用于加固缺陷钢筋混凝土柱的集成NSM与GFRP加固ECC/UHPC技术

为何更安全的混凝土柱很重要

许多较老的混凝土建筑随着柱内隐蔽钢筋锈蚀逐渐失去强度。这种缓慢的损伤会降低结构的安全承载能力，并削弱其抵抗地震或其他极端事件的性能。本研究探讨了一种新方法，通过薄型高强外壳和置于表面下的附加钢筋，为这些弱化的柱体赋予第二生命。

柱体如何悄然变弱

钢筋混凝土柱是建筑的垂直“骨架”，承载楼层和屋顶。随着时间推移，潮气和盐分会腐蚀其中的钢筋。钢筋锈蚀后变薄并膨胀，引起周围混凝土开裂，且削弱钢筋与混凝土之间的粘结力。柱体由此丧失强度、刚度以及在不发生突发破坏情况下变形的能力。尽管存在传统修复方法，但对于严重受损的构件，这些方法可能体积大、成本高或修复效果不足。

新型外壳与隐蔽加筋

研究者考察了一种内外兼修的加固组合方法。首先，他们在柱表面开浅槽并粘结嵌入附加的加筋，既可采用传统钢筋，也可采用耐腐蚀的玻璃纤维竿件；这一做法称为近表面粘贴加固（near-surface mounted, NSM）。随后，他们用由特殊水泥基材料制成的薄型外壳包覆柱体，这些材料比普通混凝土更高强、更耐久。其中一种称为工程化水泥基复合材料（ECC），内含细纤维以控制裂缝；另一种为超高性能混凝土（UHPC），强度更高且含有钢纤维。轻质玻璃纤维网嵌入这些外壳中以增强整体粘结与抗裂性。

将加固柱投入试验

为评估该体系的效果，团队在实验室制作并测试了十一根短圆柱体。其中一根为完好“基准”柱，另一根通过使用较小直径的钢筋故意削弱以模拟腐蚀损伤。其余为以不同方式修复的受损柱：仅采用纤维富集外壳，或同时采用近表面加筋与外壳，所用内筋为钢或玻璃纤维，网层为一层或两层。所有柱体随后在顶底方向受压至破坏，同时仪器记录其承载力与轴缩量。

在重载下的表现

未经加固的受损柱呈脆性破坏，内筋屈曲并伴随强度急剧下降。仅添加带网的工程化水泥基外壳可带来适度的承载力提升并使破坏更缓和。当近表面钢筋与这些外壳结合时，柱体承载力较受损柱提高了25%至32%，吸收的能量在崩溃前最多增加近四倍。将外壳材料替换为超高性能混凝土效果更佳，承载力提升约35%至44%，能量吸收最多约增至4.7倍。表现最佳的是近表面玻璃纤维竿件配合UHPC外壳的组合，强度提高约49%且保持良好的延性。

数值模型与设计启示

团队还建立了详尽的数值模型以模拟材料相互作用、预测裂缝、压溃及界面脱粘等现象。这些模型与实测的强度、位移和可见损伤模式高度一致，为使用该方法探索其它设计方案提供了信心。进一步的数值研究表明，增大内部钢筋直径确实能提高柱体强度，但直径增大带来的效益逐渐递减，暗示存在一个较高效的范围，而非“越大越好”的简单结论。

对既有结构的意义

对工程师和业主而言，研究结果表明：采用薄型先进水泥基外壳并配合近表面加固，能够在不大幅增大柱截面的前提下恢复甚至提升退化混凝土柱的强度与韧性。尤以UHPC外壳与玻璃纤维近表面加筋的组合效果最佳，能更有效地约束混凝土芯体并延缓突发破坏。从实用角度看，这种组合技术为延长老化建筑与基础设施的安全使用寿命提供了有前景的、且厚度较薄的耐久加固途径。

引用: Elsamak, G., Bahrami, A., Emara, M. et al. Integrated NSM and GFRP-reinforced ECC/UHPC techniques for strengthening deficient RC columns. Sci Rep 16, 16440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52870-4

关键词: 混凝土柱, 结构加固, 腐蚀损伤, 高性能混凝土, 加固技术