采用玄武岩纤维增强聚合物加固抗弯钢筋混凝土梁的锚固系统效率

为何更强的梁很重要

桥梁、停车库和公寓楼内部隐蔽地存在着数十年承担重载的混凝土梁。随着时间推移，这些梁可能会开裂并变弱，尤其是在交通增加或设计规范变化时。该研究探讨了一种较新的方法，利用由火山岩制成的玄武岩纤维薄片为劳损的混凝土梁赋予第二生命，重点研究如何将这些薄片固定起来，以真正提高结构安全性。

为旧混凝土穿上新护套

工程师常通过将纤维片材粘贴到梁底部来加固既有梁，类似于贴上一条纤薄而高强的“绷带”。传统片材采用碳纤维或玻璃纤维；玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）则提供了一种成本更低、环保性更好的选择，同时具有较高的强度和良好的耐久性。问题在于这些片材可能在达到其全部强度之前发生突然剥离，这是一种脆性破坏，会浪费材料并限制安全改善。作者旨在测试不同的固定方法——即锚固系统——如何将BFRP片材牢牢附着，使梁在不发生意外剥离的情况下承受更大荷载。

试验是如何布置的

研究团队制作了八根全尺寸混凝土梁，每根略长于三米，内部配筋相同。部分梁保持未加固以作对照，另一些在底部以不同长度粘贴了两层或四层BFRP片材。为固定片材，团队尝试了两种主要锚固类型：U形包裹，将BFRP绕过梁侧面像腰带一样扣住；以及锚钉式（spike）锚固，将BFRP纤维捆成芯体插入混凝土孔内。所有梁在实验室用两个集中荷载进行弯曲加载直至破坏，同时传感器记录跨中挠度和裂缝发展。

梁弯曲时发生了什么

随着荷载增加，梁先表现为弹性状态，随后在施加荷载之间产生竖向弯曲裂缝，最终随着内部钢筋屈服而软化。加固梁在裂缝出现后比对照梁更刚性，其极限抗弯承载力最高提高约三分之一。然而，增加更多BFRP层并不总能显著带来更大强度。在若干试件中，片材在混凝土保护层上剥离，尚未断裂便失去作用，因此只有部分潜在强度被利用。正确锚固的梁表现出裂缝更密但更窄，表明BFRP有助于沿跨度分配拉应力。

为何锚固差别如此显著

研究的核心在于比较具有相似BFRP布置但不同锚固细节的梁。当BFRP片材长度足以满足设计规范中的发展长度要求时，破坏模式由片材剥离转为片材断裂，梁的抗弯强度较对照提高约29%。即使加固长度较短，U形包裹也产生了类似效果：它们将端部层间剥离的破坏模式转为BFRP断裂，并将强度提高约25%。锚钉仅在其埋入深度较大时起作用；浅埋锚钉的行为接近于不设锚固。总体而言，各种配置下加固会降低延性，意味着梁在破坏前的变形减少，但该损失通常在原梁变形能力的约30%内。

关于更安全修复的结论

对非专业人士而言，关键结论是仅仅将高强纤维粘到薄弱梁上并不足够。纤维与混凝土的连接方式在很大程度上决定了它们在极限情况下是否真正发挥作用。玄武岩纤维片材可以明显提高梁的承载能力，但前提是设计者提供足够的粘结长度或有效的锚固方式，例如扣住梁侧面的U形包裹。锚钉在深埋时可发挥作用，但浅埋效果有限。该研究表明，通过对这些锚固系统进行精细设计，工程师可以将基于玄武岩的复合材料作为一种实用且更环保的手段，用以延长许多日常混凝土结构的使用寿命。

引用: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

关键词: 玄武岩纤维增强聚合物, 混凝土梁加固, FRP 锚固, U形包裹, 结构改造