CFRP筋錨具抗疲勞性能研究綜述

黃文愷，錢惟學，鄭 怡，楊皓潤

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

眾所周知，碳纖維增強復合材料（CFRP）的輕質、高強、耐腐蝕、低松弛、耐疲勞等突出的性能，這給CFRP筋代替傳統鋼索提供了可能。CFRP筋由多股連續纖維絲經樹脂膠合形成，材料為各向異性，縱向抗拉能力很強，橫向抗壓與抗剪能力較弱，不能采用傳統的錨固方式，否則容易造成錨固端的應力集中，最終導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化加固方面。蔣定[3]等在預應力CFRP布加固梁的疲勞試驗研究中表明預應力CFRP布加固梁的鋼筋應變顯著減少，隨著疲勞次數的增加其增長最為緩慢，一定程度上提高了混凝土結構的抗彎變形能力，展現了出CFRP布良好的抗疲勞性能。張新越[4]等對CFRP筋進行不同循環應力作用下的疲勞試驗，發現CFRP筋在高應力條件下，CFRP筋的疲勞性能遠遠高于Q235光圓鋼筋。以上研究體現出CFRP材料在抗疲勞性能方面表現優異。本綜述對CFRP筋抗疲勞性能進行歸納與總結。

1 CFRP筋錨具抗疲勞性能

已有的國內外學者通過對不同類型的錨具進行疲勞試驗的探索，試驗表明大多數錨具的抗疲勞性能能夠滿足規范要求，并且在錨具錨固性能抗疲勞機理方面也進行了分析。

1.1 CFRP筋錨具疲勞試驗

一些學者對CFRP筋錨具進行了一系列的研究。諸葛萍等[5]設計的通用型CFRP筋夾片型錨固體系經200萬次應力幅為極限拉應力7%的循環荷載作用后，并沒有出現明顯的受損跡象，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用于實際工程時結構受力基本上沒有影響。侯蘇偉等[6]研發的粘結型錨具在進行應力水平為629MPa-704.48MPa的200萬次疲勞加載試驗，表明在前50萬次循環加載過程中，各組件相對位移基本完成且滑移量很小，體系之間相互協調性很穩定，錨固區的纖維粘結界面失效程度小，錨環外表面環向應變基本上沒有變化，服役狀態良好，相比靜力極限承載力，錨固體系在疲勞試驗后的殘余極限承載力不會明顯降低，表明該疲勞性能優異，在產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-粘結型錨具在經受周期荷載及循環疲勞荷載后，錨具夾持區域CFRP筋并沒有發生夾傷破壞，錨具各部件均能協調工作，CFRP筋材都沒有出現表皮開裂及斷絲現象，滿足復合錨具動載性能的要求，具有很高工程應用價值。

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

1.2 CFRP筋錨具抗疲勞機理分析

金屬材料的表面裂紋起始是由孔或者其他一些不連續的缺口效應導致不均勻應力分布，由于應力分布不均勻在其表面會出現峰值應力（應力集中）[8]。金屬的疲勞破壞是由內部向外部突然發展，在疲勞發展過程中會先產生一條主裂縫，即疲勞源，隨著疲勞循環次數的增長，裂紋擴展到某一臨界值的時候會發生突然的失穩破壞，其疲勞損傷機理是伴隨著循環滑移產生，進而轉變為裂紋起始和裂紋擴展，機理的細節取決材料的類型。由于復合材料的各向異性特性，CFRP材料及其結構構件的疲勞損傷機理比金屬復雜得多。CFRP復合材料的內部損傷會導致其強度、剛度和壽命在一定范圍內的下降，也會引起其本身彈性模量、熱膨脹系數、熱導率等隨之發生改變[9]。復合材料損傷的發展不規則并且存在多種損傷的模式，但與金屬材料的損傷發展相比，CFRP復合材料的損傷發展速率及剛度隨加載的下降相對均勻。碳纖維增強復合材料CFRP筋疲勞破壞一般從纖維薄弱環節開始產生，隨后逐步擴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致，總體過載導致材料失效，局部過載導致局部纖維斷裂，然后通過基體傳遞到相鄰纖維;基體損傷是由于基體內部缺陷及超過基體材料疲勞極限導致的，在復合材料疲勞壽命預測中占有很重要的地位；復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論，既有的理論成果并不能準確闡明界面損傷的普遍規律，對于界面損傷問題還需要進一步研究和論證[10]。同時實際工程中任何一種纖維增強復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，歸納起來主要有內因、外因以及外部條件變化三個方面。內因主要有內部缺陷、化學成分，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、殘余應力及粘結介質等，表面越粗糙、試件越大、溫度越高、環境腐蝕越嚴重、表面殘余壓應力越小或者拉應力越大，則疲勞性能越差[11]。復合材料的疲勞損傷進程主要是由于：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、設計參數、服役環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]介紹了碳纖維增強塑料（CFRP）在不同溫度與加載頻率下進行疲勞試驗，將CFRP筋置于混凝土試件中，在軸向拉伸載荷下進行疲勞試驗，試驗結果表明：開始階段筋材表面溫度升高，大部分試件疲勞壽命穩定，最后階段溫度急劇上升，當環境溫度從室溫升高到40℃時，觀察到試件疲勞壽命顯著下降，當加載頻率在0.5Hz和8Hz之間變化時，發現試件疲勞壽命的對數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，和卸載后到重新加載那一段時間內材料內部耗散能的釋放[13]。方志[14]在循環荷載對CFRP筋剛度影響的試驗中得出，在初始加載過程中，CFRP筋的抗拉剛度值呈現出上升趨勢，再隨后的加載過程中CFRP筋的抗拉剛度呈現下降的趨勢，并且剛度減小大體上服從線性規律。

2.2 粘結介質對CFRP筋錨具抗疲勞性能的影響

粘結型錨具主要依靠粘結介質與CFRP筋的化學膠著力、摩擦力和接觸面之間的機械咬合力進行錨固。粘其通過界面上的粘結應力來傳遞剪力，可有效的防止應力集中現象的發生，因而比較適用于錨固拉索橋的應用。錨具的粘結介質一般分為高性能混凝土和環氧樹脂。高性能混凝土主要應用于地錨中，環氧樹脂一般應用于預應力拉鎖承重橋中。由于高性能混凝土剛度較大，凝固后組成質地堅硬，在長期反復荷載的摩擦作用下對CFRP筋的磨損比較大，從而嚴重削弱其疲勞性能[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，進而提高了錨具更好的握裹CFRP筋的能力導致高性能混凝土粘結介質在靜載試驗過程中表現較為突出，但在疲勞試驗中要優先選擇環氧樹脂。

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

3 展望

錨具系統仍存在很多需要解決的問題：

（1）在理論研究方面，錨固系統的錨固機理和內部荷載傳遞機制還不明確，缺乏系統深入的研究，同時錨固系統的疲勞性能、長期錨固性能等方面的研究還很不充分，中國適用于CFRP筋錨固系統的靜載、動載試驗技術規程、規范還不健全。

（2）疲勞荷載試驗一般采用的是豎向的循環加載，橫向荷載在試驗中被忽略，但在實際工程中有風荷載的存在，疲勞試驗受荷與實際受荷有很大的差異。可以在試驗中添加橫向荷載來模擬風荷載，是后續CFRP筋疲勞試驗研究的一種思路。