FRP 及其增强混凝土构件疲劳性能研究现状

陈应贺

（广东工业大学土木与交通工程学院）

1 FRP 材料的疲劳性能

FRP 是纤维及树脂基体构成，纤维起增强作用，树脂起成形、固定和保护纤维作用，纤维-树脂界面起应力传递作用。根据纤维不同，FRP 材料可分为玻璃纤维增强复合材料（Glass-FRP，GFRP）、碳纤维复合材料（Carbon-FRP，CFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（Basalt-FRP，BFRP）。

在疲劳荷载作用下，树脂基体产生横向微裂纹，扩展到纤维-基体界面，使纤维与树脂基体的界面粘结变弱。同时，由于沿FRP 筋截面的应力滞后效应，导致FRP筋外表面的拉应力大于内部的拉应力，使FRP 筋更容易受到疲劳损伤，界面脱粘首先发生在筋的表层，随着循环次数增加，疲劳损伤由外部到内部扩展，最终导致FRP 筋整体失效[1]。

FRP 的疲劳性能与纤维的种类有关。Wu 等人[2]研究了FRP 板材在疲劳载荷作用下的力学特性。研究结果表明：在应力比为0.1、荷载频率为5Hz 下，CFRP、GFRP、BFRP、PBO、C/BFRP、C/GFRP 达到200 万次所对应的最大应力水平分别为83.7%、61.3%、55.0%、76.7%、73.6%、58.0%，与BFRP 相比，C/BFRP 复材疲劳性能有所提升。此外，纤维的拉伸模量影响疲劳破坏模式，模量约为250GPa 的CFRP 沿试样呈纵向裂纹，而模量约为90GPa的GFRP 和BFRP 复合材料表现出横向裂纹。

FRP 的疲劳性能与应力水平、应力幅值有关。Zhao等人[3]从微观尺度和宏观尺度对BFRP 复合材料的疲劳行为进行了研究。BFRP 的疲劳寿命取决于施加的最大应力(疲劳应力水平)，在不同应力水平下，疲劳加载过程中发生了三种类型的损伤模式。当应力水平在85%以上时，试样的断裂是以纤维断裂的方式发生的，疲劳寿命少于5 万次；当应力水平在75%～85%时，试样的破坏主要为界面脱粘和基体裂纹，疲劳寿命在5 万到100 万之间；当应力水平低于75%时，破坏模式为不连续的纤维/基体界面脱粘和纤维矫直，纤维发挥其高强的抗拉强度，残余强度得到提高。Wang 等人[1]研究表明即使在相对较低的应力水平下，循环加载的应力幅值对BFRP筋的疲劳寿命也有很大的影响。应力幅值为0.05fu，且最大疲劳上限0.60fu，可达到200 万次循环。此外，BFRP 筋的弹性模量不受循环荷载的影响，表明对FRP筋的刚度影响较小。

此外，也有人通过设计多因素组合环境来研究FRP材料的疲劳性能。Shi 等人[4]通过加速实验研究了BFRP筋在盐溶液中老化后的疲劳性能，结果表明盐溶液中的氢氧根离子渗透进树脂基体表面，水解纤维与基体之间的Si-O-Si 化学键，导致在循环荷载作用下纤维-基体界面的局部脱粘。方毅[5]研究了湿热老化对CFRP 板材拉伸疲劳的影响，结果表明：当浸泡温度为20℃时，水浸泡对CFRP 板材的疲劳性能基本无影响；当浸泡温度为40℃和60℃时，试样的疲劳寿命随浸泡时间先降低后回升，这是因为水浸泡60 天时，板材内部因水分子的溶解、溶胀、塑化作用引起的缺陷相对增多，浸泡后的试样在循环应力作用下，微裂纹从内部的缺陷处开始快速累积，最终引起板材失效；而浸泡180 天后，湿热老热作用导致板材的缺陷剧烈增多，反而使得材料内部整体相对更为均匀，板材的拉伸疲劳寿命回升。

