CFRP加固钢筋混凝土梁疲劳性能研究综述

张佩雲，崔贤 （延边大学工学院，吉林 延吉 133002）

0 前言

钢筋混凝土结构作为目前最常见的结构形式，因严重的材料腐蚀[1]、用途改变、设计标准提高等问题不断涌现，严重限制了建筑的使用年限，结构加固技术应运而生。但粘贴钢板、增大截面及增设支点等传统的加固方法虽然可以改善建筑的承载能力，但因施工和应用等方面的缺陷严重阻碍了这些技术的推广应用。

始于20世纪80年代美国、日本等发达国家的利用碳纤维增强复合材料 (Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)为主要原料的碳纤维结构加固技术虽然在我国起步晚，但其因自身的优势得到了快速发展，并且已经产生较大的经济效益。在钢筋混凝土结构破坏的所有作用中，疲劳破坏是其承载能力退化的主要原因之一，减小结构疲劳破坏造成人员伤亡和经济损失变得十分重要。近年来CFRP材料加固后结构的疲劳性能也成为了学者们热议的话题之一。本文就此对目前该技术的研究进行了一次较为系统的总结，提出了其在研究中尚存在的一些问题，为今后CFRP加固钢筋混凝土结构的研究提供参考。

1 CFRP加固的优缺点

1.1 材料优势

有机母体纤维采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的新型非金属材料称为碳纤维。它具有自重小、比强高、耐疲劳、抗蠕变、耐磨损、尺寸稳定、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能。

1.2 施工优势

CFRP加固技术施工便捷，工效高，不需要大型施工机具，施工占用场地少；具有较强的变形性能，可以在各种形状的结构物上进行修补，适用面广；粘接质量易保证，即使被加固的结构表面不是非常平整，也基本可以达到100%的有效粘贴率。

1.3 缺点分析

材料是决定此加固方法效果的关键，CFRP材料和专用结构胶的选取直接决定着加固质量。两种不同材料工作的滞后效应影响着加固结构的工作效率。弹性模量与强度的比值过低，与钢筋混凝土共同工作时CFRP的强度得不到重分发挥。另现场施工时还应注意防火问题。

2 加固方式的影响

CFRP材料的弹性模量与钢材接近，仅靠粘接力加固在正常使用状态下碳纤维未能充分利用、对试件的受力性能无显著改善作用且主要以粘结界面失效而破坏。采用不同的加固方式可有效改善加固梁的受力性能。

易正翔、李昂等[2]通过不同孔径及孔距CFRP板条混凝土梁的拉拔试件(6个外贴式，6个内嵌式)研究了开孔CFRP板条与混凝土粘接性能。结果表明：CFRP板条开孔可以显著增加CFRP与混凝土粘结界面的延性；任何形式的开孔CFRP板条组合界面的粘接强度均明显提高；在一定范围内，随着CFRP板条开孔直径的增大，组合界面的粘接强度逐步增加；小距离开孔对粘接效果的提高仅在一定范围内有效。

赵少伟、张晓彬等[3]对6根大比例的混凝土梁进行有粘接预应力CFRP板加固梁试验，发现经预应力碳纤维板加固的损伤梁疲劳性能与完好梁相近；预先施加60%预拉力试件的钢筋应变、裂纹间距及宽度较40%的试件均有所增大，疲劳性能显著降低；预应力水平应与原试件刚度匹配。

彭晖等[4]对7根大尺寸试件的疲劳试验研究表明，预应力CFRP板加固梁的疲劳寿命较非预应力加固有显著提高；非预应力碳纤维板加固构件在钢筋疲劳断裂之前黏结层树脂先产生疲劳破坏从而引起碳纤维板剥离，而预应力加固件在较高荷载幅下均未出现CFRP板条剥离的现象；加固梁的疲劳性能受粘结胶层、预应力水平及加固量等诸多因素的影响。

张劲松等[5]研究表明，未锚固梁的碳纤维剥离破坏模式不会随着CFRP加固层数的增加而改变；对于碳纤维加固中，端部可采取X、U形箍等适当的锚固措施，以降低粘贴端的端部应力，提高底部加固件的利用率，延长加固梁的疲劳服役寿命；依靠碳纤维拉力承载的X型箍锚固的效果优于靠胶体粘贴性能承载的U型箍。

3 加固比的影响

王博试验研究[6]表明：适当粘结长度和胶层厚度下的组合梁疲劳后静力极限荷载有较大提高；试件的粘结界面应力幅值随CFRP长度的增加而增长，增加幅度大致呈增大趋势、粘结界面损伤发生更加均匀及发生更少的突变损伤；胶层厚度较小时界面应力幅值发生较大增长，胶层厚度较大时界面应力幅值基本不发生变化；胶层厚度的增加在一定程度上可以减小粘结界面疲劳损伤的累积。

不同宽度及厚度的CFRP板加固梁的疲劳特性是完全不同的，存在最适加固量，但目前国内对此方面的系统研究甚少。寻求最优的加固比例以达到性价比的最大化，这是我们未来的研究方向。

4 疲劳荷载形式

Inoue,Shoichi等[7]等幅疲劳试验研究表明:加固梁的挠度和裂缝宽度较未加固梁有所减小；混凝土梁的静载极限强度和疲劳极限强度得到提高；CFRP板加固法与粘贴钢板法一样能够提高混凝土梁的疲劳性能。

赵莹莹、姜福香等[8]的5组双剪试件的变幅疲劳试验结果表明CFRP材料与混凝土的剥离长度随应力水平的提高而增长，两者近似呈线性关系；CFRP上的应力-应变从加载端逐渐向自由端传递，界面的端部滑移量呈增长趋势；应力水平越高对剪应变沿黏结长度的分布规律及端部滑移情况的影响越明显，剩余界面黏结承载力的下降幅度便越大。

陈翠峰[9]进行的随机疲劳荷载作用下的CFRP加固混凝土结构的抗疲劳性能研究表明：随机载荷下试验梁的疲劳损伤破坏过程与等幅载荷作用下相同，疲劳损伤都可以分为三个阶段；试件的能量吸收总量随载荷水平的降低而增加，随疲劳寿命的增加而增加；在增强梁中随着载荷水平的降低，疲劳裂缝出现的区间增大，数量增加。

5 总结与展望

①预应力CFRP加固梁可极大地提高试验梁的服役寿命，采用预应力锚具在两端进行可靠锚固，还能避免碳纤维片材与钢梁表明过早发生剥离破坏。可见预应力碳纤维加固在结构加固中具有较好的应用前景。

②加固后试件的疲劳性能随加固量不同而变化，而对此方面我们的研究理论尚有欠缺，亟需完善。

③随着建筑使用年限的增长，建筑腐蚀问题已不可避免。作为优异的补强材料，CFRP加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能引起了国内外的广泛关注，但目前国内外相关研究成果甚少。