在承受冲切剪力时使用薄层混合FRP加固腐蚀钢筋混凝土楼板‑柱节点

为什么老化的混凝土地板会突然失效

许多停车库、仓库和高层建筑采用由柱直接支撑的平板混凝土地面。这种设计节省了空间和材料，但隐藏着一个危险的弱点：称为冲切剪力的脆性破坏，楼板可在柱周围突然穿透而几乎没有预警。当混凝土内部的钢筋生锈时，这种风险会增加。本摘要研究探索了一种新的加固方法，利用由玻璃纤维和碳纤维制成的超薄、轻质复合条带来加固这些易损节点。

日常建筑中的隐蔽薄弱点

平板‑柱体系因省去梁并允许开放、灵活的空间而广受欢迎。代价是每根柱与楼板连接处承受集中的大力。如果混凝土和配筋无法抵抗这些力，楼板可能在柱周围以锥形碎片的形式突然失效。过去的地震和停车库意外倒塌事件显示了这种“冲切”破坏的灾难性后果。传统的防护措施，如额外配筋、下沉板或加厚楼板区域，会增加重量、成本和施工复杂性，且在旧建筑中常常缺失。更糟糕的是，除冰盐和恶劣环境会逐步腐蚀内部钢筋，降低强度并增加冲切失效的可能性。

腐蚀对混凝土节点的影响

当钢筋腐蚀时，会膨胀并使周围混凝土开裂。此过程削弱了若干本来有助于抵抗冲切剪力的机制：断裂混凝土表面之间的粗糙咬合、穿过裂缝的钢筋所产生的“销轴”作用，以及钢筋与混凝土之间的粘结。即便是中等程度的锈蚀，也能将楼板的破坏模式从相对缓和的弯曲破坏转移为突然的冲切断裂。以往研究多半单独研究腐蚀或加固，且常集中于梁或柱，而非关键的楼板‑柱节点。本研究针对这一特定节点，考察在钢筋已受损时不同加固布置的表现。

对受损节点测试薄型混合条带

研究人员制作了十一组缩尺的内部楼板‑柱节点试件，每组代表平板楼层的典型内柱。部分试件保持完好，另一些则通过在盐溶液中采用加速电化学方法使配筋质量损失约15%，以模拟腐蚀。随后，他们在楼板底部柱周围粘贴了由玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）或两者混合制成的薄型复合条带。条带以不同图案布置，特别关注一种倾斜布置，旨在穿越冲切过程中形成的径向裂缝。试件通过柱向下加载直至破坏，研究团队测量了承载力、挠度以及裂缝扩展情况。

新加固策略的表现

仅腐蚀便使冲切承载力约降低三分之一，且破坏时的挠度几乎翻倍，较未受损节点明显下降。添加复合条带后，这部分损失大幅得到逆转。玻璃纤维系统比受腐蚀的对照试件提高约30%–51%的冲切强度，碳纤维系统提高约40%–60%，混合玻碳条带提高约57%–77%。加固后的节点在开裂前表现出更大的刚度、延迟裂缝形成，并呈现更稳定的荷载—挠度响应。然而，增益并非无限增加：在约两层或总复合材料厚度约0.6–1.2 mm以上时，额外材料只带来较小的强度提升，因为条带在被充分利用前便开始与混凝土发生剥离（脱粘）。研究者利用与试验校准的先进计算模拟，探索了条带厚度、层数、布置和腐蚀程度等多种变体。他们发现，对于所测几何尺寸，偏移柱面50 mm且采用倾斜混合条带的布置在增强强度与控制裂缝方面取得了最佳平衡。

对严重腐蚀结构加固的限制

研究还表明，一旦腐蚀变得严重，加固的实际效果存在上限。在腐蚀程度从5%到30%范围内的模拟试件中，最优混合加固的相对增益从轻微腐蚀时约51%的额外承载力下降到最高腐蚀水平时约25%。随着更多钢材被腐蚀并且周围混凝土退化，连接逐渐由脆性的冲切和条带脱粘所主导。到那时，单纯增加复合材料在不改善粘结或处理基础退化的情况下收效甚微。

对实际建筑的意义

对于负责老化停车库或平板楼建筑的工程师来说，研究结果表明，采用非常薄且有策略地布置的玻碳混合条带，可能是一种实用的补强措施，能在中度腐蚀的楼板‑柱节点中部分恢复安全性。该系统轻便、外加施用，不需要加厚楼板或增加重型钢构件。然而，其成效高度依赖于良好的粘结、条带布置的精细处理，以及腐蚀程度尚未达到极端。简言之，这种技术能为处于风险的节点换取有价值的额外承载力和刚度，但并非万能：严重腐蚀仍需更大规模的修复或更换，并且每栋建筑都应在本研究测试条件的范围内进行评估。

引用: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

关键词: 冲切剪力, 钢筋混凝土楼板, 腐蚀, FRP加固, 楼板‑柱节点