带有圆形网孔的CFRP加固钢筋混凝土深梁在受剪跨中行为的参数研究

在大体积混凝土梁上开孔为何重要

现代建筑和桥梁内部布满了管道、电缆和风道。为了腾出空间，工程师常在施工后在厚重的混凝土梁上钻孔。本研究提出了一个看似简单但至关重要的问题：当在梁上切开直径较大的圆孔时，梁会发生什么，粘贴在混凝土上的薄碳纤维片能否安全地弥补由此丧失的承载力？这些答案关系到在不进行高成本重建的情况下，如何安全地升级或改造现有结构。

深梁如何承载荷载

深混凝土梁的受力方式不同于我们熟悉的楼板中的细长梁。它们不是通过柔性弯曲来承载，而是沿着从荷载施加点斜向传到支座的短而陡的受压路径传递力。梁内的钢筋和箍筋有助于整体性的保持，尤其是在抗对角裂缝方面。当这些内部布置完好时，这些隐蔽的传力路径使深梁能够在相对紧凑的尺寸下承载很大的荷载。

后来钻圆孔会导致什么

在实际工程中，许多开孔并非事先规划。施工方经常将圆形孔直接钻穿既有混凝土，这不仅切割了混凝土，也切断了本用于承担剪力的箍筋。本研究关注这种在梁中最敏感区域——受剪跨内的“后置”开口，并且考察了孔置于对称位置的情形。与实验室试验校准的数值模型表明，即便在该区域为中等尺寸的开口，也会显著降低梁的承载能力及其在破坏前可吸收的变形能量。以500 mm深的梁为例，当孔径由150 mm增至300 mm时，破坏模式从主要的对角裂缝转变为开口上下混凝土的突然压碎。

碳纤维包裹的加固效果试验

为评估这种损伤能恢复多少，研究者模拟了在开口周围用碳纤维增强聚合物（CFRP）薄层包裹的情形。这些贴合在梁表面的条带像外部加劲带一样，在裂缝发生后可以抓住并重新分配受力。研究改变了开口尺寸和CFRP层厚度的组合。对每种组合，模型追踪了荷载—挠度曲线、裂缝模式以及梁破坏前可吸收的能量，便于与无开口的同尺寸实体梁进行细致比较。

究竟损失了多少强度，又能恢复多少

数据说明得很清楚。未加固情况下，在500 mm深梁上开一个300 mm的圆孔，会使极限承载力下降超过一半，能量吸收能力相比实体对照梁几乎下降了90%。即便是在受剪跨内较小的开口也会造成性能的显著下降。粘贴CFRP层可以改善强度和韧性，且较厚的层一般效果更好。但改善是有限的：即使使用最厚的CFRP，存在大开口的梁也无法完全恢复到实体梁的承载水平。随着开口增大，额外碳纤维的效益也递减，因为混凝土内部的主传力路径已被严重破坏。

对真实建筑的意义

对于非专业读者，核心信息很直接：在关键区段向厚混凝土梁钻取较大的圆孔比看上去更有害，尤其是当孔切断了内部钢筋联结时。碳纤维包裹可以使这样的受损梁更安全、更有延性，但在开口较大或切穿关键配筋时，无法完全恢复原有承载力。本研究的详细数值分析为工程师提供了关于开口尺寸与加固厚度如何相互作用的指导，进一步强调在设计阶段周密规划设备孔道要比事后切割并试图修复来得更安全。

引用: Yagmur, E. Parametric study on the behavior of CFRP-strengthened reinforced concrete deep beams with cut circular web openings in shear spans. Sci Rep 16, 9414 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40071-y

关键词: 混凝土梁, 网孔开口, CFRP 加固, 结构加固改造, 抗剪行为