2 FRP 筋-混凝土界面的疲劳性能

FRP 筋与混凝土界面粘结性能是FRP 筋增强混凝土结构优异性能的基础，正是这种粘结作用使得FRP 筋与混凝土之间的应力和变形协调，从而使两种材料共同作用。在疲劳荷载下，微裂缝的扩展和FRP 筋与肋间混凝土的微破碎，导致界面粘结性能劣化。由于界面的疲劳累积损伤，FRP 筋混凝土的粘结性能在高周疲劳可分为三个阶段，第一阶段裂纹的产生和扩展使滑移快速增长，粘结刚度迅速下降；第二阶段，裂缝扩展进入相对稳定的状态，滑移量增长缓慢，粘结刚度的退化比较慢；第三阶段界面裂纹进入失稳扩展阶段，滑动量迅速增加，粘结刚度下降，试样失效[6]。

与静载类似，在疲劳荷载下，影响界面的主要因素有混凝土抗压强度、保护层厚度和FRP 筋间距、筋尺寸、锚固长度、肋的尺寸、钢材屈服强度、横向筋数量及位置、浇筑的位置、应力范围、加载速率、温度、筋表面处理情况[7]。目前国内外关于FRP 筋与混凝土界面静力特性的研究不少，而对于两者之间的界面疲劳的研究却很少。

Veljkovic 等人[8]通过偏心和中心拉拔试验，研究了循环荷载下，混凝土保护层、混凝土强度、循环荷载作用下的最大荷载对GFRP 筋与混凝土粘结的影响。结果表明：混凝土强度的提高，使粘结刚度提高，滑移量减少，从而使构件更好地承受疲劳荷载；保护层厚度越少，抵抗疲劳荷载的能力越弱，这是因为混凝土在循环荷载作用下的损伤累积，裂缝在保护层内部扩展，最终导致混凝土劈裂。混凝土强度越低，保护层厚度越小，界面的粘结疲劳寿命越容易受到混凝土劈裂的限制。

Alves 等人[9]研究了疲劳荷载、冻融循环和持续荷载作用下混凝土保护层和GFRP 筋直径对粘结性能的影响。结果表明：混凝土保护层的增加导致GFRP 筋在疲劳荷载作用下粘结强度的降低，这是因为增加混凝土保护层相当于增加了GFRP 筋的约束压力，并减少了FRP 筋周围混凝土的微裂缝，导致筋周围混凝土更硬，GFRP 筋的粘砂层磨损得更严重，从而降低粘结强度；直径较小的FRP 筋更容易受到疲劳荷载的影响，这是因为循环加载而导致粘砂层局部损坏，这个损坏区域所传递的载荷必须重新分配给剩余的未损坏的区域，而直径小的筋受到荷载重分配的效果更大；在冻融循环和持续荷载以及疲劳荷载下，粘结强度至少损失23%，而仅在冻融循环和持续荷载下，由于GFRP 筋吸收水分，截面面积增大，从而增强了摩擦机理，提高了粘结阻力，可知疲劳载荷的劣化影响在三者间占主导，抵消了冻融循环和持续荷载下的有利影响。

Adimi 等人[10]研究了加载频率和温度对CFRP 筋混凝土拉拔疲劳的影响，实验结果表明：在加载频率的0.5～8Hz 范围内，疲劳寿命的对数随加载频率的增加而近似成比例地减小；疲劳寿命随温度的升高而降低。加载频率产生的温度对界面疲劳寿命的影响与周围环境升温对界面疲劳寿命的影响大致相同。

Wang 等人[11]研究了FRP 筋与掺入纤维的混凝土的拉拔疲劳，结果表明：在应力范围内的疲劳载荷可以提高粘结刚度和粘结力，这是因为在浇筑试样时，筋和混凝土没有完全接触从而产生微孔，在试样受到疲劳载荷后，一些空隙被关闭，导致FRP 筋与混凝土的接触面积变大，另一个原因可能是钢筋表面在承受疲劳载荷后变得粗糙，摩擦阻力随之增加。受疲劳载荷作用后，粘结滑移行为变得更加脆性，甚至会改变失效模式，从拔出破坏到混凝土的劈裂。

