工程結構全壽命維護實驗教學探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2025）03-0135-09

“雙一流\"建設任務要求各大高校更新教育思想觀念，以服務創新驅動發展戰略和經濟社會發展為導向，進一步完善高水平科研支撐拔尖創新人才培養的機制，全面提升學生的綜合素質、科學精神和創造能力。作為傳統工科的土木工程學科，同樣應當積極響應國家的號召，以國家重大需求為導向，深化改革學科教學方法和手段，突出學科建設重點方向，并且注重培養學生科研能力、實踐能力和學科交叉能力等[1-5]。

經過幾十年的高速發展，我國基礎建設領域達到一定的飽和狀態，新建筑的建設速度逐漸減緩，因此建筑行業開始關注既有建筑的加固修復。一方面，大量的既有建筑結構臨近使用壽命年限，需要對其進行檢測、評估和加固;另一方面，隨著社會經濟與技術的進步，一些早期修建的結構已經不能滿足現行的設計標準與規范要求，需要對其進行相應的改造和升級。

一、工程結構全壽命維護課程設計

同濟大學順應行業發展趨勢，率先在混凝土結構基本原理課程中，增加了“驗算”（評估）原理，還引入了環境作用下結構性能退化的相關內容。同時，學校新開設了工程結構全壽命維護課程，旨在培養學生對工程結構全壽命維護的概念，促進其了解工程結構全壽命過程各階段的劃分及其特點，掌握工程結構全壽命維護的基本理論與技術，為后續研究生課程學習奠定必要的理論基礎。具體課程目標如下。

課程目標1：了解工程結構全壽命過程各階段的劃分及其特點、結構時變可靠性理論和全壽命經濟分析方法的發展與應用。

課程目標2：了解施工階段混凝土結構的裂縫控制方法和技術，以及施工階段結構安全性的監測技術，熟悉施工階段的劃分和結構受力特點，以及早齡期混凝土的時變特性，掌握施工階段時變結構安全性的分析方法。

課程目標3：了解引起結構性能退化的環境作用的時空分布特征，熟悉環境作用下主要結構材料的劣化機理，掌握環境作用下時變結構性能的分析方法。

課程目標4：熟悉既有結構的檢測技術和抽樣理論，掌握既有工程結構與擬建結構的差異，以及既有結構的可靠性評定理論和方法。

課程目標5：熟悉工程結構加固改造技術的發展和適用范圍，掌握加固結構的受力特點及其設計方法。

根據課程目標，設計了工程結構全壽命維護的教學內容，如表1所示。工程結構全壽命維護實驗基本情況如表2所示，其內容設置與工程結構全壽命維護課程教學單元7、8對應。本研究基于課程的第二部分內容——結構加固改造理論、技術和案例，以CFRP加固混凝土梁受彎性能實驗為例，開展教學探索。

二、CFRP加固混凝土梁受彎性能概述

纖維增強復合材料（FRP）是由纖維材料（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等）與基體材料通過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝制成的復合材料。由于FRP材料具有輕質高強、高彈性模量、耐腐蝕等優異性能，以及易裁剪、施工快、對原有結構改變較小等特性，近二十年來土木工程領域廣泛將FRP材料應用于既有建筑的加固和修復工程。其中，外貼CFRP片材粘貼加固混凝土結構是常見的加固方式之一，在梁構件受拉面粘貼CFRP片材可以有效提高梁的抗彎承載力，同時控制裂縫發展，改善梁的使用性能。

竣工于1924年的上海郵政總局大樓，素有“遠東第一”的美譽，為國家級文物。受限于當時的設計理念及條件，結構沒有進行抗震設計，同時使用的材料強度不高。長期服役后，結構發生了板底開裂、梁鋼筋銹蝕等病害，在2003年采用外貼CFRP材料的方式對梁、樓板等構件進行了加固。該方式極大地保留了這棟歷史建筑的美感。

