关于纤维聚合物混凝土在周期荷载作用下性能的实验

1、关于纤维聚合物混凝土在周期荷载作用下性能的实验研究L. Bizindavyi1; K. W. Neale2; and M. A. Erki3摘要：采用外贴纤维聚合物加强钢筋混凝土结构（简称FRPs），是现有升级混凝土结构的比较具有吸引力的一种方法。虽然以前的实验研究表明：通过这种方法，梁的弯曲能力可以明显增强，纤维聚合物过早的失效往往会限制其有效性。观察脱粘现象以及各种实验和分析调查，聚合纤维物和钢筋混凝土的结合处连接特征已经被发现，然而，这些研究一般都是在有限的单调静力加载条件下进行，在本文中，我们从聚合物混凝土在循环荷载作用下的实验调查中得出了结论。首先，我们描述了实验装置和测试参数，接下

2、来，联系起来讨论聚合物混凝土界面滑移，裂纹开口，循环加载，应变分布的特征。受力规律的表达图就是所谓的“S-N”图（循环应力范围和失败的周期数），该表达式中的参数是根据实验中的数据而确认的，各种参数受到的影响因素很多，例如：粘结长度的影响，粘结宽度的影响，并且讨论了循环粘结水平应力的疲劳行为。日期：2003年10月16日/(美国土木工程协会)1090-0268（127）主题词：梁；纤维复合材料；混凝土；循环荷载；疲劳；焊接接头。引言：采用外贴钢板或纤维复合材料加强钢筋混凝土结构（FRP）的方法是严重依赖于板和混凝土之间的粘结能力。这种粘结在静力（单调的）加载下的反应被证明是充分可靠的，表面制做和

3、FRP的粘贴方法如下。例如：观察已经制作好了的FRP材料与混凝土之间的粘结强度，附和了FRP材料的钢筋混凝土能承受更强的剪切力。一个典型的例子就是钢筋混凝土桥面在7108KN循环应力作用下可能存在120年的寿命（Barnes and Mays 1999）,同时，在一个典型的设计寿命为40年的公路立交桥上至少可以承受58108KN的循环荷载（Heffernan 1997）。在循环荷载作用下，材料与结构总是表现出其中较低的静力强度。这些强度降低，取决于各种因素，如加载速度，应力幅度，最大应力和循环加载次数。混凝土梁的疲劳强度可以减少高达25%，例如：循环加载次数从5106变为5107（Tilly

4、1979）。据报道，经过相当广泛的实验和研究，相比较之下，FRP钢筋混凝土无损坏现象少于钢筋混凝土梁疲劳现象。然而，一些关键的调查（例如： Meieret al. 1992; Heffernan 1997; Shahawy and Beitelman 1998; Barnes and Mays 1999）已经清楚地表明：FRP钢筋混凝土梁在屈服方面比非加固钢筋混凝土表现的好一点，大多数情况下，FRP钢筋混凝土梁的屈服是由一个或几个位置上的钢筋张力的连续屈服而开始的，最终在钢筋的疲劳处断裂（Meieret al. 1992; Hefferman 1997）。当FRP钢筋混凝土层复合板发生脱离时，

5、由于钢筋的屈服和断裂以及裂缝的过度扩大，所以它被认为是一个典型的失效模式（Meier et al. 1992; Heffernan 1997）。从Heffernan（1997）的报道结果中看出，混凝土梁的屈服部分大多集中在钢筋断裂处，并且证明了该梁的可适用性是可以忽略的（在受拉区开裂）。Barnes和Mays（1999）建议：一个合理的规范，应该表明出相比之下非加固混凝土梁在相同应力幅度的钢筋张力下的疲劳寿命。然而，他们强调：至于疲劳性能而言，可能疲劳模型是从主要加固钢筋的疲劳（加固构件）或因为主要挠度和剪切力而超筋的钢筋的转变而开始的。加强FRP钢筋混凝土梁的疲劳性能研究主要集中在证明该加固

