疲勞荷載作用下CFRP-鋼粘結(jié)性能綜述

呂兆華徐海斌余倩倩，*

（1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

0 引言

目前存在大量服役超過30年甚至50年的鋼結(jié)構(gòu)建筑和橋梁，經(jīng)歷了疲勞荷載、腐蝕環(huán)境、超載等作用，存在銹蝕、裂紋等結(jié)構(gòu)損傷。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics，F(xiàn)RP）輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性能/疲勞性能良好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，被廣泛運(yùn)用在混凝土構(gòu)件加固中。近年來，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reiforced Polymer，CFRP）補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)逐漸受到關(guān)注［1-4］。在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能提升領(lǐng)域，CFRP能夠有效承擔(dān)遠(yuǎn)端荷載，提供裂紋閉合效應(yīng)。針對(duì)粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)體系，CFRP與鋼的界面性能是保證加固效果的關(guān)鍵。已有針對(duì)CFRP-鋼界面粘結(jié)性能的研究主要集中在靜力荷載作用下的工況［5-7］，對(duì)疲勞荷載作用下的性能研究尚未完善。

1 疲勞試驗(yàn)研究

1.1 CFRP-鋼界面粘結(jié)性能試驗(yàn)裝置

一般CFRP-鋼界面粘結(jié)性能試驗(yàn)主要采用單面 搭 接 節(jié) 點(diǎn)［8-10］、雙 面 搭 接 節(jié) 點(diǎn)［11-15］和 梁 式 節(jié)點(diǎn)［16］。單面搭接節(jié)點(diǎn)制作簡(jiǎn)單，利于界面失效過程的觀測(cè)，對(duì)試驗(yàn)裝置的要求較高。雙面搭接節(jié)點(diǎn)的加載裝置比較簡(jiǎn)單，較難準(zhǔn)確控制兩個(gè)界面失效過程。梁式節(jié)點(diǎn)加載方便，界面受力條件與外貼抗彎加固更為接近，但試件制作較為復(fù)雜。典型單面、雙面搭接節(jié)點(diǎn)和梁式試件分別見圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）。

圖1 CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)形式Fig.1 Typical CFRP-steel bond joints

1.2 疲勞加載制度

已有研究一般采用力控制或位移控制，對(duì)CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)施加疲勞荷載。

1.2.1 恒幅疲勞荷載（力控制）

恒幅疲勞荷載加載制度如圖2（a）所示。力控制加載中，一般選用荷載比來表征荷載水平，具體指疲勞荷載峰值與靜力極限承載力比值。已有大多數(shù)試驗(yàn)研究的荷載比取為0.25～0.85。對(duì)于預(yù)循環(huán)次數(shù)不同的試驗(yàn)，其荷載比往往有較大的區(qū)別。研究低周疲勞荷載下的粘結(jié)性能，其荷載比往往取為0.70～0.85，循環(huán)次數(shù)為幾十至幾千不等［8，11，14］；研究中高周疲勞荷載下的粘結(jié)性能，荷載比大多數(shù)取為0.40～0.70，循環(huán)次數(shù)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)［8，11，14-15］；研究高周疲勞荷載下的粘結(jié)性能，其荷載比取為0.20～0.40，循環(huán)次數(shù)一般為百萬(wàn)次級(jí)別［8，11，14］。

1.2.2 變幅疲勞荷載（力控制）

變幅疲勞荷載是以一定次數(shù)循環(huán)作為一個(gè)加載周期，在這個(gè)加載周期當(dāng)中，疲勞荷載譜相同，而后荷載比逐漸增加，直至試件加載到破壞［9，12-13］，變幅疲勞加載制度如圖2（b）所示。

圖2 疲勞荷載示意圖（力控制）Fig.2 Fatigue loading diagram（load control）

1.2.3 變幅疲勞荷載（位移控制）

文獻(xiàn)［17］中試驗(yàn)按照設(shè)定位移來進(jìn)行疲勞加載，每一次疲勞循環(huán)達(dá)到相應(yīng)的位移，然后卸載；緊接進(jìn)入下一循環(huán)的加載，直到試件發(fā)生破壞。

