FRP 及其增強(qiáng)混凝土構(gòu)件疲勞性能研究現(xiàn)狀

陳應(yīng)賀

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

1 FRP 材料的疲勞性能

FRP 是纖維及樹脂基體構(gòu)成，纖維起增強(qiáng)作用，樹脂起成形、固定和保護(hù)纖維作用，纖維-樹脂界面起應(yīng)力傳遞作用。根據(jù)纖維不同，F(xiàn)RP 材料可分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass-FRP，GFRP）、碳纖維復(fù)合材料（Carbon-FRP，CFRP）、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Basalt-FRP，BFRP）。

在疲勞荷載作用下，樹脂基體產(chǎn)生橫向微裂紋，擴(kuò)展到纖維-基體界面，使纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)變?nèi)?。同時(shí)，由于沿FRP 筋截面的應(yīng)力滯后效應(yīng)，導(dǎo)致FRP筋外表面的拉應(yīng)力大于內(nèi)部的拉應(yīng)力，使FRP 筋更容易受到疲勞損傷，界面脫粘首先發(fā)生在筋的表層，隨著循環(huán)次數(shù)增加，疲勞損傷由外部到內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致FRP 筋整體失效[1]。

FRP 的疲勞性能與纖維的種類有關(guān)。Wu 等人[2]研究了FRP 板材在疲勞載荷作用下的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：在應(yīng)力比為0.1、荷載頻率為5Hz 下，CFRP、GFRP、BFRP、PBO、C/BFRP、C/GFRP 達(dá)到200 萬次所對應(yīng)的最大應(yīng)力水平分別為83.7%、61.3%、55.0%、76.7%、73.6%、58.0%，與BFRP 相比，C/BFRP 復(fù)材疲勞性能有所提升。此外，纖維的拉伸模量影響疲勞破壞模式，模量約為250GPa 的CFRP 沿試樣呈縱向裂紋，而模量約為90GPa的GFRP 和BFRP 復(fù)合材料表現(xiàn)出橫向裂紋。

FRP 的疲勞性能與應(yīng)力水平、應(yīng)力幅值有關(guān)。Zhao等人[3]從微觀尺度和宏觀尺度對BFRP 復(fù)合材料的疲勞行為進(jìn)行了研究。BFRP 的疲勞壽命取決于施加的最大應(yīng)力(疲勞應(yīng)力水平)，在不同應(yīng)力水平下，疲勞加載過程中發(fā)生了三種類型的損傷模式。當(dāng)應(yīng)力水平在85%以上時(shí)，試樣的斷裂是以纖維斷裂的方式發(fā)生的，疲勞壽命少于5 萬次；當(dāng)應(yīng)力水平在75%～85%時(shí)，試樣的破壞主要為界面脫粘和基體裂紋，疲勞壽命在5 萬到100 萬之間；當(dāng)應(yīng)力水平低于75%時(shí)，破壞模式為不連續(xù)的纖維/基體界面脫粘和纖維矯直，纖維發(fā)揮其高強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度得到提高。Wang 等人[1]研究表明即使在相對較低的應(yīng)力水平下，循環(huán)加載的應(yīng)力幅值對BFRP筋的疲勞壽命也有很大的影響。應(yīng)力幅值為0.05fu，且最大疲勞上限0.60fu，可達(dá)到200 萬次循環(huán)。此外，BFRP 筋的彈性模量不受循環(huán)荷載的影響，表明對FRP筋的剛度影響較小。

此外，也有人通過設(shè)計(jì)多因素組合環(huán)境來研究FRP材料的疲勞性能。Shi 等人[4]通過加速實(shí)驗(yàn)研究了BFRP筋在鹽溶液中老化后的疲勞性能，結(jié)果表明鹽溶液中的氫氧根離子滲透進(jìn)樹脂基體表面，水解纖維與基體之間的Si-O-Si 化學(xué)鍵，導(dǎo)致在循環(huán)荷載作用下纖維-基體界面的局部脫粘。方毅[5]研究了濕熱老化對CFRP 板材拉伸疲勞的影響，結(jié)果表明：當(dāng)浸泡溫度為20℃時(shí)，水浸泡對CFRP 板材的疲勞性能基本無影響；當(dāng)浸泡溫度為40℃和60℃時(shí)，試樣的疲勞壽命隨浸泡時(shí)間先降低后回升，這是因?yàn)樗?0 天時(shí)，板材內(nèi)部因水分子的溶解、溶脹、塑化作用引起的缺陷相對增多，浸泡后的試樣在循環(huán)應(yīng)力作用下，微裂紋從內(nèi)部的缺陷處開始快速累積，最終引起板材失效；而浸泡180 天后，濕熱老熱作用導(dǎo)致板材的缺陷劇烈增多，反而使得材料內(nèi)部整體相對更為均勻，板材的拉伸疲勞壽命回升。

