FRP加固混凝土結構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)

FRP加固混凝土結構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、高強度、耐腐蝕等優點，運用于土木工程加固領域。總結了FRP預應力與非預應力加固鋼筋混凝土結構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結論和分析，指出了疲勞性能研究的關鍵在界面，因此需要做更精細的研究。

FRP；界面；混凝土結構；疲勞性能

0 引言

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

1 FRP加固混凝土構件整體疲勞性能研究

1.1非預應力FRP加固混凝土結構疲勞性能

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。試驗梁經過1.2×107次疲勞循環后有一根鋼筋發生斷裂，1.2×108次時試驗梁徹底破壞，實驗結果表明：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。

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，結果表明CFRP能在很大程度上提高構件的疲勞性能，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時底部出現裂縫，而加固梁表面出現裂縫是在增加循環荷載次數達到2×106次時發生的。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根根據加固層數不同分為2組，2層粘貼試件疲勞次數分別為1.8×106次和1.756×106次、3層粘貼試件疲勞次數分別為3.0×106次和3.215×106次。實驗結果表明：嚴重開裂的梁在服務期可以用CFRP加固，是一種恢復和加強疲勞的有效方法；隨著CFRP層數的增加試驗梁的疲勞性能得到更好的改善，但是加固層數的增加相應成本也增加。

研究還發現在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生斷裂隨后FRP在荷載作用下發生剝離。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件疲勞性能的作用。當加固梁的鋼筋發生疲勞斷裂，FRP的應力迅速增加，致使FRP的從梁底部剝離，構件最終破壞。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加固混凝土結構疲勞性能

由于FRP與混凝土界面粘結缺陷，在非預應力加固時，界面剝離破壞使得構件提前破壞，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，改善構件受力性能，延緩FRP在剝離方面表現出的良好性能[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混凝土應變的變化規律。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數字量輸出點數的統計：1)設備運行指示燈、故障指示燈。2)收帶和放帶變頻器啟停控制、排線伺服控制器啟?？刂啤?)收帶和放帶剎車電磁閥控制。需要7個數字量輸出點。

1.3環境與疲勞荷載耦合作用下FRP加固混凝土結構的疲勞性能

結構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境因素對結構的疲勞性能也有影響。實驗數據和理論分析顯示，外界環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構的加固效果。

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在腐蝕結構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靜力作用下的極限承載力也有下降趨勢；并結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，與實驗結果基本吻合。

譚琳[14]結合廣東本地的橋梁實際溫濕度，在自行研制的環境試驗系統內對溫濕環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，認為在溫濕環境下膠層的力學性能發生了改變，降低了它的剪切強度；在溫濕環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境狀況，這種環境影響界面特性，界面層剪切強度因此發生變化，環氧樹脂粘結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的純單剪和純雙剪構件，另一種是FRP粘結于鋼筋混凝土結構底部的梁式構件。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件模型

2.2界面粘結疲勞退化規律

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：通過對界面粘結應力-滑移曲線分析表明，隨著疲勞次數的不斷增加，曲線的割線率在逐漸減小。如圖3，這意味著界面粘結剛度在不斷退化，直到構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在試驗中發現了3種界面破壞模式及粘貼區外FRP斷裂、混凝土剪切破壞、粘貼區外FRP斷裂與混凝土剪切破壞同時發生。

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，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剪力進行分析，結果表明：隨著疲勞次數的增加，局部的粘結剪力在不同的荷載幅值下呈現出指數線性下降的趨勢，當疲勞次數達到一定數值，粘結剪力降為零。參照有關鋼筋混凝土界面粘結疲勞性能的研究，給出了FRP-混凝土界面粘結強度隨循環次數退化的計算公式，揭示了界面粘結強度的退化規律。

2.3循環荷載下界面損傷累積、裂紋擴展規律

Bizindavyi[15]等人在實驗研究中發現隨著疲勞次數的增加，在不同疲勞次數下的荷載上限時沿粘結長度方向應變峰值有從加載端向自由端發展的趨勢，在接近破壞次數時這種趨勢更為明顯，這也說明在循環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現，在循環加載初期，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；而在循環加載的第二階段，滯回面積又重新經歷了由小變大的變化過程，FRP-混凝土界面微裂紋逐步萌生到后來的穩定擴展。在循環加載的第三階段，滯回面積突然增加，表明此時界面裂紋進入了失穩擴展階段。這意味著界面裂紋的擴展經歷了：萌生、穩定和失穩等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，發現界面裂縫的擴展主要經歷裂縫萌生、裂縫穩定擴展、裂縫失穩擴展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粘結構造對界面粘結疲勞性能的影響

馬濤[16]設計了一組純單剪試件，如圖2所示。文章分析了不同參數(包括CFRP長度、厚度、混凝土強度、加載頻率和荷載幅值等)對界面粘結疲勞性能的影響。實驗結果表明：影響界面疲勞性能的因素是荷載上限占界面靜態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FRP粘結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應變數據的提取與分析表明：隨著FRP粘結長度的增加，界面損傷更加均勻，突變損傷發生更少；隨著粘結長度和膠層厚度的增加，循環加載過程的最大滑移量顯著減小，粘結長度和膠層厚度的增加在一定程度上減小了粘結界面的疲勞損傷累積。