在工程結構全壽命維護課程體系中引入CFRP的實驗教學項目，可以增強學生對新技術、新材料的認識，進一步培養其工程結構全壽命維護思維。在教學和實驗過程中，通過講解工程案例、播放施工視頻，有助于提高學生的學習興趣，開拓學生的工程視野。教師帶領學生開展工程問題分析，思考解決方法，能夠提升學生發現問題和解決問題的能力。

三、CFRP加固混凝土梁受彎性能實驗設計

（一）試件設計

（1）試件尺寸（矩形截面）： b×h×l=120mm×200mm×1800mm 0（2）混凝土強度等級：C40。（3）縱向受拉鋼筋種類：HRB400。（4）箍筋的種類：HPB300。（5）縱向鋼筋混凝土保護層厚度： 20mm 。（6）本次實驗使用兩種型號的試件，相應的配筋情況如圖1和表3所示。（7）CFRP片材的種類：東麗碳纖維布，品名號碼為 UT70-20（200g/m²） ，使用纖維T70012K。單層CFRP片材的厚度為 0.111mm 。CFRP具體粘貼情況如表4所示。（8）結構粘膠采用碳素纖維加固工法用含浸樹脂SANYURESINL-500系列。該系列包括L-500A/B，L-267A/B和RN-6A/B三種產品，A為主劑，B為硬化劑。其中L-500用作碳纖維復合材料浸漬/粘接用膠粘劑，L-267用作底層找平修補膠，RN-6用作底層樹脂。結構膠的使用方法、施工次序和注意事項均參照產品使用的說明書。結構膠層的設計厚度為 1mm 。

（9）CFRP片材加固混凝土梁存在多種破壞模式，主要包括混凝土壓碎破壞、CFRP片材拉斷、端部剝離破壞和中部剝離破壞。

（二）實驗裝置

CFRP片材加固混凝土梁四點受彎性能實驗采用的加載裝置如圖2所示，加載設備為千斤頂。裝置采用兩點集中力加載，在跨中形成純彎段，由千斤頂及反力梁施加壓力，分配梁分配荷載，壓力傳感器測定荷載值。

（三）加載方式

本實驗采用單調分級加載，每次加載時間間隔15分鐘。正式加載前，為檢查儀器儀表讀數是否正常，需要預加載，預加載所用的荷載是分級荷載的前2級。

梁的加載步驟如下：（1）在加載到開裂實驗荷載計算值的 90% 以前，每級荷載不宜大于開裂荷載計算值的 20% ;（2）達到開裂實驗荷載計算值的 90% 以后，每級荷載值不宜大于其荷載值的 5% ：（3）當試件開裂后，每級荷載值取 10% 的承載力實驗荷載計算值 （P_?） 的級距；（4）當加載達到縱向受拉鋼筋屈服后，按跨中位移控制加載，加載的級距為鋼筋屈服工況對應的跨中位移△y;（5）加載到臨近破壞前，拆除所有儀表，然后加載至破壞[6]。

當實驗加載過程中出現以下情況時，認為構件達到承載力極限狀態，即可停止加載：（1）對有明顯物理流限制的熱軋鋼筋，受拉主筋的受拉應變達到0.01;（2）受拉主筋被拉斷;（3）受拉主筋處最大垂直裂縫寬度達到 1.5mm ;（4）撓度達到跨度的1/30；（5）受壓區混凝土壓壞;（6）CFRP片材被拉斷；（7）CFRP片材端部片材與梁體間出現局部剝離；（8）跨中裂縫處粘結界面發生宏觀的連續剝離。

四、CFRP加固混凝土梁受彎性能實驗的教學分析

（一）CFRP片材加固梁受彎性能實驗的教學設計

為了激發學生的學習興趣和主動性，CFRP片材加固梁受彎性能實驗一改傳統的教學模式，在設計時以學生為主導，教師提供指導和輔助。在實驗課開始前，教師準備好一批尺寸大小合適的鋼筋混凝土梁的澆筑養護，以便使用。實驗課開始，教師花2個課時向學生介紹CFRP片材加固混凝土梁的受彎特性。CFRP片材加固梁截面的應變分析如圖3所示。