1.3 疲勞荷載對(duì)粘結(jié)性能的影響

1.3.1 破壞模式

拉伸荷載作用下CFRP-鋼粘結(jié)體系一般有6種破壞模式［1］，包括結(jié)構(gòu)粘膠與鋼界面失效、結(jié)構(gòu)粘膠層內(nèi)破壞、結(jié)構(gòu)粘膠與CFRP界面失效、CFRP層離破壞、CFRP斷裂和鋼基體屈服，如圖3所示。

圖3 失效模式示意圖［1］Fig.3 Schematic diagram of typical failure modes［1］

Liu等［11］對(duì)高彈性模量和普通彈性模量的CFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行恒幅疲勞試驗(yàn)，荷載比為0.18～0.52，應(yīng)力比為0.10。經(jīng)10萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載后，殘余靜力性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)試件破壞模式與靜力失效模式相同，但CFRP斷裂截面增加。超高彈性模量CFRP板（460 GPa）-鋼雙面搭接節(jié)點(diǎn)在靜力加載和疲勞加載下都發(fā)生CFRP層離 破 壞［12］。王 海 濤 等［10］使 用Sikadur-30和Alaldite-2015結(jié)構(gòu)粘膠制作CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，靜力和恒幅疲勞加載后試件均發(fā)生結(jié)構(gòu)粘膠層內(nèi)破壞，疲勞荷載下破壞界面比靜力加載破壞表面更為光滑。Pang等［9］使用相同種類的結(jié)構(gòu)粘膠制作試件，進(jìn)行靜力和變幅疲勞加載，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)粘膠Sikadur-30制作的CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)試件發(fā)生CFRP層離破壞，而Araldite-2015制作的CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)試件發(fā)生混合破壞（CFRP層離破壞和結(jié)構(gòu)粘膠層內(nèi)破壞同時(shí)存在）。

1.3.2 粘結(jié)強(qiáng)度

Liu等［11］對(duì)普通彈性模量的CFRP片 材（240 GPa）-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)施加恒幅疲勞荷載，預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的荷載循環(huán)，當(dāng)荷載比大于0.30時(shí)，試件發(fā)生疲勞破壞。當(dāng)荷載比在0.20～0.30時(shí)，對(duì)疲勞加載未失效的試件進(jìn)行靜力加載，殘余粘結(jié)強(qiáng)度平均降低約20%。對(duì)于高彈性模量CFRP片材（640 GPa）-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，疲勞荷載對(duì)殘余粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大。Wu等［14］對(duì)于超高彈性模量CFRP板-鋼粘結(jié)試件進(jìn)行恒幅疲勞荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)荷載比在0.55以下時(shí)，預(yù)設(shè)疲勞荷載對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有影響。王海濤等［10］制作了20個(gè)CFRP-鋼單面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，采用恒幅疲勞荷載，荷載比為0.30～0.80，應(yīng)力比為0.20，試驗(yàn)表明當(dāng)疲勞荷載的荷載比為0.30時(shí)，即使粘結(jié)長(zhǎng)度大于有效粘結(jié)長(zhǎng)度，經(jīng)過200萬(wàn)次疲勞循環(huán)加載后，殘余粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)降低。

同時(shí)，CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)會(huì)受到惡劣環(huán)境與疲勞荷載共同影響。Wang等［18］對(duì)CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行恒幅疲勞加載（荷載比為0.70）和干濕循環(huán)共同作用，試驗(yàn)結(jié)果表明疲勞荷載會(huì)顯著降低CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)性能。Yu等［19］將CFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)暴露于鹽霧和高濕環(huán)境中，后進(jìn)行疲勞加載，繼而測(cè)試殘余靜力性能，結(jié)果顯示CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度降低1%～11%。

