使用碳纤维增强聚合物（CFRP）锚栓以倒U形包裹或全包裹加固的钢筋混凝土（RC）T形梁的抗剪承载力评估

《Next Materials》：An evaluation of the shear capacity of strengthened reinforced concrete T-beams with inverted U-wrap or completely wrapped using CFRP anchors

　　

本研究探讨了使用碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）片材和锚栓加固的钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）T形梁的抗剪承载力，特别关注现有规范尚未完全涵盖的加固方案。研究方法包括测试十三个试件，包括一个对照组试件、六个仅使用CFRP片材加固的试件，以及六个使用CFRP片材和CFRP锚栓以防止过早剥离的试件。关键变量包括包裹方案（双侧、倒U形包裹和全包裹）和条带间距（150 mm、200 mm和250 mm）。梁试件设计为无箍筋，以消除横向钢筋的贡献，仅由混凝土和CFRP抵抗剪力。采用四点弯曲试验对试件加载直至破坏。主要研究结果表明，与对照组试件相比，CFRP条带和锚栓使抗剪强度提高了40–50%，且随着条带间距的减小，性能显著改善。然而，由于CFRP片材层数不足，尽管安装了CFRP锚栓，所有试件均发生剪切破坏，未达到极限弯矩。本研究的意义在于解决了ACI 318–19和ACI 440.2R中缺乏关于使用锚栓的倒U形包裹和全包裹方案设计程序的问题。研究推荐了针对这些方案的具体计算方法，证明倒U形包裹的行为与U形包裹（U-wrap）程序一致，且锚栓辅助包裹可有效模拟全包裹系统。

研究背景：

外部加固钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）结构近年来日益普及，广泛应用于增强因劣化或损坏而导致强度不足的结构构件。采用碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）片材包裹是提高结构构件抗剪承载力的常用方法之一。其中，外贴（Externally Bonded, EB）技术因其安装方法比其他技术更简便高效而被优先选用。然而，易发生剥离破坏（debonding failure），即混凝土与加固材料之间的分层以及两种材料承受的高拉力导致的破坏模式，是设计中必须考虑的重要方面，因为这种非预期破坏会显著降低强度，导致结构突然坍塌。

目前，ACI 440.2R-2017推荐的CFRP片材典型包裹方案包括两侧包裹（two sides）、U形包裹（U-wrap）和全包裹（completely wrapped）。两侧包裹方案虽可提高抗剪承载力以达到极限弯矩，但由于抗剪需求较高，该方式可能不足以抵抗剪力，从而导致剥离破坏。因此，可采用U形包裹或全包裹方法以提高抗剪承载力并最小化剥离可能性。全包裹方法易于应用于具有各种截面形状（尤其是圆形截面）的柱，但在加固有楼板的梁时，由于楼板阻碍无法使用全包裹方法，通常仅采用两侧或U形包裹。若要在梁上实现全包裹加固，则必须使用锚固方法，涉及钻孔穿过楼板以嵌入锚栓。此外，除提高抗剪承载力外，此种锚固还可避免CFRP片材突然分层。

然而，现行规范（如ACI 318–19和ACI 440.2R）尚未提供关于采用CFRP锚栓的两侧包裹和U形包裹方案（如图中所示的倒U形包裹（inverted U-wrap）和全包裹）的抗剪承载力V_FRP计算程序。因此，本研究旨在评估采用倒U形包裹或配备CFRP锚栓的全包裹试件的抗剪承载力计算程序，以推荐适用于此种加固方案的合适计算方法，并为使用CFRP包裹和CFRP锚栓的加固方法领域贡献实验数据。

研究人员开展的研究及结论与意义：

研究人员以T形截面简支梁试件模拟梁的抗剪加固，翼缘模拟楼板，使用CFRP片材和CFRP锚栓作为加固材料。CFRP锚栓由位于锚栓两端的扇状部分（fan）和嵌入混凝土中的销钉（dowel）组成。CFRP片材采用两侧和U形包裹两种配置，变化距离作为加固方案，并使用CFRP锚栓以避免剥离并提高抗剪承载力。

研究人员共测试了十三个T形梁试件（长度L为2000 mm，高度H为300 mm；翼缘宽度b_f为300 mm，高度h_f为75 mm；腹板宽度b_w为125 mm，高度h为225 mm）。试件包括一个对照组（C），三个采用两侧CFRP片材加固的T形梁（FSN），三个采用倒U形包裹配CFRP锚栓的T形梁（FSA），三个采用U形包裹（FUN）的T形梁，以及三个采用配CFRP锚栓的CFRP片材全包裹（FUA）的T形梁。变化变量为CFRP包裹方案、锚栓安装以及CFRP条带间距（150 mm、200 mm和250 mm）。所有加固系统均采用单层布置，以使CFRP条带的贡献最小化。试件设计为无箍筋，以观察混凝土和CFRP对抗剪的贡献。混凝土圆柱体抗压强度f_c'为31.05 MPa。使用的CFRP片材主纤维方向极限抗拉强度f_fu为986 MPa，拉伸模量E_f为95800 MPa，厚度t_f为1 mm。

