CFRP加固鋼筋混凝土梁疲勞性能研究綜述

張佩雲，崔賢 （延邊大學工學院，吉林 延吉 133002）

0 前言

鋼筋混凝土結構作為目前最常見的結構形式，因嚴重的材料腐蝕[1]、用途改變、設計標準提高等問題不斷涌現，嚴重限制了建筑的使用年限，結構加固技術應運而生。但粘貼鋼板、增大截面及增設支點等傳統的加固方法雖然可以改善建筑的承載能力，但因施工和應用等方面的缺陷嚴重阻礙了這些技術的推廣應用。

始于20世紀80年代美國、日本等發達國家的利用碳纖維增強復合材料 (Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)為主要原料的碳纖維結構加固技術雖然在我國起步晚，但其因自身的優勢得到了快速發展，并且已經產生較大的經濟效益。在鋼筋混凝土結構破壞的所有作用中，疲勞破壞是其承載能力退化的主要原因之一，減小結構疲勞破壞造成人員傷亡和經濟損失變得十分重要。近年來CFRP材料加固后結構的疲勞性能也成為了學者們熱議的話題之一。本文就此對目前該技術的研究進行了一次較為系統的總結，提出了其在研究中尚存在的一些問題，為今后CFRP加固鋼筋混凝土結構的研究提供參考。

1 CFRP加固的優缺點

1.1 材料優勢

有機母體纖維采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料稱為碳纖維。它具有自重小、比強高、耐疲勞、抗蠕變、耐磨損、尺寸穩定、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等一系列優異性能。

1.2 施工優勢

CFRP加固技術施工便捷，工效高，不需要大型施工機具，施工占用場地少；具有較強的變形性能，可以在各種形狀的結構物上進行修補，適用面廣；粘接質量易保證，即使被加固的結構表面不是非常平整，也基本可以達到100%的有效粘貼率。

1.3 缺點分析

材料是決定此加固方法效果的關鍵，CFRP材料和專用結構膠的選取直接決定著加固質量。兩種不同材料工作的滯后效應影響著加固結構的工作效率。彈性模量與強度的比值過低，與鋼筋混凝土共同工作時CFRP的強度得不到重分發揮。另現場施工時還應注意防火問題。

2 加固方式的影響

CFRP材料的彈性模量與鋼材接近，僅靠粘接力加固在正常使用狀態下碳纖維未能充分利用、對試件的受力性能無顯著改善作用且主要以粘結界面失效而破壞。采用不同的加固方式可有效改善加固梁的受力性能。

易正翔、李昂等[2]通過不同孔徑及孔距CFRP板條混凝土梁的拉拔試件(6個外貼式，6個內嵌式)研究了開孔CFRP板條與混凝土粘接性能。結果表明：CFRP板條開孔可以顯著增加CFRP與混凝土粘結界面的延性；任何形式的開孔CFRP板條組合界面的粘接強度均明顯提高；在一定范圍內，隨著CFRP板條開孔直徑的增大，組合界面的粘接強度逐步增加；小距離開孔對粘接效果的提高僅在一定范圍內有效。

趙少偉、張曉彬等[3]對6根大比例的混凝土梁進行有粘接預應力CFRP板加固梁試驗，發現經預應力碳纖維板加固的損傷梁疲勞性能與完好梁相近；預先施加60%預拉力試件的鋼筋應變、裂紋間距及寬度較40%的試件均有所增大，疲勞性能顯著降低；預應力水平應與原試件剛度匹配。

彭暉等[4]對7根大尺寸試件的疲勞試驗研究表明，預應力CFRP板加固梁的疲勞壽命較非預應力加固有顯著提高；非預應力碳纖維板加固構件在鋼筋疲勞斷裂之前黏結層樹脂先產生疲勞破壞從而引起碳纖維板剝離，而預應力加固件在較高荷載幅下均未出現CFRP板條剝離的現象；加固梁的疲勞性能受粘結膠層、預應力水平及加固量等諸多因素的影響。

張勁松等[5]研究表明，未錨固梁的碳纖維剝離破壞模式不會隨著CFRP加固層數的增加而改變；對于碳纖維加固中，端部可采取X、U形箍等適當的錨固措施，以降低粘貼端的端部應力，提高底部加固件的利用率，延長加固梁的疲勞服役壽命；依靠碳纖維拉力承載的X型箍錨固的效果優于靠膠體粘貼性能承載的U型箍。

3 加固比的影響

王博試驗研究[6]表明：適當粘結長度和膠層厚度下的組合梁疲勞后靜力極限荷載有較大提高；試件的粘結界面應力幅值隨CFRP長度的增加而增長，增加幅度大致呈增大趨勢、粘結界面損傷發生更加均勻及發生更少的突變損傷；膠層厚度較小時界面應力幅值發生較大增長，膠層厚度較大時界面應力幅值基本不發生變化；膠層厚度的增加在一定程度上可以減小粘結界面疲勞損傷的累積。

不同寬度及厚度的CFRP板加固梁的疲勞特性是完全不同的，存在最適加固量，但目前國內對此方面的系統研究甚少。尋求最優的加固比例以達到性價比的最大化，這是我們未來的研究方向。

4 疲勞荷載形式

Inoue,Shoichi等[7]等幅疲勞試驗研究表明:加固梁的撓度和裂縫寬度較未加固梁有所減小；混凝土梁的靜載極限強度和疲勞極限強度得到提高；CFRP板加固法與粘貼鋼板法一樣能夠提高混凝土梁的疲勞性能。

趙瑩瑩、姜福香等[8]的5組雙剪試件的變幅疲勞試驗結果表明CFRP材料與混凝土的剝離長度隨應力水平的提高而增長，兩者近似呈線性關系；CFRP上的應力-應變從加載端逐漸向自由端傳遞，界面的端部滑移量呈增長趨勢；應力水平越高對剪應變沿黏結長度的分布規律及端部滑移情況的影響越明顯，剩余界面黏結承載力的下降幅度便越大。

陳翠峰[9]進行的隨機疲勞荷載作用下的CFRP加固混凝土結構的抗疲勞性能研究表明：隨機載荷下試驗梁的疲勞損傷破壞過程與等幅載荷作用下相同，疲勞損傷都可以分為三個階段；試件的能量吸收總量隨載荷水平的降低而增加，隨疲勞壽命的增加而增加；在增強梁中隨著載荷水平的降低，疲勞裂縫出現的區間增大，數量增加。

5 總結與展望

①預應力CFRP加固梁可極大地提高試驗梁的服役壽命，采用預應力錨具在兩端進行可靠錨固，還能避免碳纖維片材與鋼梁表明過早發生剝離破壞。可見預應力碳纖維加固在結構加固中具有較好的應用前景。

②加固后試件的疲勞性能隨加固量不同而變化，而對此方面我們的研究理論尚有欠缺，亟需完善。

③隨著建筑使用年限的增長，建筑腐蝕問題已不可避免。作為優異的補強材料，CFRP加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞性能引起了國內外的廣泛關注，但目前國內外相關研究成果甚少。