6、技术的整体效益。在大多数调查数据中表明，在梁的负载或偏转范围内所产生的应变均低于钢筋屈服应变。在这种情况下，FRP加固的粘结性能不是一个主要的问题，因为疲劳反应基本上是由钢筋的疲劳而产生的。然而，这或许是在钢筋截面或部分钢筋截面加强使用缀板的效果。此外，鉴于粘合剂的难以相容性以及混凝土的脆性性质，不同的环境和不同的荷载条件，也会使这一结构在其生命周期里慢慢被改变。其他失效模式的可能性也是粘贴FRP材料时必须考虑的。在界面上的现象能清楚的认识到混凝土与FRP之间的粘结必须满足这些加强要求。Bizindavyi 和 Neale （1999）以前对FRP混凝土的接头进行静态、无变化的加载研究。使用一

7、个特别设计的单面结合装置测试FRP混凝土的直接剪力，对界面应力、应变分布和粘结接头的强度进行研究。关于FRP混凝土接缝的循环运转状态，除了Ferrier等人的研究成果（1990）以外非常少的信息被报道，对于双层碳纤维混凝土接头处的研究方面，很明显没有公布其他关于接头疲劳性能的数据。在这篇文章里，我们报告的结果是从单面搭接玻璃和碳纤维混凝土的循环运转实验中得出的。环状粘结应力和滑移关系，裂纹张开大小和循环应变分布，在FRP混凝土接头的介绍和讨论中阐明。分析S-N之间的关系（循环应力范围和失败的周期数）已被提出，并且从试验数据中确定了相关参数。这些参数受到各种因素的影响，例如：黏合长度，粘结宽度，

8、周期粘结应力等等。 1Fellow博士，土木工程系部门，舍布鲁克大学，位置：Sherbrooke PQ, Canada，代码：J1K 2R1。2土木工程系博士，舍布鲁克大学，位置：Sherbrooke PQ, Canada，代码：J1K 2R1，邮箱：kenneth.nealeusherbrooke.ca。3土木工程系博士，皇家陆军学院,，位置：Kingston ON, Canada，代码：K7K 7B4。注：讨论开放至2003年10月1日。讨论结束后，个人必须提交论文。有延长一个月的截止日期的需求的人，必须提交书面请求给ASCE管理编辑人。这篇文章可能被提交、审查、出版于2001年10月23

9、日，在2002年3月5号被批准。本文是复合材料学报的一部分，卷7，第2号，2003年5月1日， ASCE，国际标准期刊编号：1090-0268/2003/2-127134/$18.00。测试设置，材料特性，实验参数测试设置关于研究FRP混凝土粘贴节点的实验装置的完整方法，已经被进一步改进发展，并且能够在Neale（1999）和Bizindavyi(2000)中找到。实验装置展现在图1中。它由一个厚度为t和宽度b的FRP型压板结合长边为L的方形横截面的混凝土块构成。聚合物钢筋混凝土试件插入一个常规加载框架，其中一个静态或环状拉伸力F可作用于FRP。测试安装和支持是这样的设计基础是由FRP材料与混

10、凝土界面直接抗剪。平均粘结应力的计算公式为：S=F/(bL).样品是使用线性可变动传感器LVDT应变计来测试，下面的参数可以用来监测所施加的荷载和所加载循环次数的函数：（1）接头的滑移（例如：一端沿接头相对于另一端的位移）。（2）在加载完A端处产生的裂纹开口。（3）在FRP型混凝土A端加载轴向应变的距离函数.混凝土砖这种混凝土砖块，尺寸是150150400mm,由骨料最大粒径为14毫米的正常密度混凝土搅拌制备而成，从传统的压缩试验测试中得出，混凝土的平均抗压强度是42.5MPa和1.35MPa的标准偏差，从标准三点弯曲试验可得到平均抗拉强度为3.5 MPa和0.24MPa的标准偏差，混凝土的弹

11、性模量从混凝土抗压强度中估算得出：Ec=33.5 GPa.复合材料层合板纤维对玻璃纤维增强聚合物（GFRP）和碳纤维增强聚合物（CFRP）这两种类型的FRP层合板进行调查发现：玻璃纤维增强聚合物材料是从TYFO SEH 51结构和TYFO S环氧树脂中制备而来的，碳纤维增强聚合物材料是从REPLARK单向板和L 700S环氧树脂中制备而来的。制备这些FRP结构规格必须与制造商的规格相符。他们对材料参数进行了静态拉伸试验，得到本文的六层CFRP和GFRP试件，被描述在Bizindavyi 和 Neale的实验中（1999）。对于GFRP材料，平均强度为472 MPa和27.8 MPa的标准偏差，