研究人员采用四点弯曲试验，使用容量500 kN的液压千斤顶对所有试件单调加载直至破坏。控制试件（C）如预期发生突然剪切破坏，最大剪力为57.45 kN。FSN试件（两侧CFRP片材）在最大剪力分别为71.66 kN、69.29 kN和53.27 kN时发生剪切破坏，伴随CFRP片材在靠近支座的剪跨区下端发生混凝土保护层分离，这是两侧CFRP片材方案的特征破坏模式。FSA试件（倒U形包裹配CFRP锚栓）的最大剪力分别为85.66 kN、70.73 kN和78.57 kN，破坏模式与FSN试件相似，均发生了CFRP片材和CFRP锚栓的剥离，源于重叠区域应力分布不均，导致锚扇与片材间的粘结界面在锚销达到其 full抗拉或拔出能力之前发生过早失效。FUN试件（U形包裹）的最大剪力分别为86.23 kN、70.77 kN和66.51 kN；对于FUN-1和FUN-2，CFRP剥离始于条带上端，而FUN-3因支撑附近CFRP条带间发展的斜裂缝而发生剪切破坏。FUA试件（全包裹配CFRP锚栓）的最大剪力分别为114.7 kN、96.98 kN和94.29 kN，高于其他试件；破坏更为严重，始于锚栓剥离，随后CFRP条带脱粘，其行为与FSA试件（倒U形包裹配锚栓）非常接近。所有试件均发生剪切破坏，未达极限弯矩（除FUA-1在纵筋屈服后发生剪切破坏），归因于CFRP片材层数不足。

研究重要结论指出，CFRP条带使试件的抗剪强度较对照组提高了21–100%（视加固方法而定），且条带间距越小，抗剪强度越高。加固试件的剪切破坏始于CFRP条带剥离，观察到两种剥离破坏模式：混凝土保护层分离以及CFRP条带及其锚栓的分层。两侧方案加固对抗剪的贡献低于U形包裹方案，但安装CFRP锚栓可显著提高抗剪强度。研究人员推荐，倒U形包裹CFRP锚栓方案的计算程序可与U形包裹方案相同；同时推荐，配备CFRP锚栓的全包裹的理论承载力可使用规范提供的全包裹方案程序进行计算。测试结果验证了通过在T形梁上安装本文所述方法的CFRP锚栓，可实现T形梁的全包裹加固方案。

论文发表在《Next Materials》（Elsevier旗下开放获取的多学科材料科学期刊，涵盖从纳米到宏观、基础到应用以及跨学科材料相关研究）。

主要关键技术方法：

研究人员制作了十三个无箍筋的钢筋混凝土T形梁试件（包括对照组、两侧CFRP片材加固组、倒U形包裹配CFRP锚栓组、U形包裹组、全包裹配CFRP锚栓组），变化CFRP条带间距（150 mm、200 mm、250 mm）。采用CFRP片材（f_fu=986 MPa, E_f=95800 MPa, t_f=1 mm）及扇型CFRP锚栓（销钉长280 mm、直径10 mm，扇部50 mm×50 mm）进行加固。所有试件通过四点弯曲试验使用500 kN液压千斤顶单调加载至破坏，记录荷载、位移及裂缝发展。理论抗剪承载力依据ACI 318–19及ACI 440.2R-2017计算，考虑混凝土贡献V_c（采用Thamrin等推荐的含翼缘影响系数α的有效翼缘方程）及CFRP贡献V_FRP（针对不同包裹方案采用相应应变极限ε_fe及折减系数k_v、k₁、k₂）。抗弯承载力V_f采用纤维单元法（fiber element method）分析截面并获荷载-挠度曲线。

研究结果：

1. 1.
   Introduction（引言）
   研究人员指出外部加固RC结构日益增多，CFRP片材包裹是常用的抗剪加固方法，EB技术因其简便被优先采用，但存在剥离破坏风险。两侧包裹可能不足以抗剪导致剥离，U形或全包裹可提高承载力。全包裹多用于柱，但梁因楼板受限多用两侧或U形包裹，需锚栓实现全包裹并防分层。规范缺乏两侧及U形包裹配CFRP锚栓的V_FRP计算程序，故本研究评估倒U形包裹和全包裹配锚栓的方案以推荐计算方法并贡献实验数据。
2. 2.
   Experimental study（试验研究）
   2.1. Material properties and specimen details（材料属性与试件详情）
   研究人员设计了十三个无箍筋T形梁试件（尺寸L=2000 mm