2 FRP 筋-混凝土界面的疲勞性能

FRP 筋與混凝土界面粘結(jié)性能是FRP 筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)異性能的基礎(chǔ)，正是這種粘結(jié)作用使得FRP 筋與混凝土之間的應(yīng)力和變形協(xié)調(diào)，從而使兩種材料共同作用。在疲勞荷載下，微裂縫的擴(kuò)展和FRP 筋與肋間混凝土的微破碎，導(dǎo)致界面粘結(jié)性能劣化。由于界面的疲勞累積損傷，F(xiàn)RP 筋混凝土的粘結(jié)性能在高周疲勞可分為三個(gè)階段，第一階段裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展使滑移快速增長，粘結(jié)剛度迅速下降；第二階段，裂縫擴(kuò)展進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)，滑移量增長緩慢，粘結(jié)剛度的退化比較慢；第三階段界面裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，滑動(dòng)量迅速增加，粘結(jié)剛度下降，試樣失效[6]。

與靜載類似，在疲勞荷載下，影響界面的主要因素有混凝土抗壓強(qiáng)度、保護(hù)層厚度和FRP 筋間距、筋尺寸、錨固長度、肋的尺寸、鋼材屈服強(qiáng)度、橫向筋數(shù)量及位置、澆筑的位置、應(yīng)力范圍、加載速率、溫度、筋表面處理情況[7]。目前國內(nèi)外關(guān)于FRP 筋與混凝土界面靜力特性的研究不少，而對于兩者之間的界面疲勞的研究卻很少。

Veljkovic 等人[8]通過偏心和中心拉拔試驗(yàn)，研究了循環(huán)荷載下，混凝土保護(hù)層、混凝土強(qiáng)度、循環(huán)荷載作用下的最大荷載對GFRP 筋與混凝土粘結(jié)的影響。結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度的提高，使粘結(jié)剛度提高，滑移量減少，從而使構(gòu)件更好地承受疲勞荷載；保護(hù)層厚度越少，抵抗疲勞荷載的能力越弱，這是因?yàn)榛炷猎谘h(huán)荷載作用下的損傷累積，裂縫在保護(hù)層內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土劈裂?；炷翉?qiáng)度越低，保護(hù)層厚度越小，界面的粘結(jié)疲勞壽命越容易受到混凝土劈裂的限制。

Alves 等人[9]研究了疲勞荷載、凍融循環(huán)和持續(xù)荷載作用下混凝土保護(hù)層和GFRP 筋直徑對粘結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：混凝土保護(hù)層的增加導(dǎo)致GFRP 筋在疲勞荷載作用下粘結(jié)強(qiáng)度的降低，這是因?yàn)樵黾踊炷帘Ｗo(hù)層相當(dāng)于增加了GFRP 筋的約束壓力，并減少了FRP 筋周圍混凝土的微裂縫，導(dǎo)致筋周圍混凝土更硬，GFRP 筋的粘砂層磨損得更嚴(yán)重，從而降低粘結(jié)強(qiáng)度；直徑較小的FRP 筋更容易受到疲勞荷載的影響，這是因?yàn)檠h(huán)加載而導(dǎo)致粘砂層局部損壞，這個(gè)損壞區(qū)域所傳遞的載荷必須重新分配給剩余的未損壞的區(qū)域，而直徑小的筋受到荷載重分配的效果更大；在凍融循環(huán)和持續(xù)荷載以及疲勞荷載下，粘結(jié)強(qiáng)度至少損失23%，而僅在凍融循環(huán)和持續(xù)荷載下，由于GFRP 筋吸收水分，截面面積增大，從而增強(qiáng)了摩擦機(jī)理，提高了粘結(jié)阻力，可知疲勞載荷的劣化影響在三者間占主導(dǎo)，抵消了凍融循環(huán)和持續(xù)荷載下的有利影響。

Adimi 等人[10]研究了加載頻率和溫度對CFRP 筋混凝土拉拔疲勞的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在加載頻率的0.5～8Hz 范圍內(nèi)，疲勞壽命的對數(shù)隨加載頻率的增加而近似成比例地減??；疲勞壽命隨溫度的升高而降低。加載頻率產(chǎn)生的溫度對界面疲勞壽命的影響與周圍環(huán)境升溫對界面疲勞壽命的影響大致相同。

Wang 等人[11]研究了FRP 筋與摻入纖維的混凝土的拉拔疲勞，結(jié)果表明：在應(yīng)力范圍內(nèi)的疲勞載荷可以提高粘結(jié)剛度和粘結(jié)力，這是因?yàn)樵跐仓嚇訒r(shí)，筋和混凝土沒有完全接觸從而產(chǎn)生微孔，在試樣受到疲勞載荷后，一些空隙被關(guān)閉，導(dǎo)致FRP 筋與混凝土的接觸面積變大，另一個(gè)原因可能是鋼筋表面在承受疲勞載荷后變得粗糙，摩擦阻力隨之增加。受疲勞載荷作用后，粘結(jié)滑移行為變得更加脆性，甚至?xí)淖兪Ｊ?，從拔出破壞到混凝土的劈裂?/p>

