使用薄直径近表面装配钢丝提高钢筋混凝土深梁抗剪强度：一项试验研究

更坚固的梁、更安全的日常结构

建筑物、桥梁和停车场都依赖厚重的混凝土梁来承载巨大荷载。当这些“深梁”发生剪切断裂时，后果可能既灾难性又昂贵。该研究探索了一种简单且低成本的方法来显著提高此类梁的安全性：在混凝土表层下方布置细钢丝。通过试验不同的钢丝布置如何影响裂缝与破坏，研究人员展示了这一适度升级如何延长现有结构的寿命并提高可靠性。

为何深梁是薄弱环节

深配筋混凝土梁的受力行为不同于许多教科书中描述的细长梁。由于跨度短、截面深，力沿被称为“斜压杆”的压缩对角路径传递，而不是像弯曲木板那样均匀分布。当这些对角斜压杆发生剪切开裂时，破坏往往来得突然且脆性，几乎没有预警。传统的修复方法——增加内部箍筋或采用更高强度混凝土——对既有结构并不总是现实可行；而现代纤维基材料虽有效，但成本较高、对高温敏感或难以与旧混凝土可靠粘结。因此工程师需要既稳健、又经济且便于在实际工程中施工的加固方法。

一种新思路：表层下的细钢丝

研究团队考察了一种已知加固方法的变体，即近表面装配（NSM）加固。不同于使用粗钢筋或粘贴在外表的纤维条，他们在梁的外表面切割非常浅的沟槽，放入直径2.5毫米的钢丝，然后用高强度环氧树脂填充这些沟槽。这些细钢丝柔韧、廉价，且仅需在保护层做小幅切割，便于对既有梁进行加固。研究人员浇筑了十一根相同的深梁，在三点弯加载装置下进行试验。一根梁作为对照，其他梁在一个剪跨上采用了垂直、水平、对角或网格（格状）布置，并在每种布置中使用不同数量的钢丝。

梁在荷载下的表现

在逐步加载过程中，团队记录了裂缝的发展、梁的挠度以及各试件在破坏前的承载力与吸能能力。未加固的对照梁出现了一条主要的对角裂缝，并在220千牛的荷载下突然发生剪切破坏。增加垂直钢丝有所改善：通过与对角裂缝交叉，它们将抗剪承载力提高了最多约50%，但同时使梁更刚硬、破坏前的变形能力下降。水平钢丝效果最小，因为它们大多与主对角裂缝平行；即使在最佳情况下，承载力也仅提高约三分之一，且破坏模式变化不大。相比之下，对角钢丝——与梁内部的自然斜压杆对齐——尤其有效。最重加固的对角试件承载力约比对照高62%，破坏前吸收的能量增加超过170%，且裂缝变得更细且分布更均匀。

简单钢丝网的威力

最突出的是网格配置，它在剪切危区上形成由若干垂直和水平钢丝组成的小型格栅。该简单布置从多个方向约束了对角压缩区，产生了最细密的裂缝网络。网格加固的梁极限承载力比对照高约59%，吸能能力翻倍以上，同时显示出所有试件中最高的刚度。在若干最佳布置中，破坏位置甚至从被加固的一跨转移到了梁的对侧未加固区，清楚表明这些钢丝成功稳固了原先的薄弱环节。

对实际结构的意义

对于非专业读者，关键信息是：细且廉价的钢丝，只要在混凝土梁表层下进行合理布置，就能显著改善梁的裂缝发展与破坏模式。当这些钢丝以对角或简单网格形式配置时，它们有助于梁承载更多荷载、抵抗突发对角裂缝并在破坏前耗散更多能量，而施工仅需浅沟槽与较少材料。研究表明，近表面装配钢丝系统有望成为加固老旧桥梁与建筑的实用且具成本效益的工具，为工程师提供在无需大规模重建的情况下提高日常基础设施安全性的新增途径。

引用: Elkafrawy, M., Altobgy, M.A. & Fayed, S. Enhancing the shear strength of reinforced concrete deep beams using thin-diameter near-surface mounted steel wires: an experimental study. Sci Rep 16, 7186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37355-8

关键词: 钢筋混凝土, 抗剪加强, 深梁, 近表面装配加固, 钢丝