CFRP筋锚具抗疲劳性能研究综述

2021-11-29黄文恺钱惟学杨皓润

中国金属通报 2021年10期

黄文恺，钱惟学，郑怡，杨皓润

（江苏大学，江苏镇江 212013）

众所周知，碳纤维增强复合材料（CFRP）的轻质、高强、耐腐蚀、低松弛、耐疲劳等突出的性能，这给CFRP筋代替传统钢索提供了可能。CFRP筋由多股连续纤维丝经树脂胶合形成，材料为各向异性，纵向抗拉能力很强，横向抗压与抗剪能力较弱，不能采用传统的锚固方式，否则容易造成锚固端的应力集中，最终导致筋材横向剪切破坏，锚具体系的破坏一般不是筋材被拉断，而是CFRP筋材在锚具端口处被剪断从而使锚固提前失效，合适的锚具是CFRP筋广泛运用的前提[1，2]。

目前，对CFRP材料的疲劳性能的研究，主要集中在对钢筋混凝土梁及钢板的强化加固方面。蒋定[3]等在预应力CFRP布加固梁的疲劳试验研究中表明预应力CFRP布加固梁的钢筋应变显著减少，随着疲劳次数的增加其增长最为缓慢，一定程度上提高了混凝土结构的抗弯变形能力，展现了出CFRP布良好的抗疲劳性能。张新越[4]等对CFRP筋进行不同循环应力作用下的疲劳试验，发现CFRP筋在高应力条件下，CFRP筋的疲劳性能远远高于Q235光圆钢筋。以上研究体现出CFRP材料在抗疲劳性能方面表现优异。本综述对CFRP筋抗疲劳性能进行归纳与总结。

1 CFRP筋锚具抗疲劳性能

已有的国内外学者通过对不同类型的锚具进行疲劳试验的探索，试验表明大多数锚具的抗疲劳性能能够满足规范要求，并且在锚具锚固性能抗疲劳机理方面也进行了分析。

1.1 CFRP筋锚具疲劳试验

一些学者对CFRP筋锚具进行了一系列的研究。诸葛萍等[5]设计的通用型CFRP筋夹片型锚固体系经200万次应力幅为极限拉应力7%的循环荷载作用后，并没有出现明显的受损迹象，抗疲劳性能较大，在疲劳过程中，锚具组件的相对位移滑移量大约为CFRP筋静载极限拉力作用下的相对位移的16%，表明组装件的相对位移对锚固体系应用于实际工程时结构受力基本上没有影响。侯苏伟等[6]研发的粘结型锚具在进行应力水平为629MPa-704.48MPa的200万次疲劳加载试验，表明在前50万次循环加载过程中，各组件相对位移基本完成且滑移量很小，体系之间相互协调性很稳定，锚固区的纤维粘结界面失效程度小，锚环外表面环向应变基本上没有变化，服役状态良好，相比静力极限承载力，锚固体系在疲劳试验后的残余极限承载力不会明显降低，表明该疲劳性能优异，在产期服役工程中具有比较高的安全储备。詹界东等[7]研究夹片-粘结型锚具在经受周期荷载及循环疲劳荷载后，锚具夹持区域CFRP筋并没有发生夹伤破坏，锚具各部件均能协调工作，CFRP筋材都没有出现表皮开裂及断丝现象，满足复合锚具动载性能的要求，具有很高工程应用价值。

CFRP筋本身具有极其优异的抗疲劳性能，故对CFRP筋锚具的抗疲劳性能研究，重点还是在锚固部分。上述研究表明粘结型锚具和夹片型锚具在疲劳试验中，抗疲劳性能优异，显示出了很大工程应用的潜力。