Rezazadeh 等人[6]通過模擬相關(guān)的拉拔試驗(yàn)，建立了高周疲勞荷載下FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的損傷模型，采用兩個(gè)不同的損傷參數(shù)模擬了高周疲勞非線性，再現(xiàn)了粘結(jié)剛度退化和殘余滑移增長，結(jié)果表明該模型很好地模擬了高周疲勞荷載下FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能，以及良好的預(yù)測性能。

蔣田勇等人[12]研究了隨機(jī)疲勞荷載作用下的FRP筋混凝土疲勞黏結(jié)性，結(jié)果表明：雖然隨機(jī)荷載對黏結(jié)試件的損傷程度比等幅荷載稍微大一點(diǎn)，但隨機(jī)荷載作用下FRP 筋在RPC 中仍具有優(yōu)良的抗疲勞黏結(jié)性能，其疲勞壽命大于200 萬次，且疲勞后的極限承載能力變化在20%以內(nèi)。

Noeel 等人[13]研究了GFRP 筋在空氣中與混凝土中的疲勞性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混凝土中的GFRP 筋的疲勞性能比裸露于空氣中的GFRP 筋差，裸露于空氣中的GFRP 筋疲勞壽命為100 萬次所對應(yīng)的應(yīng)力幅值為0.32fu，而在混凝土中疲勞壽命為100 萬次所對應(yīng)的應(yīng)力幅僅為0.19fu，這種顯著的不利影響可能是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移引起的磨損。

3 FRP 筋增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的疲勞性能

FRP 筋混凝土構(gòu)件在疲勞荷載作用下內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，影響FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，使得構(gòu)件整體力學(xué)性能降低。國內(nèi)外對于FRP 筋混凝土構(gòu)件的疲勞性能研究主要研究疲勞荷載對構(gòu)件的撓度、裂縫、剛度、殘余變形、疲勞壽命等方面的影響，并對此建立相關(guān)的模型。

Zhao 等人[14]研究了高溫后GFRP 筋/CFRP 筋混凝土梁的疲勞性能，結(jié)果表明高溫加速了疲勞荷載對FRP筋混凝土梁的應(yīng)變、裂縫寬度和撓度的發(fā)展；溫度越高，恒溫時(shí)間越長，疲勞應(yīng)力水平越高，由于FRP 筋疲勞壽命的降低和FRP 筋與混凝土界面粘結(jié)的退化，F(xiàn)RP 筋混凝土梁的疲勞壽命越短。

Li 等人[15]研究了BFRP 筋海砂混凝土梁的疲勞性能，考慮了荷載水平和試件尺寸的參數(shù)，結(jié)果表明：隨著荷載水平和循環(huán)次數(shù)的增加，BFRP 筋混凝土梁剛度減小，界面剛度損傷增大；在疲勞荷載作用下，BFRP 和混凝土的撓度和應(yīng)變趨勢與BFRP 筋海砂混凝土梁的尺寸無關(guān)。

朱鵬等人[16]研究了混合配筋混凝土梁（FRP 筋與鋼筋的混合）的抗彎疲勞性能，設(shè)計(jì)了4 根混合配筋混凝土梁，其中3 根梁承受等幅疲勞荷載，1 根梁承受靜力荷載作為對比。結(jié)果表明：混合配筋混凝土梁抗彎疲勞破壞始于受拉鋼筋的疲勞斷裂（疲勞斷口光滑，未出現(xiàn)屈服和頸縮現(xiàn)象），GFRP 筋斷裂（未出現(xiàn)“掃帚”型破壞模式）或者基體開裂剝落，混凝土壓碎；殘余撓度隨著疲勞次數(shù)和疲勞上限荷載的增加而增大。

張飛[17]通過1 塊GFRP 筋混凝土板的靜力試驗(yàn)和4塊GFRP 筋混凝土板的疲勞荷載試驗(yàn)研究應(yīng)力水平、應(yīng)力比以及疲勞循環(huán)次數(shù)對試件受力性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)歷一定疲勞循環(huán)次數(shù)后，隨著應(yīng)力水平的增大和應(yīng)力比的減小，試件的跨中撓度隨著疲勞次數(shù)的增大而增大，剛度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增大而衰減。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對FRP 材料的疲勞性能、FRP 與混凝土界面粘結(jié)疲勞性能、FRP 筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)疲勞的試驗(yàn)已取得豐富的成果，這些試驗(yàn)成果對于工程應(yīng)用具有一定的參考和指導(dǎo)價(jià)值。但目前關(guān)于FRP 疲勞的研究大多只考慮單一因素的影響，實(shí)際工程中往往是多因素的耦合作用，如海洋工程中構(gòu)件不僅受到車輛反復(fù)荷載的作用，還受到海水的長期侵蝕作用。因此，為深入了解FRP 的疲勞性能，促進(jìn)FRP 在工程中的推廣和應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)多因素作用下FRP 疲勞性能的試驗(yàn)研究。