FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究进展

丁仲凡，蔡少杰

(华东交通大学土木建筑学院，310033,南昌)

FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究进展

丁仲凡，蔡少杰

(华东交通大学土木建筑学院，310033,南昌)

纤维增强材料(FRP)具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，运用于土木工程加固领域。总结了FRP预应力与非预应力加固钢筋混凝土结构在疲劳荷载作用下的力学特性和加固效果；界面在疲劳荷载作用下性能变化的研究方法和有关结论和分析，指出了疲劳性能研究的关键在界面，因此需要做更精细的研究。

FRP；界面；混凝土结构；疲劳性能

0 引言

近年来，新型纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)在结构加固领域越来越多地运用于建筑、桥梁等混凝土结构，与传统加固方法相比，它更便于施工且具备轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等众多优点[1]。许多钢筋混凝土结构在公路与铁路桥梁、吊车梁、海洋平台需要长期承受重复荷载作用。结构材料在重复荷载的作用下，将发生疲劳破坏，对这类结构的加固，当然要考虑加固后的疲劳特性。开展FRP加固混凝土结构在疲劳荷载下力学性能的研究，是相应的加固设计的基础，因此有其理论和实际价值。

1 FRP加固混凝土构件整体疲劳性能研究

1.1非预应力FRP加固混凝土结构疲劳性能

非预应力FRP加固混凝土梁是一种较为普遍的加固方式，它能够有效的提高梁的疲劳寿命。Meier[2]等人最早对纤维复合增强材料(FRP)加固混凝土构件进行疲劳性能的研究，他们对采用CFRP布外贴加固钢筋混凝土T型梁进行疲劳试验研究。试验梁经过1.2×107次疲劳循环后有一根钢筋发生断裂，1.2×108次时试验梁彻底破坏，实验结果表明：通过CFRP加固的梁具备了很好的疲劳性能。虽然研究者并没有将其与未加固梁做对比，也没有提供一定深入的理论分析，但为以后的研究提供了实验研究基础。

在变形与裂缝扩展方面，Inoue[3]等对FRP加固混凝土梁进行疲劳试验，结果表明CFRP能在很大程度上提高构件的疲劳性能，与未加固梁的对比，加固能有效减小加固梁的挠度与裂纹的宽度。潘芬芬[4]等人通过在钢筋混凝土梁底部粘贴0°的碳纤维布,在相同的循环荷载作用下与未加固梁对比，未加固梁疲劳寿命大约到1×106时底部出现裂缝，而加固梁表面出现裂缝是在增加循环荷载次数达到2×106次时发生的。这也说明了FRP能有效地抑制梁的变形和裂缝的扩展。

在FRP布加固层数对疲劳寿命的影响方面，Shahawy[5]等人对6根梁进行CFRP加固，其中一根为未加固梁疲劳2.95×105次至疲劳破坏、一根为先加载1.5×105次后再用2层CFRP对其加固至疲劳破坏，最终疲劳寿命为2.0×106、其余4根根据加固层数不同分为2组，2层粘贴试件疲劳次数分别为1.8×106次和1.756×106次、3层粘贴试件疲劳次数分别为3.0×106次和3.215×106次。实验结果表明：严重开裂的梁在服务期可以用CFRP加固，是一种恢复和加强疲劳的有效方法；随着CFRP层数的增加试验梁的疲劳性能得到更好的改善，但是加固层数的增加相应成本也增加。

研究还发现在FRP加固钢筋混凝土梁中，疲劳破坏分为2个阶段[6]：首先是钢筋在疲劳荷载下发生断裂随后FRP在荷载作用下发生剥离。因此，可以看出钢筋的断裂是钢筋混凝土梁疲劳破坏的主要原因。钢筋首先发生疲劳断裂，因为钢筋混凝土梁的疲劳性能是由主筋上应力大小决定的，而FRP分配了主筋上的应力因此起到了改善被加固构件疲劳性能的作用。当加固梁的钢筋发生疲劳断裂，FRP的应力迅速增加，致使FRP的从梁底部剥离，构件最终破坏。所以只要能减少主筋上应力就能有效地改善RC梁的疲劳性能。

