Fe-SMA材料補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能綜述

吳水根余倩倩

（1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092；2.同濟大學建筑工程系，上海 200092）

0 引言

對于大部分金屬結(jié)構(gòu)基礎設施，疲勞破壞是引起結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因之一，所占比例高達50%～90%［1］。年久失修、環(huán)境銹蝕和使用荷載增加等多種荷載和環(huán)境因素都會引起結(jié)構(gòu)性能退化，產(chǎn)生損傷累積。疲勞裂紋將在應力集中處萌生，引起截面開裂，裂紋擴展導致構(gòu)件斷裂，甚至造成結(jié)構(gòu)垮塌等災難性事故。對這些損傷鋼結(jié)構(gòu)進行修復補強，保證結(jié)構(gòu)安全，已成為國內(nèi)外工程領(lǐng)域亟待解決的重大問題。

傳統(tǒng)方法修復鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷，如機械補強、止裂孔，可能引入新的疲勞源［2］。碳纖維增強復合材料（CFRP）輕質(zhì)高強、耐腐蝕和疲勞性能好、施工方便［3-4］。通過外貼或機械錨固采用CFRP補強含損傷鋼結(jié)構(gòu)，能夠有效提升結(jié)構(gòu)疲勞性能，同時不需要在損傷部位鉆孔或焊接，避免產(chǎn)生新的應力集中［5-20］。采用CFRP預應力補強，可以充分利用材料性能，進一步提升補強效率［21-22］。然而，預應力補強體系一般需要特定的施工工藝和操作空間，如張拉設備等，對人力、物力有較高要求。

形狀記憶合金材料（Sape Memory Alloys，SMA）是一類具有形狀記憶功能和超彈性效應的材料，最早應用于航空航天、汽車、機器人、生物醫(yī)學等精密尖端領(lǐng)域［23］。近年來，其在土木工程中的研究和應用也有了較快發(fā)展，包括結(jié)構(gòu)減隔震、健康監(jiān)測、預應力加固等領(lǐng)域［24-43］。廣義上，SMA代表了一系列具有形狀記憶或超彈性效應的合金，包括鎳鈦合金（NiTinol）、銅基形狀記憶合金（Cu-SMA）、鐵基形狀記憶合金（Fe-SMA）等。相比而言，NiTinol發(fā)展較為成熟，但其在土木工程的廣泛應用受制于其高昂的成本。隨著價格相對低廉的Fe-SMA材料加工技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)能力逐漸發(fā)展［44］，初步研究表明，F(xiàn)e-SMA材料預拉后通過加熱激發(fā)即可產(chǎn)生預應力，無須使用液壓控制系統(tǒng)等復雜裝置，可用于無損可恢復補強，在提高鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能領(lǐng)域具有顯著的發(fā)展?jié)摿蛻每臻g［45-50］。

圍繞Fe-SMA材料在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能補強方面的研究，分四個方面闡述，包括Fe-SMA材料恢復應力、Fe-SMA補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能、環(huán)境溫度和疲勞荷載對鋼結(jié)構(gòu)補強體系的影響、與NiTinol-FRP復合材料補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能對比。

2 Fe-SMA材料恢復應力

SMA具有兩種主要金相，分別是低溫穩(wěn)定的馬氏體相（martensite）和高溫穩(wěn)定的奧氏體相（austenite）。其形狀記憶效應是指材料能夠記住它在高溫奧氏體狀態(tài)下的形狀，即處于低溫的SMA在外力作用下產(chǎn)生變形后，如果加熱超過材料的相變點（奧氏體結(jié)束溫度Af），就會恢復到原來高溫奧氏體狀態(tài)下的形狀（圖1）。利用這種特性，即可方便地施加預應力，用于結(jié)構(gòu)修復補強。

圖1 SMA材料特性［51］Fig.1 Material properties of SMA［51］

2.1 單次激發(fā)后恢復應力

在Fe-SMA材料形狀恢復過程中，如果受到約束作用，即可產(chǎn)生相應的預應力，或稱為Fe-SMA恢復應力。Fe-SMA恢復應力水平直接決定了在補強體系中施加的預應力大小，是目前研究的一大熱點。已有研究成果表明，F(xiàn)e-SMA材料恢復應力的影響因素眾多，包括材料組分、鍛造方式、約束條件、預拉伸水平、激發(fā)溫度等，表1列舉了部分文獻中不同激發(fā)條件下的Fe-SMA恢復應力。

表1 部分不同激發(fā)條件下Fe-SMA恢復應力比較Table 1 Recovery stress of Fe-SMA under different activation conditions

