工程師在利用纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）片材加固老舊橋梁時(shí)，常面臨片材突然脆性剝離的難題。一種日益普及的解決方案是混合粘結(jié)FRP系統(tǒng)，即通過(guò)化學(xué)錨栓將鋼板與FRP條帶夾緊于混凝土表面，其抗拉性能取決于螺栓預(yù)緊力。發(fā)表于《橋梁工程進(jìn)展》的Zui新數(shù)值研究通過(guò)三維有限元模擬，系統(tǒng)分析了錨固深度與擰緊扭矩如何控制螺栓-混凝土錨固系統(tǒng)的破壞模式，并針對(duì)所研究的配置提出明確建議：螺母扭矩不應(yīng)超過(guò)13?！っ?。

該研究由齊春紅、付一曉和蔣超完成，旨在彌補(bǔ)既往混合粘結(jié)FRP加固研究的不足。以往工作多集中于界面粘結(jié)行為與受彎性能，對(duì)預(yù)緊螺栓的破壞模式與拔出行為關(guān)注較少。團(tuán)隊(duì)基于MSC.Marc軟件建立三維有限元模型，模擬一根4.8級(jí)鍍鋅碳鋼M8螺栓配5級(jí)機(jī)用螺母，錨固于100×100×70毫米的C40混凝土塊中。模型采用全粘結(jié)界面假設(shè)連接螺栓與混凝土，底部及側(cè)面完全約束，頂部保留自由度，拉力施加于螺母位置。作者坦誠(chéng)指出，理想化假設(shè)會(huì)高估實(shí)際界面粘結(jié)強(qiáng)度與剛度，可能延遲界面脫粘，使預(yù)測(cè)破壞模式偏向混凝土錐體破壞而非界面粘結(jié)破壞，并略微提高預(yù)測(cè)抗拉承載力與扭矩限值。此外，研究將扭矩系數(shù)視為常數(shù)（取0.19，依據(jù)JB/T 5000.10-2007、DIN 267及WURTH預(yù)緊力-扭矩對(duì)照表），未考慮其波動(dòng)性，未來(lái)仍需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與敏感性分析。

在破壞模擬前，研究首先解析了螺栓預(yù)緊力力學(xué)機(jī)制。扭矩控制是標(biāo)準(zhǔn)緊固方式，預(yù)緊力與扭矩的關(guān)系取決于螺紋幾何形狀及螺紋面、螺母與墊圈間的兩個(gè)摩擦系數(shù)。計(jì)算表明，早期實(shí)驗(yàn)采用的15?！っ着ぞ禺a(chǎn)生約9,868牛頓的預(yù)緊力。模擬顯示，此時(shí)螺栓Zui大應(yīng)力達(dá)270.2兆帕，低于4.8級(jí)鋼320兆帕的名義屈服強(qiáng)度，故無(wú)需考慮螺栓屈服。模擬的應(yīng)力與位移場(chǎng)與已知錨固行為吻合：混凝土位移呈倒錐形分布，兩根主裂紋以約45度角從錨固體中下部向表面擴(kuò)展，呈現(xiàn)典型的混凝土錐體破壞模式，與既往實(shí)驗(yàn)及規(guī)范描述一致，驗(yàn)證了模型有效性。

研究核心在于對(duì)錨固深度與荷載水平的系統(tǒng)掃描。考察了三種深度：2d（16毫米，淺）、6d（48毫米，中）和10d（80毫米，深），其中d為8毫米螺栓直徑。基本荷載水平F設(shè)為2,260.5牛頓（中國(guó)后錨固技術(shù)規(guī)范規(guī)定的2d混凝土錐體破壞標(biāo)準(zhǔn)抗拉承載力），并施加1F至5F的荷載。在F荷載下，淺層模型出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂形成典型錐體破壞，中層與深層僅輕微開(kāi)裂。隨著荷載升高，差異加劇。中層模型主裂紋起裂深度隨荷載增加從20毫米移至32毫米后穩(wěn)定；至5F時(shí)，橫向開(kāi)裂距螺栓中心47毫米，接近基座尺寸限制的臨界邊距50毫米，表明模型內(nèi)發(fā)生錐體破壞。深層模型表現(xiàn)更為平緩：Zui大橫向開(kāi)裂距離保持在41.4毫米，低于臨界邊距，即使5F荷載下深層也未出現(xiàn)錐體破壞裂紋。

綜合結(jié)果，研究劃分出三種破壞模式。淺錨固導(dǎo)致主裂紋在螺栓底部附近起裂并向表面擴(kuò)展，引發(fā)混凝土錐體破壞。中等錨固產(chǎn)生兩條主裂紋，其合并可致完整錐體破壞，或先發(fā)生小錐體破壞再觸發(fā)界面粘結(jié)破壞的混合模式。深錨固在應(yīng)力傳至螺栓底部前使其衰減，抑制底部次生裂紋，表現(xiàn)為上部混凝土錐體破壞隨后下部界面粘結(jié)破壞。對(duì)于HB-FRP鋼板錨栓常用的50毫米錨固深度，模擬識(shí)別出上錐體與下界面粘結(jié)的混合破壞，且主導(dǎo)模式因依賴界面粘結(jié)強(qiáng)度而難以界定。

正是這種不確定性催生了扭矩建議。將中層模型失效的荷載范圍（3F至4F，即6,782至9,042牛頓）通過(guò)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系反推，得到10.3至13.7?！っ?。對(duì)50毫米模型測(cè)試11、12、13?！っ兹齻€(gè)扭矩水平發(fā)現(xiàn)，11和12?！っ讜r(shí)主裂紋起裂深度為30毫米，大于Zui大橫向開(kāi)裂距離27.3毫米；而13牛·米時(shí)橫向距離達(dá)32.2毫米，超過(guò)起裂深度。作者因此建議施加螺母扭矩不超過(guò)13?！っ?，以防止過(guò)量預(yù)緊力損傷混凝土基材。他們強(qiáng)調(diào)，該限值僅適用于4.8級(jí)鍍鋅M8螺栓、C40混凝土、約50毫米錨固深度及本建模假設(shè)，不適用于高強(qiáng)度螺栓、高性能混凝土或極端環(huán)境條件。在此范圍內(nèi)，研究為橋梁工程師提供了量化依據(jù)，以確保依賴精準(zhǔn)預(yù)緊力的加固技術(shù)可靠性。

資料來(lái)源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-28。本文為資料編譯。