋混凝土
GFRP
玻璃纤维增强聚合物
BFRP
玄武岩纤维增强聚合物
CFRP
碳纤维增强聚合物
ACI
美国混凝土协会
CSA
加拿大标准协会
SFCB
钢纤维复合箍筋
GB/T
中华人民共和国国家标准 f_cu
混凝土立方体抗压强度 r_b
FRP箍筋的弯曲半径 d_b
FRP箍筋在弯曲区域的直径 ρ_sf,s
混合截面中钢筋的有效加固比 ρ_sf,f
有效

CRediT作者贡献声明

莫斯塔法·H·肖艾布（Mostafa H. Shoaib）：负责撰写初稿、验证、调查和概念构思。 王欣（Xin Wang）：负责撰写、审稿和编辑、监督、调查以及资金申请。 穆罕默德·R·阿卜杜拉蒂夫（Mohamed R. Abdellatif）：负责方法论设计、数据整理。 刘水（Shui Liu）：负责验证、调查和数据分析。 吴志森（Zhishen Wu）：负责撰写、审稿和编辑、监督以及概念构思。 阿姆尔·M·A·穆萨（Amr M.A. Moussa）：负责撰写、审稿和编辑、数据整理以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢中国国际科技合作计划（编号2024YFE0198400）、国家自然科学基金（编号52278244）以及中央高校基本科研业务费（编号2242024k30039、2242024k30050）提供的财政支持。