2.2 環(huán)境溫度和疲勞荷載作用下恢復應力

除了單次激發(fā)后的恢復應力性能，考慮到Fe-SMA作為補強材料，可能和結(jié)構(gòu)一起承受環(huán)境介質(zhì)和服役荷載的作用。Koster等［61］通過試驗研究證明，F(xiàn)e-SMA材料在提供300 MPa恢復應力的同時，疲勞性能良好。Lee等［57］對激發(fā)后的Fe-SMA試件分別施加5次循環(huán)荷載（應變幅0.07%）和5次溫度循環(huán)（?20～60°C）。試驗結(jié)果表明，恢復應力在第一次荷載作用后下降85～110 MPa，而后應力-應變曲線保持線性變化，彈性模量和材料初始彈性模量一致。溫度循環(huán)作用下應力-熱應變關(guān)系與循環(huán)荷載作用下類似。進一步對激發(fā)后試件施加更大荷載（應變幅0.10%，恢復應力損失198 MPa），重新加熱后，恢復應力提升至原有水平。在此基礎上，Ghafoori等［60］和Hosseini等［62］對激發(fā)后的Fe-SMA材料施加200萬次疲勞荷載。結(jié)果表明，恢復應力損失水平隨著應變幅增加而增大，損失速率隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。在0.035%和0.07%應變幅循環(huán)作用下，恢復應力分別損失10%和20%，需要在補強設計中加以考慮。其主要由時變非線性變形引起，和奧氏體-馬氏體相變相關(guān)。重復加熱后，恢復應力損失大部分可以恢復。同時，基于試驗和文獻數(shù)據(jù)提出了Fe-SMA材料疲勞強度模型。

3 Fe-SMA加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能

Fe-SMA材料的研究與應用相比NiTinol材料起步較晚。由于Fe-SMA價格顯著低于NiTinol，可直接選用Fe-SMA片材施加預應力補強含損傷結(jié)構(gòu)。已有研究將經(jīng)預拉的Fe-SMA通過機械錨固方法固定于鋼構(gòu)件表面，采用電流加熱（圖2）。Izadi等［47］采用機械錨固裝置在鋼板試件兩面固定Fe-SMA片材（預拉伸2%），之后采用直流電源加熱Fe-SMA至260°C，產(chǎn)生恢復應力353～391 MPa，在鋼板中產(chǎn)生最大預壓應力74 MPa。在此基礎上，Izadi等［48］采用該裝置對三塊鋼板試件進行補強，測試其疲勞性能。試驗結(jié)果表明，雖然Fe-SMA恢復應力在疲勞荷載作用下有所損失，該補強體系仍能夠有效改善含損傷鋼構(gòu)件疲勞性能，在特定設計工況下甚至使初始裂紋停止擴展。此外，F(xiàn)e-SMA被用于補強焊接接頭［49］和鋼梁構(gòu)件［50］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于Fe-SMA的形狀記憶效應，能夠有效引入預應力，改善構(gòu)件的靜力和疲勞性能。

圖2 Fe-SMA補強鋼板過程示意圖［47］Fig.2 Schematic diagram of Fe-SMA strengthened steel plates［47］

4 環(huán)境溫度和疲勞荷載對鋼結(jié)構(gòu)補強體系的影響

補強體系在服役過程中，會受到環(huán)境介質(zhì)和服役荷載的共同作用。對于FRP補強鋼結(jié)構(gòu)體系，已有針對海洋環(huán)境、高/低溫、射線、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等因素對FRP補強鋼結(jié)構(gòu)體系影響的研究［72-75］。環(huán)境溫度升高，尤其是超過Tg后，結(jié)構(gòu)粘膠性能大幅下降。CFRP-鋼有效粘結(jié)長度隨著環(huán)境溫度升高而增加［72］。Feng等［76］對CFRP粘貼補強含中心損傷鋼板試件在?40℃、20℃和60℃下的疲勞性能展開研究。結(jié)果表明，CFRP補強能夠有效延長鋼板疲勞壽命達2.0～3.4倍，但補強體系性能顯著受制于Tg，并提出了考慮環(huán)境溫度作用的CFRP補強鋼板疲勞性能理論預測方法。Ke等［77］展開類似研究，指出提高結(jié)構(gòu)粘膠養(yǎng)護溫度可以提高補強體系在高溫下耐受性。

目前針對服役環(huán)境下Fe-SMA補強鋼結(jié)構(gòu)體系的性能尚無系統(tǒng)研究。Sato等［78］在測試一種組分為Fe-28Mn-6Si-5Cr的SMA時，發(fā)現(xiàn)Ms處于?20～25℃，低溫工作時，材料發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，恢復應力降低。Ghafoori等［79］比較了不同厚度Fe-SMA片材在荷載和高溫下的力學性能，指出荷載增加，蠕變起始溫度和失效溫度均降低，而升溫速率對其影響不大。有關(guān)疲勞荷載對Fe-SMA恢復應力的影響已經(jīng)在“2 Fe-SMA材料恢復應力”中指出。

