丁仲凡，蔡少杰

(華東交通大學土木建筑學院，310033,南昌)

FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究進展

丁仲凡，蔡少杰

(華東交通大學土木建筑學院，310033,南昌)

纖維增強材料(FRP)具有輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕等優(yōu)點，運用于土木工程加固領(lǐng)域。總結(jié)了FRP預應力與非預應力加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在疲勞荷載作用下的力學特性和加固效果；界面在疲勞荷載作用下性能變化的研究方法和有關(guān)結(jié)論和分析，指出了疲勞性能研究的關(guān)鍵在界面，因此需要做更精細的研究。

FRP；界面；混凝土結(jié)構(gòu)；疲勞性能

0 引言

近年來，新型纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域越來越多地運用于建筑、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)加固方法相比，它更便于施工且具備輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞等眾多優(yōu)點[1]。許多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在公路與鐵路橋梁、吊車梁、海洋平臺需要長期承受重復荷載作用。結(jié)構(gòu)材料在重復荷載的作用下，將發(fā)生疲勞破壞，對這類結(jié)構(gòu)的加固，當然要考慮加固后的疲勞特性。開展FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在疲勞荷載下力學性能的研究，是相應的加固設(shè)計的基礎(chǔ)，因此有其理論和實際價值。

1 FRP加固混凝土構(gòu)件整體疲勞性能研究

1.1非預應力FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能

非預應力FRP加固混凝土梁是一種較為普遍的加固方式，它能夠有效的提高梁的疲勞壽命。Meier[2]等人最早對纖維復合增強材料(FRP)加固混凝土構(gòu)件進行疲勞性能的研究，他們對采用CFRP布外貼加固鋼筋混凝土T型梁進行疲勞試驗研究。試驗梁經(jīng)過1.2×107次疲勞循環(huán)后有一根鋼筋發(fā)生斷裂，1.2×108次時試驗梁徹底破壞，實驗結(jié)果表明：通過CFRP加固的梁具備了很好的疲勞性能。雖然研究者并沒有將其與未加固梁做對比，也沒有提供一定深入的理論分析，但為以后的研究提供了實驗研究基礎(chǔ)。

在變形與裂縫擴展方面，Inoue[3]等對FRP加固混凝土梁進行疲勞試驗，結(jié)果表明CFRP能在很大程度上提高構(gòu)件的疲勞性能，與未加固梁的對比，加固能有效減小加固梁的撓度與裂紋的寬度。潘芬芬[4]等人通過在鋼筋混凝土梁底部粘貼0°的碳纖維布,在相同的循環(huán)荷載作用下與未加固梁對比，未加固梁疲勞壽命大約到1×106時底部出現(xiàn)裂縫，而加固梁表面出現(xiàn)裂縫是在增加循環(huán)荷載次數(shù)達到2×106次時發(fā)生的。這也說明了FRP能有效地抑制梁的變形和裂縫的擴展。

在FRP布加固層數(shù)對疲勞壽命的影響方面，Shahawy[5]等人對6根梁進行CFRP加固，其中一根為未加固梁疲勞2.95×105次至疲勞破壞、一根為先加載1.5×105次后再用2層CFRP對其加固至疲勞破壞，最終疲勞壽命為2.0×106、其余4根根據(jù)加固層數(shù)不同分為2組，2層粘貼試件疲勞次數(shù)分別為1.8×106次和1.756×106次、3層粘貼試件疲勞次數(shù)分別為3.0×106次和3.215×106次。實驗結(jié)果表明：嚴重開裂的梁在服務(wù)期可以用CFRP加固，是一種恢復和加強疲勞的有效方法；隨著CFRP層數(shù)的增加試驗梁的疲勞性能得到更好的改善，但是加固層數(shù)的增加相應成本也增加。

研究還發(fā)現(xiàn)在FRP加固鋼筋混凝土梁中，疲勞破壞分為2個階段[6]：首先是鋼筋在疲勞荷載下發(fā)生斷裂隨后FRP在荷載作用下發(fā)生剝離。因此，可以看出鋼筋的斷裂是鋼筋混凝土梁疲勞破壞的主要原因。鋼筋首先發(fā)生疲勞斷裂，因為鋼筋混凝土梁的疲勞性能是由主筋上應力大小決定的，而FRP分配了主筋上的應力因此起到了改善被加固構(gòu)件疲勞性能的作用。當加固梁的鋼筋發(fā)生疲勞斷裂，F(xiàn)RP的應力迅速增加，致使FRP的從梁底部剝離，構(gòu)件最終破壞。所以只要能減少主筋上應力就能有效地改善RC梁的疲勞性能。

