对采用多种加固技术的钢筋混凝土梁扭转性能提升的数值研究

为什么扭转梁很重要

当我们想到桥梁或高架公路时，通常会想象它们在荷载下下垂，而不是像拧干的毛巾那样扭转。然而，这种被称为扭转的变形会悄然削弱支撑许多结构的混凝土梁。随着使用方式的改变、更重的交通荷载或材料老化，这些梁可能逐渐丧失工程师原本预留的安全裕度。这里概述的研究通过计算机模拟探索如何高效地加固此类梁，以便在不耗费过多成本或反复试验的情况下，对现有桥梁和建筑进行升级。

梁的加固方式

研究者关注的是钢筋混凝土梁——内部含有钢筋的矩形混凝土构件，这类构件在桥梁主梁、圈梁和端梁等部位尤其容易发生扭转。工程师通常不重建这些构件，而是在外表面增设附加钢筋以加强它们。一种方法称为近表面安装加劲件，它在混凝土上切出浅沟，并将钢筋用环氧胶粘入其中。另一种方法是在梁外侧粘贴薄钢网或纤维网，形成类似笼式的约束，在扭转时帮助保持混凝土整体性。团队将这些方法进行组合和比较，以确定哪种配置能提供最多的额外强度和延性。

用虚拟梁代替大量试验

全尺寸梁的物理实验代价高且耗时，因此作者用Abaqus/CAE仿真程序建立了详细的三维计算模型。该模型以先前一项包含五根梁的实验研究为基础：一根未加固和四根采用不同近表面加劲布局的加固梁。数字模型允许混凝土开裂和降强、钢筋屈服以及胶粘界面的逐步分离，能够逼真地模拟真实材料行为。通过对模型进行细化——选择合适的网格尺寸和控制裂缝扩展的关键参数——他们对极限扭矩和扭转角的预测与实验结果的误差均小于约5%。

寻找额外钢筋的最佳位置

在信赖模型之后，研究人员利用它进行广泛的参数化研究，系统改变加固细节。首先，他们改变了外部近表面钢筋在梁深方向上的搭接长度。非常短的搭接仅带来有限的强度提升，甚至可能降低延性，使梁更突然地失效。当搭接长度增加到约梁深的60%到80%之间时，强度和扭转承载力显著上升：极限扭矩大约翻倍或更多，梁在失效前能明显扭转得更大。超过该范围后，继续增加搭接仍然有益，但相对于增加的材料和施工投入，回报逐渐递减。

叠加钢网与改变加劲方向

接着，团队研究了当近表面钢筋与外部钢网层结合时的效果。增加一层、两层再到三层钢网依次提高了扭转强度，强度可提高到原始承载力的数倍，同时也允许在失效前有更大的扭转变形。然而，增加到第四层或第五层时，梁变得过于刚硬，倾向于发生脆性、突发性的失效，而并未获得太多额外强度——这是对过度加固的一个重要警示。最后，研究者将外部腹筋从垂直布置改为倾斜布置，使其更直接地与扭转常产生的斜裂缝相对抗。这些倾斜体系，尤其是在端部用钩头锚固时，带来了最大的改进：扭转强度提高超过三倍，梁在失效前的可扭转量几乎增加一倍，裂缝也更均匀地分布而不易集中。

对实际结构的意义

对非专业读者而言，主要结论是额外钢筋的布置方式与钢筋总量同样重要。精心设计的近表面钢筋和钢网层可以使梁的抗扭能力增加两倍甚至三倍以上，同时保持失效过程的渐进性而非突发性。搭接长度和钢网层数存在一个“够用但不过量”的明确区间，且沿裂缝走向布置的加劲更为有效。由于计算模型与实际试验高度一致，工程师现在可以将其作为一个实用工具，用以规划对老化桥梁和建筑的成本效益型加固，提升安全性而不必完全依赖昂贵的实验方案。

引用: Yusuf, M.A., Zahran, M.S., Osman, A. et al. Numerical investigation on the torsional improvement of reinforced concrete beams strengthened with various techniques. Sci Rep 16, 8618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38794-z

关键词: 扭转加固, 钢筋混凝土梁, 近表面安装加劲件, 钢网加固, 有限元建模