内置FRP钢筋混凝土填充绕制FRP管状拱的弯曲行为

为恶劣地下环境设计更强的隧道支护

现代城市和交通系统越来越依赖隧道与地下空间，但支撑这些空间的混凝土和钢材会随着时间悄然退化。阴暗、潮湿且常带化学腐蚀性的地下环境会腐蚀钢材并损伤混凝土，增加维护成本并带来安全隐患。本研究探索了一种新型隧道支护拱，用玻璃纤维复合材料替代易锈钢材，并结合经特殊加固的混凝土，旨在在传统材料难以胜任的环境中提供更持久的承载能力。

一种新型保护性拱体

研究者关注的是由玻璃纤维增强聚合物（GFRP）管制成、并在自动化制造过程中预弯成型的拱形支护。随后这些管子被填充高强度灌浆料（细粒混凝土），并沿拱弧方向安装细小的内置GFRP钢筋以进一步加固。由于GFRP不生锈，这种组合在潮湿、酸性或含盐的地下环境（如隧道、涵洞和防护结构）中尤为有吸引力。团队开发了一种工业丝束缠绕工艺，能以稳定质量生产这些弯曲管件，解决了大规模采用复合材料拱体的一项主要障碍。

对拱体的试验检验

为评估这些复合拱的性能，作者制造并测试了18个具有相同尺寸与形状但内部布置不同的拱试件。有些拱是空心GFRP管，有些仅填充灌浆料，还有些在灌浆的同时加入四根内置GFRP钢筋。他们还改变了管壁厚度（3、5或7毫米）。每个拱两端固支，并在拱顶处受压下载荷，采用万能试验机施加，旨在在跨中形成明确而严苛的弯曲工况。加载过程中，团队记录了拱的挠度、裂缝发展及沿曲线的应变变化，从而跟踪随着损伤累积内部力如何转换。

厚度与内筋如何改变行为

试验表明，简单增加GFRP管壁厚度可显著提高拱体破坏前的承载力。无论是空心还是填充混凝土的拱，从最薄管到最厚管的最终承载力大致翻倍，且厚管还使拱在初期弹性阶段更刚性。填充混凝土进一步显著提升强度和能量吸收能力。然而，最大的增益来自添加内置GFRP钢筋：与空心管相比，同时具有混凝土和内筋的拱，其承载力大约增加2.5倍到近4倍，且在失去承载能力前能承受超过两倍的变形。计算表明，尽管内筋仅占较小的截面比例，但大约贡献了总承载力的一半左右，而混凝土提供稳定的贡献，管体既承担拉力也在压缩时约束混凝土。

从试验数据到可预测的设计方法

除试验外，作者建立了一个简化的计算模型，用以估算在拱顶受集中力时该类拱能承受的荷载。他们将拱视为两端固定的结构，最终在弯矩最严重的部位形成四个“塑性”铰点。通过将曲形管截面换算为等效矩形并采用既有的受约束混凝土与GFRP受拉的公式，作者推导出这些铰点处的抗弯强度，并由此得到整体极限荷载。将这些预测值与含内筋拱的试验结果比对，差异大约在10%以内，表明该模型对这种特定拱形与荷载工况能捕捉到基本行为。

对未来地下结构的意义

简而言之，研究表明，带内置纤维钢筋的混凝土填充GFRP拱既能比传统混凝土拱更强、更有延性，又能抵抗侵蚀钢材的腐蚀问题。工业化生产的复合管件、受约束的混凝土芯以及高强度内筋的组合，能提供在大载荷下仍能发生可观变形而不突然倒塌的支护。尽管当前设计规则仅在与试验相似的拱型上得到验证，但研究结果指向一种新的耐久、轻量化的隧道衬砌与保护性拱体家族，有望减少维护、延长地下基础设施寿命并提升安全性。

引用: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

关键词: 隧道支护, 纤维增强聚合物, 混凝土拱, 耐腐蚀性, 地下结构