CFRP筋錨具抗疲勞性能研究綜述

黃文愷，錢惟學(xué)，鄭 怡，楊皓潤

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

眾所周知，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、低松弛、耐疲勞等突出的性能，這給CFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索提供了可能。CFRP筋由多股連續(xù)纖維絲經(jīng)樹脂膠合形成，材料為各向異性，縱向抗拉能力很強(qiáng)，橫向抗壓與抗剪能力較弱，不能采用傳統(tǒng)的錨固方式，否則容易造成錨固端的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致筋材橫向剪切破壞，錨具體系的破壞一般不是筋材被拉斷，而是CFRP筋材在錨具端口處被剪斷從而使錨固提前失效，合適的錨具是CFRP筋廣泛運(yùn)用的前提[1，2]。

目前，對CFRP材料的疲勞性能的研究，主要集中在對鋼筋混凝土梁及鋼板的強(qiáng)化加固方面。蔣定[3]等在預(yù)應(yīng)力CFRP布加固梁的疲勞試驗(yàn)研究中表明預(yù)應(yīng)力CFRP布加固梁的鋼筋應(yīng)變顯著減少，隨著疲勞次數(shù)的增加其增長最為緩慢，一定程度上提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎變形能力，展現(xiàn)了出CFRP布良好的抗疲勞性能。張新越[4]等對CFRP筋進(jìn)行不同循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CFRP筋在高應(yīng)力條件下，CFRP筋的疲勞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Q235光圓鋼筋。以上研究體現(xiàn)出CFRP材料在抗疲勞性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。本綜述對CFRP筋抗疲勞性能進(jìn)行歸納與總結(jié)。

1 CFRP筋錨具抗疲勞性能

已有的國內(nèi)外學(xué)者通過對不同類型的錨具進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的探索，試驗(yàn)表明大多數(shù)錨具的抗疲勞性能能夠滿足規(guī)范要求，并且在錨具錨固性能抗疲勞機(jī)理方面也進(jìn)行了分析。

1.1 CFRP筋錨具疲勞試驗(yàn)

一些學(xué)者對CFRP筋錨具進(jìn)行了一系列的研究。諸葛萍等[5]設(shè)計(jì)的通用型CFRP筋夾片型錨固體系經(jīng)200萬次應(yīng)力幅為極限拉應(yīng)力7%的循環(huán)荷載作用后，并沒有出現(xiàn)明顯的受損跡象，抗疲勞性能較大，在疲勞過程中，錨具組件的相對位移滑移量大約為CFRP筋靜載極限拉力作用下的相對位移的16%，表明組裝件的相對位移對錨固體系應(yīng)用于實(shí)際工程時結(jié)構(gòu)受力基本上沒有影響。侯蘇偉等[6]研發(fā)的粘結(jié)型錨具在進(jìn)行應(yīng)力水平為629MPa-704.48MPa的200萬次疲勞加載試驗(yàn)，表明在前50萬次循環(huán)加載過程中，各組件相對位移基本完成且滑移量很小，體系之間相互協(xié)調(diào)性很穩(wěn)定，錨固區(qū)的纖維粘結(jié)界面失效程度小，錨環(huán)外表面環(huán)向應(yīng)變基本上沒有變化，服役狀態(tài)良好，相比靜力極限承載力，錨固體系在疲勞試驗(yàn)后的殘余極限承載力不會明顯降低，表明該疲勞性能優(yōu)異，在產(chǎn)期服役工程中具有比較高的安全儲備。詹界東等[7]研究夾片-粘結(jié)型錨具在經(jīng)受周期荷載及循環(huán)疲勞荷載后，錨具夾持區(qū)域CFRP筋并沒有發(fā)生夾傷破壞，錨具各部件均能協(xié)調(diào)工作，CFRP筋材都沒有出現(xiàn)表皮開裂及斷絲現(xiàn)象，滿足復(fù)合錨具動載性能的要求，具有很高工程應(yīng)用價值。