12、同时平均弹性模量为29.2 GPa和0.42 GPa的标准偏差,。这种GFRP材料层压板的平均抗拉强度为1014MPa和27.5MPa的标准偏差，并且平均拉伸模量为75.7 GPa和3.69 GPA的标准偏差。图3.典型的玻璃纤维聚合物混凝土的粘结应力和滑移的关系（G1试件）结合纤维增强聚合物复合材料和混凝土块 该方法由粘结FRP材料或直接由GFRP结构和CFRP覆盖物构成的混凝土砖块，混凝土表面首先被喷砂和空气爆破清洗，试样的制备过程中，一个相对均匀的11.2毫米厚的胶层通过使用铝导轨来保证其尺寸合格。粘结接头至少进行14天循环粘结试验的加工处理。图4.典型的玻璃纤维聚合物混凝土的粘结应力和

13、滑移的关系（C1试件）试验参数不同的参数将在本调查中研究，他们包括荷载最大值和最小值（F min ,F max），以及在循环荷载作用下相应的水平粘结应力（S min ,S max），FRP材料类型（GFRP和CFRP），黏合处的几何形状（层数，粘结宽度，接头长度）。每个测试在频率为1HZ的恒定幅度的正弦荷载作用下进行。对每种结构的样品施加三等级应力，并且为每个等级的应力至少复制2个样本进行测试，这次调查的各种参数分别列于表1的玻璃纤维混凝土节点和表2的碳纤维混凝土节点。图表1：实验参数，疲劳寿命，玻璃纤维增强聚合物混凝土接缝的失效模式样本应力等级层数接头尺寸失败的周期破裂方式a（Smax，Sm

14、in）（长度，宽度）（Nf）（MPa）（mm，mm）G1-1a1.15,0.01220,25.440,500PR,CSG1-1b1.15,0.01220,25.450,090PR,CSG1-2a0.875,0.01220,25.464,302CSG1-2b0.875,0.01220,25.470,600CSG1-3a0.813,0.01220,25.4823,000CSG1-3b0.813,0.01220,25.4992,000CSG2-1a0.85,0.01300,25.423,898CSG2-1b0.85,0.01300,25.478,317CSG2-2a0.65,0.01300,25.4

15、217,135CSG2-2b0.65,0.01300,25.4359,490CSG2-2c0.65,0.01300,25.4423,079CSG2-3a0.58,0.01300,25.4886,090CSG2-3b0.58,0.01300,25.42,458,925CSPR：通过板同时断裂失效；CS：通过混凝土剪切破坏实验结果：循环失效，失效模式，和裂纹扩展试验结果在表1和表2中给出，失效的周期Nf和各种失效模式的数字被列出。下面对三种类型的故障进行了观察：FRP材料在粘结区域外失效（PR），FRP材料的断裂与混凝土的剪切破坏同时产生（PR，CS），由混凝土的剪切力而产生破坏（CS）。在每个测

16、试中，裂口可以直接在GFRP型混凝土和CFRP型混凝土接头结合界面的裂纹处扩展。质量上，裂纹扩展的三个不同的阶段分别在图2中说明。第一阶段发生在一个试样加载端的区域附近。它发生在试样生命最初的1015%阶段，裂纹形成后裂口突然在混凝土基材上出现。第二阶段，裂纹扩展的进展和基本剪切模式逐渐出现在区域II，发生在大约50%75%的疲劳寿命区间段。到第一阶段的最后，裂纹改变方向，并且遵循第二阶段的混凝土砖表面粘贴剂的变化规律。在第二阶段的最后，裂纹的变化方向又迅速传播到混凝土的一定深度，第一阶段和第三阶段，占约试样的10%15%的整个生命。这些关节点服从低循环水平应力，接头的故障是由混凝土加载端的开

