在循环荷载下采用CFF和SCCFL片材加固的钢筋混凝土梁的弯曲性能

为易震环境提供更强的桥梁与建筑

我们日常依赖的许多混凝土桥梁和建筑正悄然在车流、风荷载甚至轻微地震下逐渐老化。拆除重建既昂贵又扰民，因此工程师们在寻找能为老旧结构赋予第二生命的智能方法。本研究探讨将薄碳纤维片材——其中部分经硅酮涂层处理——粘接于钢筋混凝土梁底侧，能否在反复拉压作用下提升其承载力与耐久性，模拟真实服役条件下的循环作用。

给疲弱混凝土贴上一块高科技“创可贴”

现代混凝土梁通常内含钢筋以承受拉力，但随着时间推移，钢筋可能腐蚀，梁在重复重载下也会产生裂缝。与其增加笨重的支撑构件，工程师如今可将柔性碳纤维片粘贴到梁的外表面，类似于贴上强力的医疗绷带。碳纤维质量轻、抗拉强度高于钢且不生锈。本项工作比较了两种材料：传统碳纤维织物和新型硅酮涂覆的碳纤维层合板。硅酮涂层旨在改善碳纤维与混凝土的粘结性能并提供环境保护。

研究团队如何测试加固梁

研究者浇筑了十五根与小型桥梁或建筑楼板相近尺寸的混凝土梁。其中三根保持原状作为对照，其余通过在底侧粘接一层或两层碳纤维织物或硅酮涂层层合板进行加固（底侧为梁弯曲时受拉的一侧）。所有试件随后置于试验框架中，在其长度方向的两点反复加载。荷载在循环中缓慢增加与减少，同时仪器记录梁的挠度、裂缝扩展情况、刚度保持情况以及在发生明显破坏前吸收的能量。

循环荷载下的表现

加固梁明显优于未加固的混凝土梁。粘接一层碳纤维织物的梁承载力比对照梁提高约三分之一，粘接两层织物的梁表现更佳。硅酮涂层层合板的效果更为显著：一层涂层使梁的承载力大约比对照提高约三分之二，粘接两层几乎使承载力翻番。经改造的梁在相同荷载下的挠度更小，裂缝更细且间距更密，并且可见裂缝的首次出现由对照梁约1.5千牛延迟到涂层层合板加固梁的4.5千牛以上。载荷—挠度回线的能量滞回测量显示，涂层层合板有助于梁在每个循环中消散更多能量，这表明在震动或通行荷载下具有更好的抗疲劳性能。

硅酮涂层碳纤维脱颖而出的原因

除了简单的强度外，梁最终的破坏方式也很重要。对照梁通常通过较大的弯曲裂缝和顶部混凝土压碎失效。采用常规碳纤维织物的梁往往在织物开始从混凝土表面剥离时失效，界面成为薄弱环节。相比之下，硅酮涂层的层合板保持了更牢固的粘结。这类梁在最终失效时通常表现为经过多次荷载循环后的混凝土逐渐压碎或层合板撕裂，而不是突然的脱粘。这种行为表明硅酮层改善了碳纤维与混凝土间的抓接力，帮助加固后的梁在循环荷载下更长时间保持刚度和能量吸收能力。

对日常结构的意义

对非专业读者而言，结论很直接：经过妥善施加的碳纤维“包裹”可以显著延长现有混凝土结构的寿命与安全性，而在本研究中硅酮涂层层合板是效果最好的选择。通过在某些情况下近乎翻倍的弯曲强度、延迟裂缝出现以及在多次循环中降低刚度损失，这些薄片为改造老旧桥梁和建筑以更好抵御车流、风和地震提供了切实可行的方法，而无需大规模重建。面对城市基础设施老化和需求增长，此类加固方法有助于让关键结构更长久、更安全地服役。

引用: Sujitha, V.S., Sriram, A.G., Raja, S. et al. Flexural performance of RC beams strengthened with CFF and SCCFL sheets under cyclic loading. Sci Rep 16, 6491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35884-w

关键词: 碳纤维加固, 钢筋混凝土梁, 疲劳与循环荷载, 结构加固改造, 基础设施耐久性