1.2預應力FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能

由于FRP與混凝土界面粘結(jié)缺陷，在非預應力加固時，界面剝離破壞使得構(gòu)件提前破壞，達不到文獻[6]中的理想加固效果，材料強度利用率差。為了充分利用FRP的高強與耐疲勞特性，對FRP施加預應力，這樣可提高FRP的強度利用率，改善構(gòu)件受力性能，延緩FRP在剝離方面表現(xiàn)出的良好性能[7-9]。

張軻[10]等對預應力碳纖維布加固混凝土梁的疲勞性能進行探討。對7根鋼筋混凝土T型梁進行彎曲疲勞試驗，考察不同參數(shù)對加固梁疲勞性能的影響(預應力碳纖維布加固量、等幅/變幅疲勞荷載、配筋率以及加固前損傷量)。實驗結(jié)果表明：與未加固梁對比，非預應力CFRP加固試件的疲勞壽命提高了16. 8%；預應力CFRP加固試件的疲勞壽命提高了55.3%?？梢钥闯?，采用預應力CFRP加固的試件的疲勞壽命有明顯增長；預應力的施加，使最大縫寬和主裂縫截面撓度都減小，表明預應力碳纖維布加固能很好地抑制梁裂縫擴展和變形。

張建偉[11]對預應力芳綸纖維布加固混凝土梁的疲勞性能做了初步的研究。試驗設(shè)計了6根鋼筋混凝土梁，其中2根為未加固用來做靜載試驗以確定梁的極限彎矩，1根為非預應力芳綸纖維布加固的梁用來對預應力梁做對比，最后3根是預應力芳綸纖維加固梁采用對纖維布施加不同的預應力做對比，用來觀測試驗梁撓度、縱筋應變、纖維應變以及受壓區(qū)混凝土應變的變化規(guī)律。試驗表明預應力芳綸纖維布加固梁的疲勞性能要明顯好于非預應力芳綸纖維布加固梁的疲勞性能，且AFRP布的預應力水平越高,梁的殘余撓度、縱筋應變、受壓區(qū)混凝土應變以及纖維布本身的應變都越小，梁的疲勞壽命也隨預應力的增加提高了33%～74%。

PLC數(shù)字量輸出點數(shù)的統(tǒng)計：1)設(shè)備運行指示燈、故障指示燈。2)收帶和放帶變頻器啟?？刂?、排線伺服控制器啟停控制。3)收帶和放帶剎車電磁閥控制。需要7個數(shù)字量輸出點。

1.3環(huán)境與疲勞荷載耦合作用下FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能

結(jié)構(gòu)除了可能受到等幅或變幅的疲勞荷載作用，溫度、濕度以及各種腐蝕條件等環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)的疲勞性能也有影響。實驗數(shù)據(jù)和理論分析顯示，外界環(huán)境對加固梁基本力學性能有很大的影響，將很大程度上影響被加固結(jié)構(gòu)的加固效果。

鄧宗才[12]等人研究了AFRP加固腐蝕梁的疲勞性能，設(shè)計了7根矩形鋼筋混凝土梁，其中3根為未腐蝕梁、2根腐蝕未加固梁、2根腐蝕加固梁，從疲勞壽命、撓度、應變以及裂縫等方面對比分析。實驗分析結(jié)果表明：AFRP加固腐蝕的混凝土梁能夠有效提高其疲勞壽命，當腐蝕達到中度時與未加固梁相比其疲勞壽命提高大約1 000%，這也說明研究FRP在腐蝕結(jié)構(gòu)加固中疲勞性能的重要性；加固腐蝕梁縱筋、混凝土的應變以及殘余應變都小于未加固腐蝕梁，說明FRP加固腐蝕梁能有效減緩鋼筋混凝土界面損傷引起的使用壽命下降。

周芝林[13]對碳纖維薄板加固混凝土梁在不同溫度環(huán)境下的疲勞性能進行了研究分析。梁尺寸為1 850 mm×200 mm×100 mm，在5 ℃、20 ℃、50 ℃、80 ℃的溫度場內(nèi)分別以25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 kN為加載上限，以三點彎曲的加載方式對加固梁施加重復荷載。實驗結(jié)果表明在隨溫度升高，CFL加固RC梁的疲勞壽命逐漸下降、疲勞極限強度也有所下降，且認為當溫度升高時加固梁在單調(diào)靜力作用下的極限承載力也有下降趨勢；并結(jié)合實驗擬合出了外力與溫度耦合下的加固RC梁疲勞壽命的公式：

P=45.3e(-T/10.56)+43.0-[6.72e(-T/10.35)+2.61]lgN

(1)