17、裂引起的。在第一传送带，裂纹分叉并且倾向于沿着混凝土粘结界面破坏，或者在两层之间的关节面即两粘贴层之间传播。对于接头疲劳寿命的结束，混凝土芯的裂纹再次改变方向直至最终发生故障，在大多数情况下是由于板的分离而破坏，在高度紧张的关节点，一个破裂的FRP层压板（RP）上发现一个裂纹在加载之后蔓延开来，这种类型的破裂证明了： CFRP混凝土连接处施加的最大循环水平应力接近于碳纤维复合材料的静强度。图表2：实验参数，疲劳寿命，碳纤维增强聚合物混凝土接头的失效模式样本应力等级层数接头尺寸失败的周期破裂方式a（Smax，Smin）（长度，宽度）（Nf）（MPa）（mm，mm）C1-1a0.85,0.0130

18、0,25.4300PRC1-2a0.66,0.01300,25.4173,230CSC1-2b0.66,0.01300,25.4286,560CSC1-3a0.66,0.01300,25.4210,250CSC1-3b0.66,0.01300,25.4297,900CSC1-3c0.66,0.01300,25.4347,390CSC1-3d0.66,0.01300,25.4676,080CSC1-4a0.46,0.01300,25.41,862,220CSC1-4b0.46,0.01300,25.42,029,500CSC2-1a1.37,0.01160,50.83,327PRC2-1b1.3

19、7,0.01160,50.84,200PRC2-2a1.13,0.01160,50.834,803CSC2-2b1.13,0.01160,50.8143,104CSC2-3a0.87,0.01160,50.8184,930CSC2-3b0.87,0.01160,50.8496,708CSC3-1a1.41,0.3691160,50.8156PR,CSC3-1b1.41,0.3691160,50.8320PRC3-2a1.163,0.3691160,50.8602CSC3-2b1.163,0.3691160,50.82,170CSC3-3a0.917,0.3691160,50.8213,449C

20、SC3-3b0.917,0.3691160,50.8215,211CSC4-1a1.148,0.02300,50.8365CSC4-1b1.148,0.02300,50.8392CSC4-2a0.945,0.02300,50.81,898CSC4-2b0.945,0.02300,50.810,624CSC4-3a0.737,0.02300,50.876,500CSC4-3b0.737,0.02300,50.8266,870CSC5-1a1.239,0.3692300,50.8382PR,CSC5-1b1.239,0.3692300,50.8970CSC5-2a1.104,0.3692300,5

21、0.81,949CSC5-2b1.104,0.3692300,50.814,300CSC5-3a1.032,0.3692300,50.8186,820CSC5-3b1.032,0.3692300,50.8316,841CSPR：通过板同时断裂失效；CS：通过混凝土剪切破坏PR,CS：板破裂失效的同时混凝土产生剪切破坏粘结应力滑移现象图表3和图表4分别表明了GFRP型混凝土节点与CFRP型混凝土的循环粘结应力和循环滑移之间的典型的关系。在图表3和图表4可以看出，斜率减小的滞回曲线所对应的负载周期数N增加，这个斜率变化是在循环过程中进行的，这是一个明显的迹象。可以明显的观察到，斜率的增加随应力振幅

22、的增加而增加，此外，通常而言，也可以发现，循环应力越高，对应的滑移越大，并且粘结接头的疲劳寿命越短。在加载端的裂纹张开和位移在A节点末端安装了普通的FRP材料LVTD，有可能在这个位置监测裂纹开口。图表5和图表6表明了粘结应力、裂纹开口与CFRP混凝土接头的关系。（这里的试样分别从C4-3和C5-3系列中获得）从这些结果可以得出：随着荷载循环次数增加，永久张开位移将逐渐增大。一般而言，很明显的可以观察到，最大永久位移是与循环加载的幅度成正比。它取决于最小平均粘结水平应力值Smin。应变分布以及粘接接头图表7（a-c）表明了：应变计的读数在不同的水平负载作用下或者在许多个周期荷载N下，沿着FRP

