Fe-SMA材料補強鋼結構疲勞性能綜述

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

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

傳統方法修復鋼結構疲勞損傷，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補強含損傷鋼結構，能夠有效提升結構疲勞性能，同時不需要在損傷部位鉆孔或焊接，避免產生新的應力集中［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、生物醫學等精密尖端領域［23］。近年來，其在土木工程中的研究和應用也有了較快發展，包括結構減隔震、健康監測、預應力加固等領域［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材料加工技術和工業化生產能力逐漸發展［44］，初步研究表明，Fe-SMA材料預拉后通過加熱激發即可產生預應力，無須使用液壓控制系統等復雜裝置，可用于無損可恢復補強，在提高鋼結構疲勞性能領域具有顯著的發展潛力和應用空間［45-50］。

圍繞Fe-SMA材料在鋼結構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補強鋼結構疲勞性能、環境溫度和疲勞荷載對鋼結構補強體系的影響、與NiTinol-FRP復合材料補強鋼結構疲勞性能對比。

2 Fe-SMA材料恢復應力

SMA具有兩種主要金相，分別是低溫穩定的馬氏體相（martensite）和高溫穩定的奧氏體相（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下的形狀，即處于低溫的SMA在外力作用下產生變形后，如果加熱超過材料的相變點（奧氏體結束溫度Af），就會恢復到原來高溫奧氏體狀態下的形狀（圖1）。利用這種特性，即可方便地施加預應力，用于結構修復補強。

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，Fe-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、激發溫度等，表1列舉了部分文獻中不同激發條件下的Fe-SMA恢復應力。

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

2.2 環境溫度和疲勞荷載作用下恢復應力

除了單次激發后的恢復應力性能，考慮到Fe-SMA作為補強材料，可能和結構一起承受環境介質和服役荷載的作用。Koster等［61］通過試驗研究證明，Fe-SMA材料在提供300 MPa恢復應力的同時，疲勞性能良好。Lee等［57］對激發后的Fe-SMA試件分別施加5次循環荷載（應變幅0.07%）和5次溫度循環（?20～60°C）。試驗結果表明，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。溫度循環作用下應力-熱應變關系與循環荷載作用下類似。進一步對激發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］對激發后的Fe-SMA材料施加200萬次疲勞荷載。結果表明，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次數增加而逐漸降低。在0.035%和0.07%應變幅循環作用下，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。重復加熱后，恢復應力損失大部分可以恢復。同時，基于試驗和文獻數據提出了Fe-SMA材料疲勞強度模型。

3 Fe-SMA加固鋼結構疲勞性能

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構。已有研究將經預拉的Fe-SMA通過機械錨固方法固定于鋼構件表面，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，產生恢復應力353～391 MPa，在鋼板中產生最大預壓應力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，Fe-SMA被用于補強焊接接頭［49］和鋼梁構件［50］，結果發現，基于Fe-SMA的形狀記憶效應，能夠有效引入預應力，改善構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 環境溫度和疲勞荷載對鋼結構補強體系的影響

補強體系在服役過程中，會受到環境介質和服役荷載的共同作用。對于FRP補強鋼結構體系，已有針對海洋環境、高/低溫、射線、干濕循環、凍融循環等因素對FRP補強鋼結構體系影響的研究［72-75］。環境溫度升高，尤其是超過Tg后，結構粘膠性能大幅下降。CFRP-鋼有效粘結長度隨著環境溫度升高而增加［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，指出提高結構粘膠養護溫度可以提高補強體系在高溫下耐受性。

目前針對服役環境下Fe-SMA補強鋼結構體系的性能尚無系統研究。Sato等［78］在測試一種組分為Fe-28Mn-6Si-5Cr的SMA時，發現Ms處于?20～25℃，低溫工作時，材料發生奧氏體向馬氏體的轉變，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。有關疲勞荷載對Fe-SMA恢復應力的影響已經在“2 Fe-SMA材料恢復應力”中指出。

5 與NiTinol-FRP復合材料補強鋼結構疲勞性能對比

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，對含損傷鋼結構進行修復補強。Dawood等［63］采用拉拔試驗對NiTinol與FRP界面性能展開研究，試驗發現兩種不同的破壞模式，分別為無相變粘結失效與相變后粘結失效，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律。試驗結果表明，NiTinol在約束條件下加熱至165℃可產生390 MPa恢復應力，不同激發程度的試件在不同水平疲勞荷載作用下，產生不同程度的恢復應力損失甚至發生斷裂破壞，主要受制于NiTinol與FRP的粘結失效應力水平。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粘結失效應力水平，200萬次循環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 結論

已有針對Fe-SMA材料恢復應力展開研究，Fe-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，在鋼結構疲勞性能修復補強領域有顯著的發展潛力和應用空間。基于形狀記憶效應，Fe-SMA可以用于便捷地施加預應力，無需傳統預應力施加方式的液壓設備等裝置。Fe-SMA補強鋼結構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，對含損傷鋼構件進行疲勞補強。認識到環境溫度和疲勞荷載可能對Fe-SMA恢復應力產生影響，但尚無Fe-SMA補強鋼結構體系性能演化的系統研究，有待展開進一步工作。

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

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