复合材料加固系统因其高强度‑重量比、抗腐蚀性和良好的适应性，在结构加固与修复领域日益普及。然而，尽管其短期性能（如极限承载力）已得到广泛研究，但在机械荷载与环境因素长期共同作用下的耐久性——尤其是使用荷载下刚度的演化——仍然缺乏足够的量化数据。大多数现有研究侧重于定性比较或极限强度，对长期可靠性至关重要的刚度参数演变关注不足。这导致在实际服役条件下，工程师难以准确评估加固结构在长期服役过程中的性能退化与寿命。
为填补这一空白，一项发表于《Case Studies in Construction Materials》的研究，由Haji Akbar Sultani、Violetta K. Kytinou、Aleksandr Sokolov和Viktor Gribniak共同完成，对复合材料加固系统的长期残余弯曲刚度进行了系统性实验与评估。该研究历时长达三年，重点关注了外贴碳纤维布（Externally Bonded Reinforcement, EBR）、近表面嵌入碳纤维板（Near-Surface-Mounted, NSM）以及结合单向碳纤维（CF）与钢筋的混合加固配置。研究创新性地纳入了7根经过先前弯曲测试后进行CF片材或板条加固的梁，以模拟实际修复场景。
研究团队采用了基于混凝土等效拉伸应力的弯曲刚度量化分析框架。该方法将残余弯曲刚度表达为混凝土中的等效拉伸应力，使其能够跨越不同加固策略（EBR、NSM、混合系统）和储存条件（实验室存储与露天暴露）进行直接比较。实验计划共包含26根梁试件，通过四点弯曲试验，在高达三年的露天条件下，结合重复机械加载，评估了不同加固系统的性能。
关键技术方法
研究人员设计并浇筑了截面为100 × 200 mm、长度为1000 mm的混凝土梁试件，分为不同加固组（仅钢筋、EBR、NSM、混合体系及加固后试件）。材料性能（如混凝土抗压强度、钢筋及CFRP的弹性模量与强度）通过标准试验测定。加载方案包括伪单调弯曲试验以确定承载能力，以及围绕预定服务荷载水平的重复加载试验。长期耐久性测试则通过将试件置于实验室屋顶进行露天暴露（模拟温湿度波动、紫外线辐射及冻融循环等真实环境条件）来实现。关键测量技术包括使用线性可变差动变压器（LVDT）和两个单反相机进行数字图像相关（DIC）系统测量，以精确捕捉纯弯曲区的平均曲率，从而评估刚度。数据分析采用前述基于等效拉伸应力的解析模型，该模型能校正先前受损弯曲样本中的残余曲率，确保刚度评估的准确性。
研究结果
2. 实验方案概述
实验旨在通过多阶段测试评估复合材料加固系统在重复加载和环境暴露下的长期残余刚度。程序包括伪单调弯曲试验以确定承载能力和定义服务荷载水平，以及完全卸载的重复机械加载试验以隔离机械疲劳对残余刚度的影响。研究还特别纳入了在先前钢加固梁测试后进行CFRP加固的试件，以模拟修复场景，并强调了考虑残余曲率进行修正以准确解释刚度的重要性。
3. 材料与试件设计
所有梁试件均采用目标抗压强度约为40 MPa的结构级混凝土浇筑，并掺入合成宏纤维和微纤维以增强延性。加固系统包括EBR碳纤维布、NSM CFRP板条、钢‑CFRP混合配置，以及在先前机械测试后加固的试件。EBR系统采用湿法铺设技术将单向CF布粘贴到混凝土受拉面，而NSM系统则将CFRP板条嵌入预切槽中并用环氧树脂粘合剂填充。材料力学性能（如弹性模量、屈服强度和极限强度）均经过测试或由制造商提供。
4. 测试设置与加载协议
采用四点弯曲配置进行机械测试，以确保恒弯矩区并便于评估弯曲刚度退化。使用九个LVDT和两个DIC系统测量变形。加载协议旨在模拟使用条件，包括确定极限承载力的伪单调测试，以及围绕服务弯矩（约为极限弯矩的55%）进行±15%波动的重复加载循环。对于修复后的试件，采用逐步增加荷载幅度的协议（R2）。每次加载循环后完全卸载以测量残余变形，并将残余曲率用于后续刚度评估的图表原点校正。
5. 环境暴露条件
为评估长期耐久性，一部分试件（EBR、NSM及EBR修复试件）被置于大学实验室屋顶，暴露于自然气候条件下长达三年，经历温度波动、降水、冻融循环和紫外线辐射。作为对照，成对的EBR和NSM梁在实验室条件下储存。暴露期间的环境数据（温度、湿度）被记录，以表征实际服役条件。
分析与讨论
研究应用了一个先前开发的解析模型，通过混凝土中的等效拉伸应力来量化反复加载下钢筋混凝土构件的残余弯曲刚度。该模型采用转换截面分析，将加固系统简化为等效的加固面积和弹性模量，并假设受拉混凝土为等效矩形应力块。通过测量曲率和应用弯矩，结合内力与力矩的平衡条件，计算出等效拉伸应力（σt *）。这一指标与加固类型无关，使得钢、EBR、NSM和混合系统之间的直接比较成为可能。
研究结果证实，所提出的方法适用于自然长期暴露下的弯曲刚度等效拉伸应力测量，扩展并形式化了先前已验证的短期方法。定量数据显示，在露天暴露下，NSM系统表现出最佳的长期耐久性，其残余刚度几乎保持恒定；而EBR系统相对于实验室储存的试件，刚度下降了约20%。相比之下，混合系统（结合钢筋和CFRP）表现出协同机械响应，即使在钢材屈服后进行加固，也能降低对环境退化的敏感性。对于修复后的试件，分析揭示了一个关键限制：评估刚度需要修正先前损坏的弯曲样本中的残余曲率，否则会导致分析结果出现人为的刚度高估。
结论与意义
本研究首次证明了在自然长期暴露条件下，采用等效拉伸应力指标量化弯曲刚度的适用性。它建立了一个物理可解释、可重复的刚度退化测量方法，重点关注材料相互作用机制而非纯粹的结构指标。研究在统一评估框架内比较了EBR、NSM和钢‑CFRP混合系统的长期刚度趋势，为开发抗环境影响的复合材料加固系统提供了材料导向、耐久性聚焦的视角。结果支持未来基于刚度的性能评估标准化，并为在真实服务条件下进行耐久性材料工程设计提供了实用指导。该方法量化了实验室尺度元件中加固材料相互作用的影响，但不旨在直接用于结构设计验证。这些发现代表了激励未来长期研究的一般趋势，并有助于推动在实际服役条件下基于耐久性的材料工程发展。
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