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

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。纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics，F(xiàn)RP）輕質(zhì)高強、耐久性能/疲勞性能良好、可設計性強，被廣泛運用在混凝土構(gòu)件加固中。近年來，采用碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reiforced Polymer，CFRP）補強鋼結(jié)構(gòu)逐漸受到關(guān)注［1-4］。在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能提升領域，CFRP能夠有效承擔遠端荷載，提供裂紋閉合效應。針對粘結(jié)補強體系，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］，對疲勞荷載作用下的性能研究尚未完善。

1 疲勞試驗研究

1.1 CFRP-鋼界面粘結(jié)性能試驗裝置

一般CFRP-鋼界面粘結(jié)性能試驗主要采用單面 搭 接 節(jié) 點［8-10］、雙 面 搭 接 節(jié) 點［11-15］和 梁 式 節(jié)點［16］。單面搭接節(jié)點制作簡單，利于界面失效過程的觀測，對試驗裝置的要求較高。雙面搭接節(jié)點的加載裝置比較簡單，較難準確控制兩個界面失效過程。梁式節(jié)點加載方便，界面受力條件與外貼抗彎加固更為接近，但試件制作較為復雜。典型單面、雙面搭接節(jié)點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CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點施加疲勞荷載。

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)試驗研究的荷載比取為0.25～0.85。對于預循環(huán)次數(shù)不同的試驗，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)幾萬至幾十萬［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)一般為百萬次級別［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)作為一個加載周期，在這個加載周期當中，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［17］中試驗按照設定位移來進行疲勞加載，每一次疲勞循環(huán)達到相應的位移，然后卸載；緊接進入下一循環(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)點進行恒幅疲勞試驗，荷載比為0.18～0.52，應力比為0.10。經(jīng)10萬次疲勞循環(huán)加載后，殘余靜力性能測試發(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，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)點試件發(fā)生CFRP層離破壞，而Araldite-2015制作的CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點試件發(fā)生混合破壞（CFRP層離破壞和結(jié)構(gòu)粘膠層內(nèi)破壞同時存在）。

1.3.2 粘結(jié)強度

Liu等［11］對普通彈性模量的CFRP片 材（240 GPa）-鋼粘結(jié)節(jié)點施加恒幅疲勞荷載，預先設定相應的荷載循環(huán)，當荷載比大于0.30時，試件發(fā)生疲勞破壞。當荷載比在0.20～0.30時，對疲勞加載未失效的試件進行靜力加載，殘余粘結(jié)強度平均降低約20%。對于高彈性模量CFRP片材（640 GPa）-鋼粘結(jié)節(jié)點，疲勞荷載對殘余粘結(jié)強度的影響不大。Wu等［14］對于超高彈性模量CFRP板-鋼粘結(jié)試件進行恒幅疲勞荷載試驗，發(fā)現(xiàn)荷載比在0.55以下時，預設疲勞荷載對粘結(jié)強度幾乎沒有影響。王海濤等［10］制作了20個CFRP-鋼單面搭接粘結(jié)節(jié)點，采用恒幅疲勞荷載，荷載比為0.30～0.80，應力比為0.20，試驗表明當疲勞荷載的荷載比為0.30時，即使粘結(jié)長度大于有效粘結(jié)長度，經(jīng)過200萬次疲勞循環(huán)加載后，殘余粘結(jié)強度也會降低。

同時，CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點會受到惡劣環(huán)境與疲勞荷載共同影響。Wang等［18］對CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點進行恒幅疲勞加載（荷載比為0.70）和干濕循環(huán)共同作用，試驗結(jié)果表明疲勞荷載會顯著降低CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點的粘結(jié)性能。Yu等［19］將CFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點暴露于鹽霧和高濕環(huán)境中，后進行疲勞加載，繼而測試殘余靜力性能，結(jié)果顯示CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點的粘結(jié)強度降低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

預設次數(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，試件會產(chǎn)生殘余相對滑移，節(jié)點剛度降低，同樣是由于疲勞荷載帶來的累積損傷。對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，采用圖2（b）所示的變幅疲勞荷載進行加載，在荷載-位移曲線的對比當中發(fā)現(xiàn)，前幾個加載周期的荷載-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-位移曲線的包絡線受到靜力加載下荷載-位移曲線的約束。當CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點承受較低疲勞荷載時，不會產(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行疲勞加載試驗，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)點損傷增加。并且當荷載卸載到0時，觀察節(jié)點有殘余位移，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，疲勞荷載試驗下粘結(jié)-滑移曲線的包絡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)點出現(xiàn)累積損傷，造成節(jié)點的剛度降低［9，12-13］。當某一點的粘結(jié)-滑移曲線剪應力達到最大值時，此時對應的荷載為臨界荷載。當超過臨界荷載時，其加卸載的路徑不一樣，這些差異在加載后期會越來越大，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)點出現(xiàn)累積損傷，造成節(jié)點剛度降低。

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）為剪應力；δe，i為塑性滑移；δ1，i為剪應力最大時對應的滑移；δf，i為脫粘時的滑移；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。最終的試驗結(jié)果顯示，該粘結(jié)-滑移模型與試驗數(shù)據(jù)展現(xiàn)出良好的一致性。

2.2 CFRP-鋼粘結(jié)節(jié)點損傷分析

CFRP粘結(jié)節(jié)點受到疲勞荷載作用時，會出現(xiàn)累積損傷，影響粘結(jié)節(jié)點的粘結(jié)性能。Pang等［9］通過試驗證明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)點的剛度逐漸降低。用損傷參數(shù)D來表示節(jié)點損傷的大小，損傷參數(shù)D具體表達式如式（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wd/Gf和荷載-滑移推導Ed/Et確定的標準化耗散能量具有相同的趨勢，其中定義出wd和Gf的表達式如式（3）和式（4）所示，Ed為累積能量耗散。

式中，τi為第i次循環(huán)的剪應力。

由于兩者確定的歸一化耗散能量具有相同的趨勢，也就證明了局部和整體耗散的歸一化能量基本相同［12］。也有學者利用CFRP-鋼單面搭接粘結(jié)節(jié)點試件，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］設計了一系列GFRP-鋼雙面搭接粘結(jié)節(jié)點，在不同溫度下承受變幅疲勞荷載，分為兩階段測試和四階段測試，在常幅疲勞荷載下疲勞壽命預測模型基礎上開發(fā)了一種改進的疲勞壽命預測模型，其中使用了CM系數(shù)，這個系數(shù)是考慮荷載變化引起粘結(jié)強度退化的指標。該方法能準確預測粘結(jié)節(jié)點試件的疲勞壽命。

3 結(jié)論

CFRP-鋼界面在疲勞荷載作用下的性能演化是CFRP補強鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能體系的重要特征指標。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)性能研究進展。已有研究結(jié)果表明，疲勞荷載會對粘結(jié)節(jié)點會造成累積損傷，降低節(jié)點的粘結(jié)強度與剛度。但目前的試驗與理論分析大多針對具體的工況展開。未來可進一步針對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測方法展開研究，為科學補強提供依據(jù)。