在同心与偏心荷载下玻璃纤维增强聚合物加固混凝土墙轴向受压行为的试验与数值研究

为什么更安全的混凝土墙很重要

从住宅塔楼到沿海桥梁，许多日常建筑依靠厚实的混凝土墙承载楼面荷载并抵抗风、浪与地震。这些墙体通常在混凝土内部布置钢筋以增强承载能力。然而，随着时间推移，尤其在含盐或化学侵蚀的环境中，钢筋会发生锈蚀，削弱结构并缩短使用寿命。本研究探讨了不会生锈的玻璃纤维筋能否在不显著牺牲强度或安全性的情况下替代此类墙体中的钢筋。

从易锈的钢筋到无锈的玻璃纤维

在钢筋混凝土墙中，埋藏的受力筋与混凝土本身同等重要。传统钢筋强度高且具延性，能够在断裂前有较大变形，但当水和盐通过裂缝渗入时，钢筋容易腐蚀。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋提供了不同的权衡：它们重量轻、抗拉强度高且不生锈，但在受力方式上表现不同，破坏更脆。现行设计规范通常在受压情况下对这类玻璃纤维筋的贡献持保守态度，因为其在受压构件中的行为尚未完全明确。作者通过将装配有GFRP筋的混凝土墙与相同构造的钢筋墙进行对比试验，旨在填补这一认知空白。

墙体的制备与试验方法

研究团队浇筑了六个截面较矮的试件，约一米高、15厘米厚，采用高性能混凝土配合比。每块墙体内均布置了纵向与横向的筋网。试验改变了两个主要变量：加固材料（钢筋或GFRP）与荷载的施加方式。一组试件在墙体中心施加垂直压缩荷载，模拟来自上部的均布重量；另一组则将同样的荷载移离中心，既产生弯矩也产生压应力，更贴近许多实际工况。传感器记录了墙体的轴缩、弯曲、裂缝发展及最终破坏，同时研究人员跟踪了首次可见裂缝出现时刻与每个试件的极限承载力。

墙体受压时的表现

配有GFRP筋的墙体承载的垂直荷载较采用钢筋的同类试件略低，但其破坏过程稳定、可预测。在同心荷载条件下，用GFRP替代钢筋会使墙体极限承载力大约降低11%至13%。在偏心荷载条件下，承载力下降范围约为6%至14%。同时，GFRP加固墙显示出略高的延性比，这是衡量从首次严重软化到破坏期间可变形能力的指标。钢筋加固墙在钢筋屈服后往往通过受压边缘的混凝土压碎与剥落失效，而GFRP墙体则出现更均匀分布的裂缝，随后在玻纤筋断裂时更为突然地失效。由荷载—位移曲线下面积计算的吸能量，钢筋试件最高，但GFRP试件的吸能也具有显著数值。

能再现真实裂缝的数值模型

为了评估工程师是否可以依赖先进的仿真工具而不必对每种墙体在实验室中重复试验，作者使用一种称为非线性有限元分析的技术建立了详细的计算模型。在该虚拟模型中，混凝土可发生裂缝与压碎，而埋入的钢筋或GFRP筋根据其测得的材料特性承受拉压。当模拟墙体在同心或偏心荷载下加载时，预测的极限承载力、刚度变化与裂缝模式都与试验结果高度一致，强度差异通常低于约12%。研究还将试验结果与若干现行设计公式和规范方法进行了比较，发现某些指南倾向于高估GFRP加固墙的承载能力，并提出了一个简单的修正因子以提高预测精度。

对未来建筑的意义

对非专业读者来说，关键结论是：在沿海或工业等苛刻环境中，采用玻璃纤维筋加固的混凝土墙可以作为一种可行的无锈替代方案。这类墙体会损失一部分承载力和吸能能力，但保持了稳定的裂后响应和可接受的延性，并避免了由钢筋腐蚀导致的长期损害。通过在设计中考虑其略低的强度并借助经过验证的数值模型，GFRP加固的混凝土墙有望帮助工程师建造更耐久、更可持续且维护更少的结构。

引用: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

关键词: 玻璃纤维增强聚合物加固混凝土, 轴向受压行为, 结构墙体, 耐腐蚀加固筋, 有限元建模