1.4 疲勞荷載下荷載-位移曲線

1.4.1 恒幅疲勞荷載下荷載-位移曲線

預(yù)設(shè)次數(shù)疲勞荷載加載后，CFRP-鋼粘結(jié)試件靜力加載的荷載-位移曲線的斜率有所降低，主要是由于結(jié)構(gòu)粘膠在疲勞循環(huán)荷載中產(chǎn)生塑性變形，CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)剛度降低［11-12，14］。王海濤等［10］得出經(jīng)過疲勞荷載加載后，試件會(huì)產(chǎn)生殘余相對(duì)滑移，節(jié)點(diǎn)剛度降低，同樣是由于疲勞荷載帶來的累積損傷。對(duì)疲勞荷載加載過程中的荷載-位移曲線同樣觀察到，加載路徑斜率不斷降低，且卸載路徑和加載路徑不一致，表明疲勞荷載導(dǎo)致?lián)p傷累積。

1.4.2 變幅疲勞荷載下荷載-位移曲線

Yang等［12］采用兩種不同類型的CFRP板制作CFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，采用圖2（b）所示的變幅疲勞荷載進(jìn)行加載，在荷載-位移曲線的對(duì)比當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，前幾個(gè)加載周期的荷載-位移曲線基本重合，表現(xiàn)出CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)剛度保持不變，但隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加，CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)剛度逐漸降低，主要由于加載端逐漸產(chǎn)生累積損傷。Pang等［9］采用變幅疲勞荷載加載，結(jié)果表明在疲勞荷載加載下得到的荷載-位移曲線的包絡(luò)線受到靜力加載下荷載-位移曲線的約束。當(dāng)CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)承受較低疲勞荷載時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生殘余位移，但是隨著荷載增大，塑性損傷增加，出現(xiàn)塑性位移。Doroudi等［17］利用位移控制加載進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，荷載-位移曲線的剛度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表明CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)損傷增加。并且當(dāng)荷載卸載到0時(shí)，觀察節(jié)點(diǎn)有殘余位移，表明粘結(jié)界面內(nèi)存在損傷。

1.5 疲勞荷載下粘結(jié)-滑移曲線

靜力加載和變幅疲勞荷載加載下的粘結(jié)-滑移曲線比較表明，疲勞荷載試驗(yàn)下粘結(jié)-滑移曲線的包絡(luò)線與靜力加載條件下的粘結(jié)-滑移曲線基本保持一致［9，12-13］。疲勞荷載作用下的粘結(jié)-滑移曲線在加載早期加卸載路徑保持一致，說明節(jié)點(diǎn)的剛度保持不變。隨著荷載逐漸增大，粘結(jié)-滑移曲線的斜率降低，說明粘結(jié)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)累積損傷，造成節(jié)點(diǎn)的剛度降低［9，12-13］。當(dāng)某一點(diǎn)的粘結(jié)-滑移曲線剪應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為臨界荷載。當(dāng)超過臨界荷載時(shí)，其加卸載的路徑不一樣，這些差異在加載后期會(huì)越來越大，主要是隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加和荷載增大，界面剛度和耗散能的累積造成退化［9，12-13，17］。

總結(jié)來說，疲勞荷載加載下的粘結(jié)-滑移曲線和荷載位移曲線是以靜力加載下的曲線為包絡(luò)線，處在靜力荷載下粘結(jié)-滑移曲線的內(nèi)部。在疲勞荷載作用下，粘結(jié)-滑移曲線和荷載-滑移曲線的斜率不斷降低，這是由于受到疲勞荷載的作用，粘結(jié)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)累積損傷，造成節(jié)點(diǎn)剛度降低。