1.2 CFRP筋锚具抗疲劳机理分析

金属材料的表面裂纹起始是由孔或者其他一些不连续的缺口效应导致不均匀应力分布，由于应力分布不均匀在其表面会出现峰值应力（应力集中）[8]。金属的疲劳破坏是由内部向外部突然发展，在疲劳发展过程中会先产生一条主裂缝，即疲劳源，随着疲劳循环次数的增长，裂纹扩展到某一临界值的时候会发生突然的失稳破坏，其疲劳损伤机理是伴随着循环滑移产生，进而转变为裂纹起始和裂纹扩展，机理的细节取决材料的类型。由于复合材料的各向异性特性，CFRP材料及其结构构件的疲劳损伤机理比金属复杂得多。CFRP复合材料的内部损伤会导致其强度、刚度和寿命在一定范围内的下降，也会引起其本身弹性模量、热膨胀系数、热导率等随之发生改变[9]。复合材料损伤的发展不规则并且存在多种损伤的模式，但与金属材料的损伤发展相比，CFRP复合材料的损伤发展速率及刚度随加载的下降相对均匀。碳纤维增强复合材料CFRP筋疲劳破坏一般从纤维薄弱环节开始产生，随后逐步扩展到界面上且破坏前有明显征兆(如表皮开裂或者CFRP筋纵向微裂纹等)。其疲劳损伤机理包括：纤维破坏、基体损伤、界面损伤三个部分；纤维破坏常常是由于总体或局部纤维过载导致，总体过载导致材料失效，局部过载导致局部纤维断裂，然后通过基体传递到相邻纤维;基体损伤是由于基体内部缺陷及超过基体材料疲劳极限导致的，在复合材料疲劳寿命预测中占有很重要的地位；复合材料界面损伤的影响因素较多，采用不同的方法得出不同的结论，既有的理论成果并不能准确阐明界面损伤的普遍规律，对于界面损伤问题还需要进一步研究和论证[10]。同时实际工程中任何一种纤维增强复合材料的疲劳损伤过程都是以上多种损伤形式的组合，这给研究带来了很大的难题。

2 CFRP筋锚具抗疲劳性能的研究

影响疲劳性能的因素很多，归纳起来主要有内因、外因以及外部条件变化三个方面。内因主要有内部缺陷、化学成分，缺陷越少则抗疲劳性能越好。外因包括表面的粗糙程度、试件的大小、温度、残余应力及粘结介质等，表面越粗糙、试件越大、温度越高、环境腐蚀越严重、表面残余压应力越小或者拉应力越大，则疲劳性能越差[11]。复合材料的疲劳损伤进程主要是由于：微观损伤，横向基体开裂，脱层和纤维失效。CFRP筋锚具的抗疲劳性能受到加载条件、设计参数、服役环境及制作工艺的影响。

2.1 加载条件对CFRP筋抗疲劳性能的影响

AdimiMR等[12]介绍了碳纤维增强塑料（CFRP）在不同温度与加载频率下进行疲劳试验，将CFRP筋置于混凝土试件中，在轴向拉伸载荷下进行疲劳试验，试验结果表明：开始阶段筋材表面温度升高，大部分试件疲劳寿命稳定，最后阶段温度急剧上升，当环境温度从室温升高到40℃时，观察到试件疲劳寿命显着下降，当加载频率在0.5Hz和8Hz之间变化时，发现试件疲劳寿命的对数与加载频率的增加大致成比例地减小。间歇疲劳条件比连续疲劳条件下材料的刚度值要大很多，主要原因是卸载后分子链的恢复，和卸载后到重新加载那一段时间内材料内部耗散能的释放[13]。方志[14]在循环荷载对CFRP筋刚度影响的试验中得出，在初始加载过程中，CFRP筋的抗拉刚度值呈现出上升趋势，再随后的加载过程中CFRP筋的抗拉刚度呈现下降的趋势，并且刚度减小大体上服从线性规律。

2.2 粘结介质对CFRP筋锚具抗疲劳性能的影响

粘结型锚具主要依靠粘结介质与CFRP筋的化学胶着力、摩擦力和接触面之间的机械咬合力进行锚固。粘其通过界面上的粘结应力来传递剪力，可有效的防止应力集中现象的发生，因而比较适用于锚固拉索桥的应用。锚具的粘结介质一般分为高性能混凝土和环氧树脂。高性能混凝土主要应用于地锚中，环氧树脂一般应用于预应力拉锁承重桥中。由于高性能混凝土刚度较大，凝固后组成质地坚硬，在长期反复荷载的摩擦作用下对CFRP筋的磨损比较大，从而严重削弱其疲劳性能[15]。在钢套筒的禁锢作用下由于高性能混凝土微膨胀，这有利于增大高性能混凝土与CFRP筋之间的摩擦力，进而提高了锚具更好的握裹CFRP筋的能力导致高性能混凝土粘结介质在静载试验过程中表现较为突出，但在疲劳试验中要优先选择环氧树脂。

增加约束CFRP筋的粘结介质厚度，其所容许的变形大，一定程度可以提高粘结介质的劈裂抗力，但在相同的荷载作用下，界面的剪切应变随着随着胶体的厚度的增加呈现减小趋势[16]。