3 結論

對FRP加固結構疲勞性能的研究，大多數還處于實驗研究階段。對于FRP加固混凝土結構疲勞粘結機理的認識尚需深入。文獻資料表明：1)FRP加固混凝土結構能夠明顯提高構件的疲勞壽命，抑制變形及裂縫的發展；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件的疲勞特性；3)濕熱環境對疲勞性能的影響表現在界面的劣化；4)疲勞壽命降低應從界面的疲勞粘結機理入手，對影響界面疲勞粘結性能的關鍵因素做出定性與定量分析，建立描述界面粘結退化、界面疲勞損傷數學模型，為纖維復合增強材料運用于加固混凝土結構中提供理論依據；5)進一步的研究要將鋼筋混凝土結構和界面疲勞性能統一起來，為加固設計提供更可靠的理論支撐。

[1] 葉列平,馮鵬.FRP在工程結構中的應用與發展[J].土木工程學報,2006,39(3):24-36.

[2]Meier U,Deuring M.Strengthening of structures with CFRP laminates:research and applications in Switzerland[M].Toronto:Canadian.Society for Civil Engineering,1992.

[3]Inoue S,Nishibayashi S,Yoshino A,etal.Strength and deformation characteristics of reinforced concrete beam strengthened with carbon fiber-reinforced plastics plateunder static and fatigue loading[J].Journal of the Societyof Materials Science,1994,43(491):1004-1009.

[4]潘芬芬,徐德新,劉小明.碳纖維復合材料疲勞試驗研究[C].第二屆全國土木工程用纖維增強復合材料(FRP)應用技術學術交流會.昆明:中國土木工程學會FRP及工程應用專業委員會,2002:1333-1337.

[5]Shahawy M,Beitelman TE.Static and Fatigue performance of RC Beam Strengthened with CFRP Laminates[J].Journal of Structural Engineering,1999,125(6):613-621.

[6]Wu Z Y,clement J-L,Taukuhan J-L,etal.PHakhr.l Static and fatigue test on precracked RC beams strengthened with CFRPsheets[C].FRPRCS-6 Singapore,2003:913-922.

[7]尚守平,彭暉, 童樺,等.預應力碳纖維布材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究[J].建筑結構學報,2003,24(5):24-30.

[8]飛渭,江世永,彭飛飛,等.預應力碳纖維布加固混凝土受彎構件試驗研究[J].四川建筑科學研究,2003,29(2):56-60.

[9]Raafat E H,Rgordon W.Prestressed carbon fiber reinforced polymer sheets for strengthening concrete beams

at room and low temperatures[J].Journal of Composites for Construction,2004,8(1):3-13.

[10]張珂,葉列平,岳清瑞,等.預應力碳纖維布加固混凝土梁彎曲疲勞性能試驗研究[J].工業建筑,2005,35(8):13-19.

[11]張建偉,杜修力,鄧宗才,等.預應力芳綸纖維布加固混凝土梁的疲勞試驗[J].北京工業大學學報,2009,35(1):70-76.

[12]鄧宗才,張連普,張鵬飛,等. AFRP布加固已腐蝕混凝土梁疲勞性能試驗研究[J].建筑結構,2009(3):99-102.

[13]周芝林.溫度對CFL加固RC梁抗彎承載力和疲勞性能的影響[D].廣州:華南理工大學,2008.

[14]譚琳.FRP加固RC梁濕熱環境疲勞實驗研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

[15]Bizindavyi L,Neale K W,Erki M A.Experimental investigation of bonded fiber reinforced polymer-concrete joints under cyclic loading[J].J Compos for Constr,2003,7(2):127-134.

[16]馬濤.循環荷載作用下CFRP-混凝土粘結性能試驗研究[J].建筑結構,2013,43(19):15-19.

[17]Yun Y C,Wu Y F,Tang W C.Performance of FRP bonding systems under fatigue loading[J].Engineering Structures,2008,30(11):3129-3140.

[18]Gheorghiu C,Labossiere P,Proulx J.Response of CFRP-strengthened beams under fatigue with ifferent load amplitudes[J].Construction and Building Materials,2007,21:756-763.

[19]韓強.CFRP-混凝土界面粘結滑移機理研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[20]鄧江東,黃培彥,郭馨艷.受彎CFL加固RC梁界面疲勞裂縫擴展行為研究[J].工程力學,2008,25(11):37-41.

[21]王博.粘結長度及膠層厚度影響下的CFRP-混凝土結構界面粘結疲勞性能研究[D].長沙:長沙理工大學,2013.

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加固鋼筋混凝土結構。

國家自然科學基金資助項目(11242006)。

1001-3679(2014)03-0318-05

TU378

A