2 疲勞荷載下界面性能理論分析

2.1 粘結(jié)-滑移模型

研究表明，靜力荷載作用下線性結(jié)構(gòu)粘膠試件的粘結(jié)-滑移模型曲線為雙折線，非線性結(jié)構(gòu)粘膠試件的粘結(jié)-滑移模型曲線為三折線。針對(duì)疲勞荷載下的粘結(jié)-滑移模型。Zhou等［20］提出擬靜力循環(huán)荷載作用下CFRP-鋼界面性能模型如式（1）所示：

式中：i為第i次加載/卸載；δ為滑移；f（δ）為剪應(yīng)力；δe，i為塑性滑移；δ1，i為剪應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的滑移；δf，i為脫粘時(shí)的滑移；Ke，i為彈性損傷剛度。

雙折線和三折線模型不考慮非彈性變形，即任何非彈性變形都被忽略。這一假設(shè)說明這種粘結(jié)滑移模型的適用性僅限于靜力加載。因此，疲勞荷載下的粘結(jié)-滑移模型相較于靜力下的粘結(jié)-滑移模型考慮了非彈性變形，這也說明該模型考慮了疲勞加載造成的損傷，為后續(xù)的損傷參數(shù)分析提供了方便。最終的試驗(yàn)結(jié)果顯示，該粘結(jié)-滑移模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出良好的一致性。

2.2 CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點(diǎn)損傷分析

CFRP粘結(jié)節(jié)點(diǎn)受到疲勞荷載作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)累積損傷，影響粘結(jié)節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)性能。Pang等［9］通過試驗(yàn)證明CFRP加載端附近的損傷區(qū)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸降低。用損傷參數(shù)D來表示節(jié)點(diǎn)損傷的大小，損傷參數(shù)D具體表達(dá)式如式（2）所示。

式中：Kd，i為第i次循環(huán)的剛度；Ke為初始剛度。

并由粘結(jié)-滑移推導(dǎo)wd/Gf和荷載-滑移推導(dǎo)Ed/Et確定的標(biāo)準(zhǔn)化耗散能量具有相同的趨勢(shì)，其中定義出wd和Gf的表達(dá)式如式（3）和式（4）所示，Ed為累積能量耗散。

式中，τi為第i次循環(huán)的剪應(yīng)力。

由于兩者確定的歸一化耗散能量具有相同的趨勢(shì)，也就證明了局部和整體耗散的歸一化能量基本相同［12］。也有學(xué)者利用CFRP-鋼單面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)試件，確定了歸一化界面損傷D與歸一化界面能量耗散（wd/Gf）和歸一化相對(duì)滑移（Si/Sf）之間的函數(shù)關(guān)系，并證明出與結(jié)構(gòu)粘膠的厚度無關(guān)［4］。

Liu等［21］設(shè)計(jì)了一系列GFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，在不同溫度下承受變幅疲勞荷載，分為兩階段測(cè)試和四階段測(cè)試，在常幅疲勞荷載下疲勞壽命預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上開發(fā)了一種改進(jìn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，其中使用了CM系數(shù)，這個(gè)系數(shù)是考慮荷載變化引起粘結(jié)強(qiáng)度退化的指標(biāo)。該方法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)粘結(jié)節(jié)點(diǎn)試件的疲勞壽命。

3 結(jié)論

CFRP-鋼界面在疲勞荷載作用下的性能演化是CFRP補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能體系的重要特征指標(biāo)。本文調(diào)研了有關(guān)疲勞荷載作用下CFRP-鋼在疲勞荷載作用下的粘結(jié)性能研究進(jìn)展。已有研究結(jié)果表明，疲勞荷載會(huì)對(duì)粘結(jié)節(jié)點(diǎn)會(huì)造成累積損傷，降低節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度與剛度。但目前的試驗(yàn)與理論分析大多針對(duì)具體的工況展開。未來可進(jìn)一步針對(duì)具有普適意義的疲勞荷載作用下CFRP-鋼界面粘結(jié)-滑移模型和疲勞壽命預(yù)測(cè)方法展開研究，為科學(xué)補(bǔ)強(qiáng)提供依據(jù)。