1.2预应力FRP加固混凝土结构疲劳性能

由于FRP与混凝土界面粘结缺陷，在非预应力加固时，界面剥离破坏使得构件提前破坏，达不到文献[6]中的理想加固效果，材料强度利用率差。为了充分利用FRP的高强与耐疲劳特性，对FRP施加预应力，这样可提高FRP的强度利用率，改善构件受力性能，延缓FRP在剥离方面表现出的良好性能[7-9]。

张轲[10]等对预应力碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能进行探讨。对7根钢筋混凝土T型梁进行弯曲疲劳试验，考察不同参数对加固梁疲劳性能的影响(预应力碳纤维布加固量、等幅/变幅疲劳荷载、配筋率以及加固前损伤量)。实验结果表明：与未加固梁对比，非预应力CFRP加固试件的疲劳寿命提高了16. 8%；预应力CFRP加固试件的疲劳寿命提高了55.3%。可以看出，采用预应力CFRP加固的试件的疲劳寿命有明显增长；预应力的施加，使最大缝宽和主裂缝截面挠度都减小，表明预应力碳纤维布加固能很好地抑制梁裂缝扩展和变形。

张建伟[11]对预应力芳纶纤维布加固混凝土梁的疲劳性能做了初步的研究。试验设计了6根钢筋混凝土梁，其中2根为未加固用来做静载试验以确定梁的极限弯矩，1根为非预应力芳纶纤维布加固的梁用来对预应力梁做对比，最后3根是预应力芳纶纤维加固梁采用对纤维布施加不同的预应力做对比，用来观测试验梁挠度、纵筋应变、纤维应变以及受压区混凝土应变的变化规律。试验表明预应力芳纶纤维布加固梁的疲劳性能要明显好于非预应力芳纶纤维布加固梁的疲劳性能，且AFRP布的预应力水平越高,梁的残余挠度、纵筋应变、受压区混凝土应变以及纤维布本身的应变都越小，梁的疲劳寿命也随预应力的增加提高了33%～74%。

PLC数字量输出点数的统计：1)设备运行指示灯、故障指示灯。2)收带和放带变频器启停控制、排线伺服控制器启停控制。3)收带和放带刹车电磁阀控制。需要7个数字量输出点。

1.3环境与疲劳荷载耦合作用下FRP加固混凝土结构的疲劳性能

结构除了可能受到等幅或变幅的疲劳荷载作用，温度、湿度以及各种腐蚀条件等环境因素对结构的疲劳性能也有影响。实验数据和理论分析显示，外界环境对加固梁基本力学性能有很大的影响，将很大程度上影响被加固结构的加固效果。

邓宗才[12]等人研究了AFRP加固腐蚀梁的疲劳性能，设计了7根矩形钢筋混凝土梁，其中3根为未腐蚀梁、2根腐蚀未加固梁、2根腐蚀加固梁，从疲劳寿命、挠度、应变以及裂缝等方面对比分析。实验分析结果表明：AFRP加固腐蚀的混凝土梁能够有效提高其疲劳寿命，当腐蚀达到中度时与未加固梁相比其疲劳寿命提高大约1 000%，这也说明研究FRP在腐蚀结构加固中疲劳性能的重要性；加固腐蚀梁纵筋、混凝土的应变以及残余应变都小于未加固腐蚀梁，说明FRP加固腐蚀梁能有效减缓钢筋混凝土界面损伤引起的使用寿命下降。

周芝林[13]对碳纤维薄板加固混凝土梁在不同温度环境下的疲劳性能进行了研究分析。梁尺寸为1 850 mm×200 mm×100 mm，在5 ℃、20 ℃、50 ℃、80 ℃的温度场内分别以25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 kN为加载上限，以三点弯曲的加载方式对加固梁施加重复荷载。实验结果表明在随温度升高，CFL加固RC梁的疲劳寿命逐渐下降、疲劳极限强度也有所下降，且认为当温度升高时加固梁在单调静力作用下的极限承载力也有下降趋势；并结合实验拟合出了外力与温度耦合下的加固RC梁疲劳寿命的公式：