23、材料得AB段粘结节点变化特征。在这种情况下，式样C2-3系列，例如：一层CFRP材料和混凝土粘结的尺寸分别为：长度160mm，宽度50.8mm。并且服从7KN的荷载的范围。这个试件的疲劳寿命大约为N f=185,000周期。相应的1215个周期的加载应变分布（图表7a）表明了一个指数趋势，并且表明初始传递长度约110毫米。在15000次循环加载下（图表7b）我们发现：在位置G2的应变积累量大于加载端，从而产生向下凹起的应变分布，这表明在这一地区发生了损坏。经过5000次实验，（例如：N=20,000图表7c）可分别看到：约1%的应变峰值的在G2的位置，在G3位置观察到了一些温和的变化，然而，在

24、A端和G4端没有发现什么变化，这说明，破坏随着加载循环次数的增加而增加。图5.典型的碳纤维增强聚合物混凝土循环粘结应力和裂缝开度的关系（C3-4试件）图6.典型的碳纤维增强聚合物混凝土循环粘结应力和裂缝开度的关系（C5-3试件）图表3：S-N曲线的系数试件类别ackG11.04130.09280.0000134G20.8130.09480.000188C10.2870.06390.0113C21.0570.08940.00000737C30.4450.08610.00571C40.5220.0680.000463C50.08460.04060.1245图7. 试件C2-3碳纤维增强聚合物混凝土

25、的应变分布，（a）图为1215个周期，（b）图为15000个周期，（c）图为20000个周期图8.Ln（S）和Ln（N）关于确定a和c参数的折线图（G1系列）水平应力与疲劳寿命的关系从实用的角度来看，水平应力疲劳寿命的关系通常被称为S-N曲线，在本文的调查中，每种试样的数量控制在三种振幅的水平应力之下。最小的两个在每种幅值应力下重复进行测试，疲劳寿命曲线表现为幂次函数关系:S=(NfK) c (1)这里的S和N f是各自的平均粘结应力（范围是SmaxSmin）和失败的周期数，K和C是通过实验数据拟合到的混凝土参数，K的计算公式如下：K=exp（-a/c） （2）例如：（1）可以表达为Ln（S）

26、=a-c ln（N f ） （3）这是一个Ln（S）和ln（N f ） 之间的线性关系，常数A是垂直轴线，C是坡线，图8.是一个典型的节点（试件G1系列），图8.也表明:通过计算出两组曲线的常数参数的线性拟合（A1，A2和C1，C2）以满足其曲线在两线的交点上的连续性。由此通过试件G2产生的SN曲线绘制在图9，正如期望的那样：一个更好更有代表性的G1系列测试数据可以通过双线性拟合得到。然而，所有其他系列的测试中，拟合Ln（S）与Ln（Nf）而得到的数据被证明是足够准确的。在图9.中看到的S-N曲线图像或多或少有些相似，然而，我们发现更长的节点（G2），当在相同宽度下进行一系列相同的循环粘结应力

27、测试，较短的节点（G2）表现出较长的疲劳寿命。常数A，C和K，通过实验数据的曲线拟合确定，上述所有的测试数据总结在表3中。图9.G1和G2系列试件的疲劳试件曲线（S-N）该CFRP型混凝土节点的S-N曲线（C1到C5系列）将被归纳在图10和图11中，这些曲线在低循环应力范围内，疲劳寿命高区域的斜率表现出陡峭，疲劳寿命低区域趋于水平并且在中低循环应力区内，中高度疲劳寿命是与之对应的。C1系列(300 mm325.4 mm)的S-N曲线和C2系列(160 mm50.8mm)的S-N曲线的对比表现在图10中。C2系列的粘贴面(160 mm50.8mm)比C1系列的粘贴面(300 mm325.4 mm

28、)稍微大一点，一般情况下，C2系列能承受的线性应力范围比C1系列的线应力范围要高。（在图表2.第二列显示）因此，正如预期的那样, C2系列所得到的最大疲劳寿命是远小于C1系列的。然而，正像我们看到的，C2系列的疲劳寿命曲线在C1系列的疲劳寿命曲线上面，对于相同的面积和循环力范围，更为粗、短的C2试样的疲劳周期明显大于哪些更为窄、长的C1试件的疲劳寿命。图10.C1和C2系列试件的疲劳试件曲线（S-N）图11.试件C2、C3、C4、C5的疲劳时间曲线（S-N）图11.表明：通过两个其他条件相同但承受不同的循环应力比（Smin0和Smin=0的对比）的FRP混凝土接缝C2和C3（160 mm50.

