【论文分享】FRP-UHPC永久模板对钢筋混凝土梁抗剪承载力与延性的协同增强效应

出版年份：2025

来源：Engineering Structures

作者：Ke-Fan Weng, Ji-Xiang Zhu, Bo-Tao Huang, Jian-Guo Dai, Jian-Fei Chen

作者单位：南方科技大学、香港大学、香港理工大学、浙江大学、香港城市大学

本文研究了一种由FRP筋增强UHPC永久模板与内部钢筋混凝土梁组成的组合梁体系，重点分析该体系对RC梁抗剪性能、裂缝发展和破坏模式的影响。研究共制作了12根组合梁，主要考虑三个变量：剪跨比1.57与2.52、UHPC中纤维类型即钢纤维与聚乙烯PE纤维，以及UHPC模板中是否配置CFRP筋。试验过程中采用DIC技术对裂缝发展和试件应变进行观测。结果表明，FRP-UHPC永久模板与现浇混凝土之间具有较好的界面性能，相比普通RC梁，该体系可使抗剪承载力提高约40%～65%，同时提高初始刚度和开裂后刚度。UHPC模板中配置 CFRP筋后，可有效抑制斜裂缝扩展，减小裂缝宽度，并进一步提高抗剪承载力。值得注意的是，部分组合梁出现了区别于传统脆性剪切破坏的延性剪切破坏模式。最后，本文提出了一种理论分析方法，用于预测 FRP-UHPC 永久模板增强RC梁的抗剪承载力，并与试验结果吻合较好。

永久模板是指在混凝土浇筑完成后不拆除、继续作为结构一部分参与受力的模板体系。相比传统木模板或钢模板，永久模板具有施工简化、减少人工、缩短工期和降低综合成本等优势，在桥梁、楼板、梁柱以及海洋工程结构中具有较好的应用前景。FRP材料具有轻质、高强和耐腐蚀等优点，适合用于海洋环境和耐久性要求较高的混凝土结构中，但FRP本身也存在弹性模量相对较低、服役阶段挠度和裂缝宽度较大、极限状态下破坏偏脆以及高温下树脂基体性能退化等问题。UHPC具有高抗压强度、高抗拉性能和优良耐久性，可作为外部保护层或永久模板使用，改善FRP材料耐火性和耐久性不足的问题。已有研究表明，UHPC永久模板能够提高组合构件的抗弯和抗剪承载力，并改善开裂性能。但对于 FRP-UHPC-RC多材料组合梁，现有规范公式难以直接适用，抗剪机理和承载力预测仍需进一步研究。

本文设计并开展了FRP-UHPC永久模板增强钢筋混凝土梁的抗剪试验。该体系在普通RC梁两侧设置厚度为20mm的UHPC预制模板，并在部分模板中嵌入直径3mm的CFRP筋作为抗剪增强材料；同时，为提高UHPC模板与现浇混凝土之间的界面粘结性能，在UHPC模板表面预制矩形槽。试验共设置12根梁，主要变量包括是否设置UHPC永久模板、UHPC中纤维类型、是否配置 CFRP 筋以及剪跨比大小。试验采用四点弯曲加载方式，两个加载点之间的纯弯段长度为300mm，剪跨分别为480mm和300mm；试验过程中通过LVDT测量跨中挠度、支座位移及UHPC模板与现浇混凝土之间的相对位移，并结合DIC技术记录梁侧应变场和裂缝发展过程。基于试验结果，本文进一步提出了FRP-UHPC永久模板增强RC梁的抗剪承载力理论模型，该模型基于桁架-拱受力机制，将内部RC 梁、UHPC模板和CFRP筋共同纳入抗剪受力体系，以反映多材料组合梁中普通混凝土、UHPC与FRP筋之间的协同作用。

1. 本文提出了一种FRP-UHPC永久模板增强RC梁的组合体系，该体系能够显著提高梁的开裂荷载、峰值承载力、初始刚度和开裂后刚度。

2. UHPC永久模板与现浇混凝土之间具有良好的界面性能，表面开槽能够增强机械咬合作用，使两者协同参与受力。

3. 在UHPC模板中配置CFRP筋可以有效限制斜裂缝扩展，减小裂缝宽度，并进一步提高组合梁的抗剪承载力。

4. 钢纤维UHPC具有较好的裂缝抑制能力和抗剪增强效果，而PE纤维 UHPC具有较大的变形能力和较好的整体完整性，二者适用于不同工程需求。

5. 本文提出的桁架-拱理论模型能够较好预测FRP-UHPC永久模板增强RC 梁的抗剪承载力，可为该类组合结构的设计计算提供参考。

文章结合DIC技术揭示了组合梁裂缝发展和破坏过程，并提出桁架-拱理论模型用于预测抗剪承载力，为FRP-UHPC永久模板在混凝土梁抗剪增强中的应用提供了试验依据和设计参考。