CFRP筋本身具有極其優(yōu)異的抗疲勞性能，故對CFRP筋錨具的抗疲勞性能研究，重點(diǎn)還是在錨固部分。上述研究表明粘結(jié)型錨具和夾片型錨具在疲勞試驗(yàn)中，抗疲勞性能優(yōu)異，顯示出了很大工程應(yīng)用的潛力。

1.2 CFRP筋錨具抗疲勞機(jī)理分析

金屬材料的表面裂紋起始是由孔或者其他一些不連續(xù)的缺口效應(yīng)導(dǎo)致不均勻應(yīng)力分布，由于應(yīng)力分布不均勻在其表面會出現(xiàn)峰值應(yīng)力（應(yīng)力集中）[8]。金屬的疲勞破壞是由內(nèi)部向外部突然發(fā)展，在疲勞發(fā)展過程中會先產(chǎn)生一條主裂縫，即疲勞源，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增長，裂紋擴(kuò)展到某一臨界值的時候會發(fā)生突然的失穩(wěn)破壞，其疲勞損傷機(jī)理是伴隨著循環(huán)滑移產(chǎn)生，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y起始和裂紋擴(kuò)展，機(jī)理的細(xì)節(jié)取決材料的類型。由于復(fù)合材料的各向異性特性，CFRP材料及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損傷機(jī)理比金屬復(fù)雜得多。CFRP復(fù)合材料的內(nèi)部損傷會導(dǎo)致其強(qiáng)度、剛度和壽命在一定范圍內(nèi)的下降，也會引起其本身彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等隨之發(fā)生改變[9]。復(fù)合材料損傷的發(fā)展不規(guī)則并且存在多種損傷的模式，但與金屬材料的損傷發(fā)展相比，CFRP復(fù)合材料的損傷發(fā)展速率及剛度隨加載的下降相對均勻。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP筋疲勞破壞一般從纖維薄弱環(huán)節(jié)開始產(chǎn)生，隨后逐步擴(kuò)展到界面上且破壞前有明顯征兆(如表皮開裂或者CFRP筋縱向微裂紋等)。其疲勞損傷機(jī)理包括：纖維破壞、基體損傷、界面損傷三個部分；纖維破壞常常是由于總體或局部纖維過載導(dǎo)致，總體過載導(dǎo)致材料失效，局部過載導(dǎo)致局部纖維斷裂，然后通過基體傳遞到相鄰纖維;基體損傷是由于基體內(nèi)部缺陷及超過基體材料疲勞極限導(dǎo)致的，在復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測中占有很重要的地位；復(fù)合材料界面損傷的影響因素較多，采用不同的方法得出不同的結(jié)論，既有的理論成果并不能準(zhǔn)確闡明界面損傷的普遍規(guī)律，對于界面損傷問題還需要進(jìn)一步研究和論證[10]。同時實(shí)際工程中任何一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞損傷過程都是以上多種損傷形式的組合，這給研究帶來了很大的難題。

2 CFRP筋錨具抗疲勞性能的研究

影響疲勞性能的因素很多，歸納起來主要有內(nèi)因、外因以及外部條件變化三個方面。內(nèi)因主要有內(nèi)部缺陷、化學(xué)成分，缺陷越少則抗疲勞性能越好。外因包括表面的粗糙程度、試件的大小、溫度、殘余應(yīng)力及粘結(jié)介質(zhì)等，表面越粗糙、試件越大、溫度越高、環(huán)境腐蝕越嚴(yán)重、表面殘余壓應(yīng)力越小或者拉應(yīng)力越大，則疲勞性能越差[11]。復(fù)合材料的疲勞損傷進(jìn)程主要是由于：微觀損傷，橫向基體開裂，脫層和纖維失效。CFRP筋錨具的抗疲勞性能受到加載條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、服役環(huán)境及制作工藝的影響。