根據平截面假定，不考慮受拉區混凝土開裂后鋼筋與混凝土間的相對滑移，忽略CFRP片材和結構膠層的厚度，截面的曲率與應變之間的幾何關系如下：

式（1）中： ? 為截面的曲率； ε_c^t 為截面受壓區邊緣混凝土的壓應變； ε_s 為縱向受拉鋼筋的應變； h 為截面的高度； h₀ 為截面的有效高度； ξ_n 為混凝土受壓區高度和截面有效高度的比值，即相對受壓區高度； ε_t^b 為截面受拉區邊緣混凝土的拉應變； ε_f 為CFRP片材的應變，忽略CFRP片材和結構膠層的厚度時，近似地認為 ε_f=ε_r^b 。

對單筋矩形截面受彎構件的正截面承載力作簡化分析，忽略CFRP片材和結構膠層的厚度，將受壓區混凝土的曲線應力圖形等效為矩形應力圖形，如圖4所示，設等效后的混凝土壓應力為 αf_c ，等效矩形應力圖形的高度為 β_rx_n 。對于強度等級不大于C50的混凝土，經過簡化可取 α₁=1.00，β₁=0.80^[7] 。

根據軸向力和力矩平衡條件，有：

α₁f_cbx=σ_sA_s+σ_fA_f，

式（2）和式（3）中： f_c 為混凝土的抗壓強度； b 為梁截面寬度； σ_s，A_s 為鋼筋的應力和截面積； σ_f，A_f 為CFRP片材的應力和截面積； h_fe 為CFRP片材的面積重心至受壓邊緣的有效高度，當在構件受拉面粘貼CFRP片材時，可取 h_fe=h 。

由于CFRP片材加固混凝土梁存在多種破壞模式，在考慮不同破壞模式下對應的受彎承載力極限狀態時，需要確定CFRP片材的拉應變極限值，將其代入公式（1）—（3）進行綜合求解，可以得到梁的極限承載力狀況。需要注意的是不同破壞模式下極限狀態的CFRP片材拉應變極限值需要通過不同方式計算，包括混凝土壓碎破壞、CFRP片材拉斷、端部剝離破壞和中部剝離破壞等。根據CFRP片材端部處粘膠層的剝離主應力 σ₁ 與混凝土抗拉強度 ：f_t 的比較，可以判斷梁是否因CFRP片材端部應力集中而出現端部剝離破壞：當 σ₁gt;f_t 時，發生端部剝離[；當 σ_1??t 時，不發生端部剝離。該情況下通過受壓區混凝土被壓碎、CFRP片材被拉斷、CFRP片材與混凝土界面產生剝離破壞（即中部剝離破壞）時CFRP片材的有效拉應變 E_fe，m1?_fe，m2 ，以及CFRP片材被拉斷時換算得到的拉應變 f_fd/E_f 三者數值的比較，可以判斷梁的破壞類型9。教師可以引導學生推理可能存在的破壞模式及其極限狀態模型，并鼓勵學生在課后自行查閱相關文獻，自主探究學習CFRP片材加固梁的受彎特性。

理論課結束后，教師可將學生分成若干小組，讓學生通過小組學習探究的方式，分別設計不同的CFRP片材粘貼形式，以期產生不同的破壞模式，并合作撰寫對應的實驗方案。同時，教師可在實驗室進行若干次演示實驗，供有時間、有興趣或在設計中遇到困惑的學生前來學習和模仿。學生提交的實驗方案經教師審核和修改后，方可正式進行實驗。在實驗室中，學生共同觀察各組設計的梁的破壞過程和破壞模式，并進行小組評分。小組成員根據各自在實驗中的貢獻程度進行組內互評打分。實驗結束后，每個學生各自撰寫本小組的實驗報告，并對實驗結果作出總結反思。教師從各組實驗方案效果、實驗報告、實驗中學生參與程度，以及小組互評、組內打分等方面對每個學生進行綜合評分。