其中,P為荷載上限、T為溫度、N為疲勞壽命，與實驗結(jié)果基本吻合。

譚琳[14]結(jié)合廣東本地的橋梁實際溫濕度，在自行研制的環(huán)境試驗系統(tǒng)內(nèi)對溫濕環(huán)境與疲勞荷載共同作用下加固梁的疲勞性能試驗。研究了：1)在恒定濕熱恒定荷載復幅度；2)本地實際濕熱情況且恒定荷載復幅度；3)本地實際濕熱情況車輛隨機荷載幅度3種情況下跨中撓度的變化、破壞形式以及破壞機理。研究表明：與通常情況下的疲勞實驗不同，在溫濕環(huán)境下FRP加固梁的破壞只有單一性的界面剝離，認為在溫濕環(huán)境下膠層的力學性能發(fā)生了改變，降低了它的剪切強度；在溫濕環(huán)境下加固梁的撓度增長速度為常溫下的2倍；在相同應力水平下溫濕度對梁疲勞壽命的影響十分顯著。

濕熱是我國南方常見并且長期所處的環(huán)境狀況，這種環(huán)境影響界面特性，界面層剪切強度因此發(fā)生變化，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在隨溫度與濕度升高的影響下剪切強度降低，這樣便會增加縱向拉力筋承擔荷載的份量，導致縱向拉力筋過早損傷而降低承載能力，這些力又集中在界面層，使界面層加速損傷，導致FRP加速剝離疲勞壽命減小。

2 FRP-混凝土界面疲勞性能研究

2.1界面疲勞性能測試方法的選擇

目前國內(nèi)外界面疲勞性能測試方案分為兩種：FRP單獨與素混凝土粘結(jié)的純單剪和純雙剪構(gòu)件，另一種是FRP粘結(jié)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的梁式構(gòu)件。其原理示意圖如圖1～圖3所示[15-18]。這些文獻分別研究了不同的粘貼構(gòu)造和疲勞加載方式( 包括CFRP長度及厚度、混凝土強度、頻率和幅值等)對粘結(jié)界面疲勞破壞模式以及疲勞性能的影響。

圖1 FRP加固素混凝土純單剪模型

圖2 FRP加固素混凝土純雙剪模型

圖3 FRP加固鋼筋混凝土梁彎剪構(gòu)件模型

2.2界面粘結(jié)疲勞退化規(guī)律

Bizindavyi[15]等和Gheorgiu[18]等人采用純單剪疲勞試驗方法對FRP-混凝土界面疲勞性能進行研究，試驗表明：通過對界面粘結(jié)應力-滑移曲線分析表明，隨著疲勞次數(shù)的不斷增加，曲線的割線率在逐漸減小。如圖3，這意味著界面粘結(jié)剛度在不斷退化，直到構(gòu)件所能承受的極限荷載降低到疲勞上限，試件突然破壞。同時Bizindavyi在試驗中發(fā)現(xiàn)了3種界面破壞模式及粘貼區(qū)外FRP斷裂、混凝土剪切破壞、粘貼區(qū)外FRP斷裂與混凝土剪切破壞同時發(fā)生。

韓強[19]在實驗中采用了FRP外貼的直接拉拔式的雙剪實驗方案，將FRP片材粘貼在混凝土試塊兩側(cè)，疲勞試驗加載頻率取為10 Hz，采用力控制模式，荷載為正弦波形(最大荷載分別取25 kN、22.5 kN、20 kN、17.5 kN、15 kN、10 kN，加載應力比R=0.1)。實驗結(jié)果表明：通過對荷載-加載端板條滑移遲滯回線圖分析得知，隨著疲勞次數(shù)的增加，遲滯回線的斜率總體趨勢是逐漸減小的；并且通過對界面局部的粘結(jié)剪力進行分析，結(jié)果表明：隨著疲勞次數(shù)的增加，局部的粘結(jié)剪力在不同的荷載幅值下呈現(xiàn)出指數(shù)線性下降的趨勢，當疲勞次數(shù)達到一定數(shù)值，粘結(jié)剪力降為零。參照有關(guān)鋼筋混凝土界面粘結(jié)疲勞性能的研究，給出了FRP-混凝土界面粘結(jié)強度隨循環(huán)次數(shù)退化的計算公式，揭示了界面粘結(jié)強度的退化規(guī)律。

2.3循環(huán)荷載下界面損傷累積、裂紋擴展規(guī)律

Bizindavyi[15]等人在實驗研究中發(fā)現(xiàn)隨著疲勞次數(shù)的增加，在不同疲勞次數(shù)下的荷載上限時沿粘結(jié)長度方向應變峰值有從加載端向自由端發(fā)展的趨勢，在接近破壞次數(shù)時這種趨勢更為明顯，這也說明在循環(huán)荷載作用下界面損傷逐漸累積。