5 與NiTinol-FRP復合材料補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能對比

基于SMA形狀記憶效應，已有研究采用NiTinol材料和纖維增強復合材料（FRP）制作NiTinol-FRP復合材料，對含損傷鋼結(jié)構(gòu)進行修復補強。Dawood等［63］采用拉拔試驗對NiTinol與FRP界面性能展開研究，試驗發(fā)現(xiàn)兩種不同的破壞模式，分別為無相變粘結(jié)失效與相變后粘結(jié)失效，并標定了不同破壞模式及不同NiTinol絲材直徑對應的有效粘結(jié)長度。進一步地，El-Tahan等［64］、El-Tahan和Dawood［65］制作了NiTinol和FRP復合片材，將NiTinol絲材兩端布置于FRP材料中，中部暴露，預拉后加熱，測試其恢復應力隨疲勞荷載的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，NiTinol在約束條件下加熱至165℃可產(chǎn)生390 MPa恢復應力，不同激發(fā)程度的試件在不同水平疲勞荷載作用下，產(chǎn)生不同程度的恢復應力損失甚至發(fā)生斷裂破壞，主要受制于NiTinol與FRP的粘結(jié)失效應力水平。談笑［66］預制了NiTinol-CFRP復合材料，通過電流加熱測試其恢復應力。由于CFRP為導電材料，引起電流短路，恢復應力降低為同預應力水平下單絲恢復應力的40%～50%。

在此基礎上，研究者們采用不同形式的NiTinol-FRP復合材料補強含損傷鋼板構(gòu)件（圖3）。Zheng和Dawood［67-68］、Zheng等［69］，采 用 圖3（a）所示NiTinol-CFRP復合材料補強含邊緣裂紋鋼板試件，疲勞試驗顯示，如荷載水平低于NiTinol-CFRP粘結(jié)失效應力水平，200萬次循環(huán)荷載后預應力維持在初始水平的80%，復合材料補強能夠有效發(fā)揮兩者的作用，鋼板試件疲勞壽命延長至26倍。類似的，Abdy等［70］比較了不同數(shù)量NiTinol絲材-CFRP復合材料的補強效率。單面粘貼含中心損傷鋼板試件后，最高產(chǎn)生25 MPa預壓應力，疲勞壽命延長5倍。Li等［71］對NiTinol試件進行預拉后加熱測試，恢復應力從70℃時364 MPa降低到室溫時93 MPa。NiTinol-CFRP復合材料粘貼后鋼板產(chǎn)生壓應變103με，含中心損傷試件疲勞壽命延長2.7～6.0倍。

圖3 不同形式NiTinol-FRP復合材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of NiTinol-FRP hybrid materials

6 結(jié)論

已有針對Fe-SMA材料恢復應力展開研究，F(xiàn)e-SMA材料可以提供較高水平恢復應力，同時具有較好的疲勞性能，在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能修復補強領(lǐng)域有顯著的發(fā)展?jié)摿蛻每臻g?；谛螤钣洃浶?，F(xiàn)e-SMA可以用于便捷地施加預應力，無需傳統(tǒng)預應力施加方式的液壓設備等裝置。Fe-SMA補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能已有一定的研究成果，在以下方面可以做進一步探討：

（1）對于Fe-SMA恢復應力研究，多集中于不同組分、不同激發(fā)條件等因素對材料恢復應力的影響，對于復雜服役條件作用下Fe-SMA恢復應力的演化規(guī)律探討較少。

（2）已認識到可以采用Fe-SMA便捷地施加預應力，對含損傷鋼構(gòu)件進行疲勞補強。認識到環(huán)境溫度和疲勞荷載可能對Fe-SMA恢復應力產(chǎn)生影響，但尚無Fe-SMA補強鋼結(jié)構(gòu)體系性能演化的系統(tǒng)研究，有待展開進一步工作。

（3）已有CFRP補強含損傷鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的分析與模擬成果可以為Fe-SMA補強含損傷鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能提供參考，但由于補強材料性能差異，相關(guān)研究成果并不能直接應用。

因此，有必要開展完整、系統(tǒng)的試驗研究，同時結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析，對復雜服役條件下Fe-SMA補強含損傷鋼結(jié)構(gòu)性能演化機理做深入探討，揭示相應的疲勞裂紋擴展規(guī)律，為準確評定Fe-SMA材料補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能、進行疲勞補強設計提供理論依據(jù)。