（二）CFRP片材加固梁受彎性能實驗的實驗結果分析

同濟大學于2022年1月開展的CFRP片材加固受彎性能實驗中，采用的加載裝置如圖5所示，加載設備為千斤頂。此次實驗共設置5根實驗梁，各自的鋼筋、CFRP片材使用情況如表3和表4所示。試件的預測及實際破壞荷載如表5所示。

通過對比可以發現，各組試件的破壞模式均與預期相符合。除空白對照試件的實際破壞荷載大于理論破壞荷載外，混凝土壓碎試件、CFRP片材被拉斷試件、FRP片材中部剝離試件和CFRP片材端部剝離試件的實際破壞荷載均與理論密切相符，其中CFRP片材被拉斷試件實際破壞荷載略高于理論。5組試件的荷載-跨中撓度關系曲線如圖6所示。總體而言，經過CFRP片材加固后的混凝土梁，其極限抗彎承載力有不同程度的提高，但延性相比有一定程度的下降。

通過分析、計算和對比試件受彎極限承載力的過程，可以培養學生處理實驗數據、解決實踐問題的能力，提升學生靈活運用所學知識的能力，以及綜合分析的水平。同時，可以讓學生直觀地感受CFRP片材加固混凝土梁的優良效果，認識到新材料、新工藝給土木工程技術注入的活力與能量，為學生將來從事科研相關工作打下堅實的基礎。

（三）CFRP片材加固梁受彎性能實驗的教學優點

1.創新實驗內容

CFRP片材加固混凝土梁的四點彎曲實驗，是在傳統混凝土教學試驗基礎上，通過引入新材料和新工藝，對梁受彎性能教學的一次探索與創新。實驗的教學目的是通過研究張貼CFRP片材的混凝土梁四點受彎破壞的全過程，促進學生認識CFRP片材的加固效果，同時掌握測試混凝土受彎構件基本性能的方法。這項創新的教學實驗不僅適應現階段建筑行業加固修復既有建筑的大方向，還能鍛煉學生的科研能力和科研素養。CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗采用“引人一組合一開放”的思路，對傳統的混凝土教學實驗進行創新拓展。該實驗能夠將學科前沿技術和學生已學的基礎知識相結合，給土木工程學科的實驗內容創新提供了一個良好的思路。

2.革新實驗教學形式

CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗一改傳統實驗教學中老師主導的教學模式，讓學生成為實驗課的主體，發揮學生的主人翁意識。從前期理論學習時自行拓展閱讀相關文獻開始，到實驗前自己撰寫、改進實驗方案再由教師審核，再到實驗中學生各自觀察彼此評分這一系列過程，能幫助

學生跳出“學生思維”，充分調動學生自主學習、主動學習的積極性，激發學生的科研激情。在本科教學階段引入這種革新的實驗教學模式，引導學生依托新材料、新工藝和學科前沿技術開展合適的創新實踐，寓教于研、研學并重，能同時提升實驗教學中的教師和學生的創新能力和實踐能力[10]。

3.提高實踐教學的受重視度

傳統的實驗教學往往未得到師生足夠的關注，成績考核方式單一，且學生一學期通常只有幾次機會進人實驗室，缺乏學習主動性。CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗符合科研性實驗的理念，增加了實驗課時、提高實驗室對學生開放程度，設置了理論學習、自主探索、小組探究、教師指導、實驗驗證、反思總結等環節。同時，該實驗改革了實驗教學的學習評價制度，從整個實驗課程的各個環節出發進行考核，有效激勵學生自主學習、奮發學習、全面發展。