2.1 加載條件對CFRP筋抗疲勞性能的影響

AdimiMR等[12]介紹了碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）在不同溫度與加載頻率下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，將CFRP筋置于混凝土試件中，在軸向拉伸載荷下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：開始階段筋材表面溫度升高，大部分試件疲勞壽命穩(wěn)定，最后階段溫度急劇上升，當(dāng)環(huán)境溫度從室溫升高到40℃時，觀察到試件疲勞壽命顯著下降，當(dāng)加載頻率在0.5Hz和8Hz之間變化時，發(fā)現(xiàn)試件疲勞壽命的對數(shù)與加載頻率的增加大致成比例地減小。間歇疲勞條件比連續(xù)疲勞條件下材料的剛度值要大很多，主要原因是卸載后分子鏈的恢復(fù)，和卸載后到重新加載那一段時間內(nèi)材料內(nèi)部耗散能的釋放[13]。方志[14]在循環(huán)荷載對CFRP筋剛度影響的試驗(yàn)中得出，在初始加載過程中，CFRP筋的抗拉剛度值呈現(xiàn)出上升趨勢，再隨后的加載過程中CFRP筋的抗拉剛度呈現(xiàn)下降的趨勢，并且剛度減小大體上服從線性規(guī)律。

2.2 粘結(jié)介質(zhì)對CFRP筋錨具抗疲勞性能的影響

粘結(jié)型錨具主要依靠粘結(jié)介質(zhì)與CFRP筋的化學(xué)膠著力、摩擦力和接觸面之間的機(jī)械咬合力進(jìn)行錨固。粘其通過界面上的粘結(jié)應(yīng)力來傳遞剪力，可有效的防止應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，因而比較適用于錨固拉索橋的應(yīng)用。錨具的粘結(jié)介質(zhì)一般分為高性能混凝土和環(huán)氧樹脂。高性能混凝土主要應(yīng)用于地錨中，環(huán)氧樹脂一般應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力拉鎖承重橋中。由于高性能混凝土剛度較大，凝固后組成質(zhì)地堅(jiān)硬，在長期反復(fù)荷載的摩擦作用下對CFRP筋的磨損比較大，從而嚴(yán)重削弱其疲勞性能[15]。在鋼套筒的禁錮作用下由于高性能混凝土微膨脹，這有利于增大高性能混凝土與CFRP筋之間的摩擦力，進(jìn)而提高了錨具更好的握裹CFRP筋的能力導(dǎo)致高性能混凝土粘結(jié)介質(zhì)在靜載試驗(yàn)過程中表現(xiàn)較為突出，但在疲勞試驗(yàn)中要優(yōu)先選擇環(huán)氧樹脂。

增加約束CFRP筋的粘結(jié)介質(zhì)厚度，其所容許的變形大，一定程度可以提高粘結(jié)介質(zhì)的劈裂抗力，但在相同的荷載作用下，界面的剪切應(yīng)變隨著隨著膠體的厚度的增加呈現(xiàn)減小趨勢[16]。

3 展望

錨具系統(tǒng)仍存在很多需要解決的問題：

（1）在理論研究方面，錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)理和內(nèi)部荷載傳遞機(jī)制還不明確，缺乏系統(tǒng)深入的研究，同時錨固系統(tǒng)的疲勞性能、長期錨固性能等方面的研究還很不充分，中國適用于CFRP筋錨固系統(tǒng)的靜載、動載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程、規(guī)范還不健全。

（2）疲勞荷載試驗(yàn)一般采用的是豎向的循環(huán)加載，橫向荷載在試驗(yàn)中被忽略，但在實(shí)際工程中有風(fēng)荷載的存在，疲勞試驗(yàn)受荷與實(shí)際受荷有很大的差異?？梢栽谠囼?yàn)中添加橫向荷載來模擬風(fēng)荷載，是后續(xù)CFRP筋疲勞試驗(yàn)研究的一種思路。