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

(1)

其中,P为荷载上限、T为温度、N为疲劳寿命，与实验结果基本吻合。

谭琳[14]结合广东本地的桥梁实际温湿度，在自行研制的环境试验系统内对温湿环境与疲劳荷载共同作用下加固梁的疲劳性能试验。研究了：1)在恒定湿热恒定荷载复幅度；2)本地实际湿热情况且恒定荷载复幅度；3)本地实际湿热情况车辆随机荷载幅度3种情况下跨中挠度的变化、破坏形式以及破坏机理。研究表明：与通常情况下的疲劳实验不同，在温湿环境下FRP加固梁的破坏只有单一性的界面剥离，认为在温湿环境下胶层的力学性能发生了改变，降低了它的剪切强度；在温湿环境下加固梁的挠度增长速度为常温下的2倍；在相同应力水平下温湿度对梁疲劳寿命的影响十分显著。

湿热是我国南方常见并且长期所处的环境状况，这种环境影响界面特性，界面层剪切强度因此发生变化，环氧树脂粘结剂在随温度与湿度升高的影响下剪切强度降低，这样便会增加纵向拉力筋承担荷载的份量，导致纵向拉力筋过早损伤而降低承载能力，这些力又集中在界面层，使界面层加速损伤，导致FRP加速剥离疲劳寿命减小。

2 FRP-混凝土界面疲劳性能研究

2.1界面疲劳性能测试方法的选择

目前国内外界面疲劳性能测试方案分为两种：FRP单独与素混凝土粘结的纯单剪和纯双剪构件，另一种是FRP粘结于钢筋混凝土结构底部的梁式构件。其原理示意图如图1～图3所示[15-18]。这些文献分别研究了不同的粘贴构造和疲劳加载方式( 包括CFRP长度及厚度、混凝土强度、频率和幅值等)对粘结界面疲劳破坏模式以及疲劳性能的影响。

图1 FRP加固素混凝土纯单剪模型

图2 FRP加固素混凝土纯双剪模型

图3 FRP加固钢筋混凝土梁弯剪构件模型

2.2界面粘结疲劳退化规律

Bizindavyi[15]等和Gheorgiu[18]等人采用纯单剪疲劳试验方法对FRP-混凝土界面疲劳性能进行研究，试验表明：通过对界面粘结应力-滑移曲线分析表明，随着疲劳次数的不断增加，曲线的割线率在逐渐减小。如图3，这意味着界面粘结刚度在不断退化，直到构件所能承受的极限荷载降低到疲劳上限，试件突然破坏。同时Bizindavyi在试验中发现了3种界面破坏模式及粘贴区外FRP断裂、混凝土剪切破坏、粘贴区外FRP断裂与混凝土剪切破坏同时发生。

韩强[19]在实验中采用了FRP外贴的直接拉拔式的双剪实验方案，将FRP片材粘贴在混凝土试块两侧，疲劳试验加载频率取为10 Hz，采用力控制模式，荷载为正弦波形(最大荷载分别取25 kN、22.5 kN、20 kN、17.5 kN、15 kN、10 kN，加载应力比R=0.1)。实验结果表明：通过对荷载-加载端板条滑移迟滞回线图分析得知，随着疲劳次数的增加，迟滞回线的斜率总体趋势是逐渐减小的；并且通过对界面局部的粘结剪力进行分析，结果表明：随着疲劳次数的增加，局部的粘结剪力在不同的荷载幅值下呈现出指数线性下降的趋势，当疲劳次数达到一定数值，粘结剪力降为零。参照有关钢筋混凝土界面粘结疲劳性能的研究，给出了FRP-混凝土界面粘结强度随循环次数退化的计算公式，揭示了界面粘结强度的退化规律。