（四）CFRP片材加固梁受彎性能實驗的設置建議

在推廣應用該實驗教學時，應當考慮不同學生的學習能力和理論知識的掌握水平等。集約分層式\"教學是比較理想的教學模式，依據學生的學習興趣、知識水平和空余時間等情況，將其分為不同層次的學習小組，分別配給不同深度、廣度和自主度的教學資源。這種模式既能充分適應不同學生的學習需要，又能充分利用有限的教學資源，大幅優化創新實驗的教學效果[1]。

在CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗中，CFRP的長度、寬度和厚度等是重要變量，對CFRP片材加固梁的受彎性能影響很大。這要求學生在教師的指導下查閱文獻，切實掌握理論后再自行設計實驗方案。實驗方案設計過程中除了尋求教師指導，還可以參考使用CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗計算小程序，盡可能保證正式實驗的成功率。

實驗考核需綜合評估學生的理論掌握程度、實驗操作能力、小組合作貢獻、學習態度、實驗效果和實驗報告質量，重點培養學生的科學態度和實踐精神，并鼓勵其進行科研探索。多維度的考核評分機制能夠提高學生對實驗課的重視程度，促進學生自主學習[11]。分小組設計實驗方案，有助于合理控制實驗經費和節約時間成本，同時還能培養學生的團隊合作能力，促進學生主動思考、自由分配任務，保證學生在實驗教學過程中的主體地位[12]。

在處理實驗數據時，建議學生繪制裂縫分布圖、荷載-撓度關系曲線、彎矩-曲率關系曲線、荷載-縱筋應變關系曲線、CFRP片材應變沿長度分布曲線、荷載-跨中CFRP應變關系曲線，以考察CFRP片材加固混凝土梁的受彎性能特性。同時，建議學生對混凝土梁進行正截面與斜截面承載力分析、構件承載力分析、使用性能分析，并對實際值與理論值之間的差距作出反思與小結。

對于沒有科研基礎的本科生，設計實驗方案時可能面對許多挑戰，因此教師要注重前期理論的講解，為學生推薦可供參考的文獻，并在學生設計實驗方案的過程中耐心指導，指出問題，從而激發學生科研興趣。在最終進行考核評分時，教師不宜過分注重實驗方案的成功與否，以免降低學生科研的積極性。

五、結語

本研究以CFRP片材加固混凝土梁四點受彎實驗為例，探索了工程結構全壽命維護課程的新型實踐教學模式。該模式通過充分調動學生的主觀能動性，讓學生成為實驗教學的主導者，促進了學生對專業基礎理論的深化、拓展和實踐應用。同時，為本科生提供了親身參與科研實踐的機會，培養了其獨立思考的能力和個性化的科學思維。該模式可為其他學科的實驗教學改革提供創新思路，具有推廣價值與教學意義。然而，本研究主要聚焦實驗教學設計方面，未來將進一步關注教學成效評估和目標達成度，逐步完善課程內容體系。

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Abstract： Currently，the development of the construction industry presents a new situation and pattern.After decades of rapid development，the field of infrastructure construction in China has shown a certain saturation state，and the construction speed of new buildings in China has slowed down. Therefore，the construction industrybegins to focus on the reinforcement and repairof existing buildings.Combined with the experimental teaching of life cycle maintenance of engineering structures，this paper analyzes in the failure mode and ultimate bearing capacity of concrete beam systems strengthened with carbon fiber-reinforced polymer （CFRP）， summarizes the new methods and ideas of using new materials to carry out bending tests of concrete beams，and puts forward the innovative reform of the structural experiment teaching mode， which integrates major national needs，engineering practice and teaching experiments.As the optimization and supplement of traditional teaching，this mode is conducive to stimulating students‘experimental interest and innovative thinking，and cultivating their ability to find and solve problems as well as combine theory and engineering application.

Key words： life cycle maintenance; CFRP; experimental teaching; teaching reform; flexural experiment

（責任編輯 代小進）