用碳纤维、玻璃纤维和剑麻纤维层合材料加强钢筋混凝土梁和柱

为什么更强的混凝土很重要

桥梁、停车库和建筑框架都由钢筋混凝土构成——钢筋被包裹在混凝土中。随着几十年的风雨、车流、地震甚至火灾，这些结构会逐步退化。拆除重建代价高且碳排放大。本研究探讨一种更聪明的选择：用由碳、玻璃或基于植物的剑麻纤维制成的薄复合材料外套包裹现有混凝土梁和柱，以提高强度、延长使用寿命，并可能降低环境影响。

为疲劳结构提供轻质外套

作者关注的是纤维增强聚合物（FRP）层合材料——一种可以粘贴在混凝土外表面的非常薄且高强度的片材。碳纤维FRP（CFRP）强度和刚度最高，但也是最昂贵的；玻璃纤维FRP（GFRP）更便宜，常用于中等强度的加固。剑麻FRP（KFRP）由快速生长的拷贝草（Hibiscus cannabinus）纤维制成，质量更轻、环境友好且制造排放较低。由于以往大多数研究集中在合成纤维上，本研究提出问题：像剑麻这样的天然纤维系统到底如何比较，以及包裹梁和柱是否能带来类似的益处。

在计算机中测试设计

研究人员没有制造数十根实体梁和柱，而是采用有限元分析创建了详细的计算机模型，这种方法将每个混凝土构件划分为许多小单元以跟踪应力和裂缝。他们首先再现了先前的实验梁试验，以确保虚拟模型的行为与真实结构一致，荷载容量和变形的匹配误差小于2%。模型中的混凝土可以开裂和压碎，钢筋可以屈服，薄FRP外套可以在损伤累积时逐步失去刚度——从初次荷载到最终破坏，提供了一个真实的加固行为图景。

包覆如何改变梁和柱的行为

在模型验证后，研究团队比较了四种简支梁和四种短柱的版本：一个未包覆的“对照”以及三种厚度相同的剑麻、玻璃或碳纤维包覆。对梁的影响很显著。用KFRP包覆时梁的极限承载力约增加14%，用GFRP增加约24%，用CFRP则显著增加约66%。在相同荷载下，包覆梁的挠度也更小，破坏前吸收的能量更多——延性衡量值对剑麻、玻璃和碳纤维包覆分别约提高19%、43%和72%。相比之下，主要承受轴向压缩的包覆短柱只获得了适度的承载力提升：KFRP约2%、GFRP约3%、CFRP约6%。

为什么梁的增益比柱大

差异源于构件的受力方式。梁是弯曲构件；其底部纤维在拉伸时受力，而普通混凝土在拉伸下很弱。外贴的FRP在拉伸方向表现优异，因此能承担那部分作用、延缓开裂并将更多需求转移到强纤维上。本研究中的短柱为方形且在压缩下本身就很强，包覆主要对混凝土芯体产生围束效应，而不是创造新的受力路径。对于方形截面，围束效应并不均匀——在角部最强、在平面侧面较弱——因此纤维外套的潜能未被充分利用，结果是柱强度有所提升但相对较小。

在强度与可持续性之间取舍

总体而言，碳纤维包覆在性能上带来最大提升，是在需要极大强度和延性（例如桥梁或建筑关键部位的高荷载梁）时的最佳技术选择。玻璃纤维包覆提供了稳健的中等改进。剑麻纤维包覆对承载力的提升较小，但仍能显著增强梁的性能，同时在重量、成本和环境足迹方面具有优势。对于许多日常的加固场景——在中等加固量足以满足需求且兼顾可持续性目标时——剑麻层合材料可能是一个合理的选择。该研究表明，借助校准良好的计算机模型，工程师可以并列比较这些材料，并设计出以牺牲少量机械性能换取显著气候与资源收益的加固方案。

引用: Adel, K., Abdelazeem, M., Sherif, A. et al. Strengthening RC beams and columns with CFRP, GFRP and KFRP laminates. Sci Rep 16, 11004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43464-1

关键词: 钢筋混凝土加固, 纤维增强聚合物, 碳纤维与玻璃纤维, 天然剑麻纤维, 有限元建模