韓強[19]在對實驗的荷載-加載端板條滑移遲滯回線圖分析后發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)加載初期，遲滯回曲線所包含的面積逐漸增大，表明能量消散主要是由于混凝土裂紋的萌生和擴展引起的；而在循環(huán)加載的第二階段，滯回面積又重新經(jīng)歷了由小變大的變化過程，F(xiàn)RP-混凝土界面微裂紋逐步萌生到后來的穩(wěn)定擴展。在循環(huán)加載的第三階段，滯回面積突然增加，表明此時界面裂紋進入了失穩(wěn)擴展階段。這意味著界面裂紋的擴展經(jīng)歷了：萌生、穩(wěn)定和失穩(wěn)等3個階段，這與靜載下的裂紋擴展類似。

鄧江東[20]運用疲勞與斷裂力學理論，計算了受彎的CFL加固RC梁界面疲勞裂縫尖端的應力強度因子。參考Paris公式積分，得到界面裂縫疲勞擴展壽命公式。結(jié)合疲勞試驗，對CFL-混凝土界面的疲勞裂縫擴展預測進行分析。結(jié)合理論與試驗分析，可以知道：通過對試件整個的破壞過程的觀測，發(fā)現(xiàn)界面裂縫的擴展主要經(jīng)歷裂縫萌生、裂縫穩(wěn)定擴展、裂縫失穩(wěn)擴展3個階段，通過理論分析可以得到界面裂縫的疲勞擴展公式：

(2)

2.4粘結(jié)構(gòu)造對界面粘結(jié)疲勞性能的影響

馬濤[16]設(shè)計了一組純單剪試件，如圖2所示。文章分析了不同參數(shù)(包括CFRP長度、厚度、混凝土強度、加載頻率和荷載幅值等)對界面粘結(jié)疲勞性能的影響。實驗結(jié)果表明：影響界面疲勞性能的因素是荷載上限占界面靜態(tài)初始剝離荷載的比值，該值越大，疲勞壽命越短?？梢酝ㄟ^增加CFRP粘貼長度和厚度及提高混凝土的強度等級來提高疲勞性能；同時循環(huán)頻率對界面疲勞性能也有影響，頻率越大，疲勞壽命越短。

王博[21]采用FRP外貼加固素混凝土的純雙剪切實驗模型，分別研究不同F(xiàn)RP粘結(jié)長度和不同膠層厚度對界面疲勞性能的影響。對混凝土和FRP之間的相對滑移、FRP應變數(shù)據(jù)的提取與分析表明：隨著FRP粘結(jié)長度的增加，界面損傷更加均勻，突變損傷發(fā)生更少；隨著粘結(jié)長度和膠層厚度的增加，循環(huán)加載過程的最大滑移量顯著減小，粘結(jié)長度和膠層厚度的增加在一定程度上減小了粘結(jié)界面的疲勞損傷累積。

3 結(jié)論

對FRP加固結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究，大多數(shù)還處于實驗研究階段。對于FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)疲勞粘結(jié)機理的認識尚需深入。文獻資料表明：1)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)能夠明顯提高構(gòu)件的疲勞壽命，抑制變形及裂縫的發(fā)展；2)加固后的疲勞實驗研究表明了加固的效果，預應力可以顯著地改進加固構(gòu)件的疲勞特性；3)濕熱環(huán)境對疲勞性能的影響表現(xiàn)在界面的劣化；4)疲勞壽命降低應從界面的疲勞粘結(jié)機理入手，對影響界面疲勞粘結(jié)性能的關(guān)鍵因素做出定性與定量分析，建立描述界面粘結(jié)退化、界面疲勞損傷數(shù)學模型，為纖維復合增強材料運用于加固混凝土結(jié)構(gòu)中提供理論依據(jù)；5)進一步的研究要將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和界面疲勞性能統(tǒng)一起來，為加固設(shè)計提供更可靠的理論支撐。

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ResearchAdvancementofFatiguePerformanceofConcreteStructureStrengthenedwithFRP

DING Zhongfan,CAI Shaojie

(School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,PRC)

Fiber Reinforced Polymer (FRP) has the advantages of light weight, high strength,corrosion resistance and so on and it is used in the field of civil engineering reinforcement.This article summarizes mechanical properties and reinforcement effect of the prestressed and non-prestressed FRP reinforced concrete structures under fatigue load,and the interface performance change of research method and relevant conclusion and analysis under fatigue load,at the same time the article points out the key in the study of the fatigue performance of the interface,so the more detailed research on interface is needed.

FRP;concrete structure;interface;fatigue

2014-03-31;

2014-04-28

丁仲凡(1989-)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向為FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

國家自然科學基金資助項目(11242006)。

1001-3679(2014)03-0318-05

TU378

A