Rezazadeh 等人[6]通过模拟相关的拉拔试验，建立了高周疲劳荷载下FRP 筋与混凝土粘结性能的损伤模型，采用两个不同的损伤参数模拟了高周疲劳非线性，再现了粘结刚度退化和残余滑移增长，结果表明该模型很好地模拟了高周疲劳荷载下FRP 筋与混凝土粘结性能，以及良好的预测性能。

蒋田勇等人[12]研究了随机疲劳荷载作用下的FRP筋混凝土疲劳黏结性，结果表明：虽然随机荷载对黏结试件的损伤程度比等幅荷载稍微大一点，但随机荷载作用下FRP 筋在RPC 中仍具有优良的抗疲劳黏结性能，其疲劳寿命大于200 万次，且疲劳后的极限承载能力变化在20%以内。

Noeel 等人[13]研究了GFRP 筋在空气中与混凝土中的疲劳性能。实验结果表明混凝土中的GFRP 筋的疲劳性能比裸露于空气中的GFRP 筋差，裸露于空气中的GFRP 筋疲劳寿命为100 万次所对应的应力幅值为0.32fu，而在混凝土中疲劳寿命为100 万次所对应的应力幅仅为0.19fu，这种显著的不利影响可能是由于钢筋与混凝土之间的粘结滑移引起的磨损。

3 FRP 筋增强混凝土构件的疲劳性能

FRP 筋混凝土构件在疲劳荷载作用下内部会产生疲劳损伤，影响FRP 筋与混凝土之间的粘结性能，使得构件整体力学性能降低。国内外对于FRP 筋混凝土构件的疲劳性能研究主要研究疲劳荷载对构件的挠度、裂缝、刚度、残余变形、疲劳寿命等方面的影响，并对此建立相关的模型。

Zhao 等人[14]研究了高温后GFRP 筋/CFRP 筋混凝土梁的疲劳性能，结果表明高温加速了疲劳荷载对FRP筋混凝土梁的应变、裂缝宽度和挠度的发展；温度越高，恒温时间越长，疲劳应力水平越高，由于FRP 筋疲劳寿命的降低和FRP 筋与混凝土界面粘结的退化，FRP 筋混凝土梁的疲劳寿命越短。

Li 等人[15]研究了BFRP 筋海砂混凝土梁的疲劳性能，考虑了荷载水平和试件尺寸的参数，结果表明：随着荷载水平和循环次数的增加，BFRP 筋混凝土梁刚度减小，界面刚度损伤增大；在疲劳荷载作用下，BFRP 和混凝土的挠度和应变趋势与BFRP 筋海砂混凝土梁的尺寸无关。

朱鹏等人[16]研究了混合配筋混凝土梁（FRP 筋与钢筋的混合）的抗弯疲劳性能，设计了4 根混合配筋混凝土梁，其中3 根梁承受等幅疲劳荷载，1 根梁承受静力荷载作为对比。结果表明：混合配筋混凝土梁抗弯疲劳破坏始于受拉钢筋的疲劳断裂（疲劳断口光滑，未出现屈服和颈缩现象），GFRP 筋断裂（未出现“扫帚”型破坏模式）或者基体开裂剥落，混凝土压碎；残余挠度随着疲劳次数和疲劳上限荷载的增加而增大。

张飞[17]通过1 块GFRP 筋混凝土板的静力试验和4块GFRP 筋混凝土板的疲劳荷载试验研究应力水平、应力比以及疲劳循环次数对试件受力性能的影响。结果表明：经历一定疲劳循环次数后，随着应力水平的增大和应力比的减小，试件的跨中挠度随着疲劳次数的增大而增大，刚度随着疲劳循环次数的增大而衰减。

4 结论与建议

综上所述，国内外学者针对FRP 材料的疲劳性能、FRP 与混凝土界面粘结疲劳性能、FRP 筋增强混凝土结构疲劳的试验已取得丰富的成果，这些试验成果对于工程应用具有一定的参考和指导价值。但目前关于FRP 疲劳的研究大多只考虑单一因素的影响，实际工程中往往是多因素的耦合作用，如海洋工程中构件不仅受到车辆反复荷载的作用，还受到海水的长期侵蚀作用。因此，为深入了解FRP 的疲劳性能，促进FRP 在工程中的推广和应用，应加强多因素作用下FRP 疲劳性能的试验研究。