2.3循环荷载下界面损伤累积、裂纹扩展规律

Bizindavyi[15]等人在实验研究中发现随着疲劳次数的增加，在不同疲劳次数下的荷载上限时沿粘结长度方向应变峰值有从加载端向自由端发展的趋势，在接近破坏次数时这种趋势更为明显，这也说明在循环荷载作用下界面损伤逐渐累积。

韩强[19]在对实验的荷载-加载端板条滑移迟滞回线图分析后发现，在循环加载初期，迟滞回曲线所包含的面积逐渐增大，表明能量消散主要是由于混凝土裂纹的萌生和扩展引起的；而在循环加载的第二阶段，滞回面积又重新经历了由小变大的变化过程，FRP-混凝土界面微裂纹逐步萌生到后来的稳定扩展。在循环加载的第三阶段，滞回面积突然增加，表明此时界面裂纹进入了失稳扩展阶段。这意味着界面裂纹的扩展经历了：萌生、稳定和失稳等3个阶段，这与静载下的裂纹扩展类似。

邓江东[20]运用疲劳与断裂力学理论，计算了受弯的CFL加固RC梁界面疲劳裂缝尖端的应力强度因子。参考Paris公式积分，得到界面裂缝疲劳扩展寿命公式。结合疲劳试验，对CFL-混凝土界面的疲劳裂缝扩展预测进行分析。结合理论与试验分析，可以知道：通过对试件整个的破坏过程的观测，发现界面裂缝的扩展主要经历裂缝萌生、裂缝稳定扩展、裂缝失稳扩展3个阶段，通过理论分析可以得到界面裂缝的疲劳扩展公式：

(2)

2.4粘结构造对界面粘结疲劳性能的影响

马涛[16]设计了一组纯单剪试件，如图2所示。文章分析了不同参数(包括CFRP长度、厚度、混凝土强度、加载频率和荷载幅值等)对界面粘结疲劳性能的影响。实验结果表明：影响界面疲劳性能的因素是荷载上限占界面静态初始剥离荷载的比值，该值越大，疲劳寿命越短。可以通过增加CFRP粘贴长度和厚度及提高混凝土的强度等级来提高疲劳性能；同时循环频率对界面疲劳性能也有影响，频率越大，疲劳寿命越短。

王博[21]采用FRP外贴加固素混凝土的纯双剪切实验模型，分别研究不同FRP粘结长度和不同胶层厚度对界面疲劳性能的影响。对混凝土和FRP之间的相对滑移、FRP应变数据的提取与分析表明：随着FRP粘结长度的增加，界面损伤更加均匀，突变损伤发生更少；随着粘结长度和胶层厚度的增加，循环加载过程的最大滑移量显著减小，粘结长度和胶层厚度的增加在一定程度上减小了粘结界面的疲劳损伤累积。

3 结论

对FRP加固结构疲劳性能的研究，大多数还处于实验研究阶段。对于FRP加固混凝土结构疲劳粘结机理的认识尚需深入。文献资料表明：1)FRP加固混凝土结构能够明显提高构件的疲劳寿命，抑制变形及裂缝的发展；2)加固后的疲劳实验研究表明了加固的效果，预应力可以显著地改进加固构件的疲劳特性；3)湿热环境对疲劳性能的影响表现在界面的劣化；4)疲劳寿命降低应从界面的疲劳粘结机理入手，对影响界面疲劳粘结性能的关键因素做出定性与定量分析，建立描述界面粘结退化、界面疲劳损伤数学模型，为纤维复合增强材料运用于加固混凝土结构中提供理论依据；5)进一步的研究要将钢筋混凝土结构和界面疲劳性能统一起来，为加固设计提供更可靠的理论支撑。

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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，江西抚州人，硕士研究生，研究方向为FRP加固钢筋混凝土结构。

国家自然科学基金资助项目(11242006)。

1001-3679(2014)03-0318-05

TU378

A