29、8 mm）的S-N曲线之间的比较，正如期望的那样，Smin0 （C2 系列）情况下的疲劳曲线位于Smin0（C3 系列）的疲劳曲线之上；例如,在相同的循环应力范围中，Smin=0的节点与Smin0的节点相比有较高的疲劳时间。这意味着，一个非零的最小水平应力在现实中能够对FRP混凝土的疲劳现象产生显著影响。我们也能在图11.中发现, S-N曲线是C4接缝和C5接缝（30mm50.8 mm）的不同循环应力比（Smin0和Smin=0的对比）。在这里，我们发现，在相同的循环应力范围值下，Smin=0（试件C4系列）比Smin0（试件C5系列）的疲劳时间要长；例如：Smin=0情况下的疲劳时间曲线位于

30、Smin0的上面，C4和C5的曲线在高应力范围区域和短时间内相当的相似，但是，在低应力的区域范围和较长的疲劳寿命时有很大的不同。结论这个实验装置最初设计用于研究FRP混凝土节点在单调加载条件下产生的现象（Bizindavyi and Neale 1999），现在已被用来研究循环荷载对节点的响应。该装置能重复产生稳定的结果。测试设置是这样安排的，它是在循环剪切试验下，视觉上跟踪监视可能产生裂纹扩展的过程，它可以识别裂纹扩展的三个阶段，并且在一定程度上，取决于参与接头材料的刚度；通过观察这些均质材料的数据找出最合适的材料。我们发现，裂纹在混凝土土芯粘结接头的第一个四分之一和最后一个四分之一部位分布

31、。在接头的中部地区，混凝土和胶粘剂或者FRP和粘合剂界面之间有紧密的粘贴。这种类型的实验被Ferrier等人在1999年验证。对所有循环粘结应力和滑移关系的观察后，所有的循环剪切试验显示：一个类似于线性的曲线具有非常窄的滞回线，但其下降斜率的周期数有所增加。这些狭窄的滞回线是接头的脆性行为的指标。总趋势是：越高的滑移值将获得更高的循环应力范围。在玻璃钢和混凝土的接缝节点处施加相同范围的应力，在220毫米长的节点处获得的最大滑移值（G1）比300毫米长的接头（G2）大。在160毫米长，50.8毫米宽的碳纤维复合材料接头上（C2和C3），相同的循环应力范围的情况下，Smin0的节点处滑移值高于Sm

32、in=0的节点处滑移值，然而，在这两种情况下所观察到的趋势是：随着循环应力的增加，滑移值也增加。 对300mm接头处的最大滑移值的比较表明：那些具有较窄粘结宽度（C1:25.4毫米）的节点比那些具有较大的宽度的粘结节点（C4:50.8毫米）表现出较高的滑动值。然而，所有这些接头中，较宽处的接头所施加的循环应力范围远低于较窄的接头。但是，这种荷载（Smin0和Smin=0）的类型基本上和最大滑移值没有关系，对裂纹尖端开裂的FRP混凝土接头处施加荷载得到一种非线性关系，且发现：随着循环次数的增加，永久的开口的存在时间也会增加。最后，它表明了：幂律关系可以描述玻璃钢混凝土接头的疲劳寿命和循环剪切力的

33、关系，从S-N曲线图的观察，可以得到以下结论：（1）粘结结合处越短，粘结结合处的应力越高，试样的疲劳生命值越短；（2）对于宽度相同的等效粘结面试样，较短的关节出现了高强度应力，并且这些节点的寿命也较短;(3)循环应力比的影响（Smin0和Smin=0）：Smin=0的接头承受荷载能力要强一点，在相同的粘结应力范围下，Smin=0的疲劳寿命比Smin0的疲劳寿命要好很多。很明显，平均受力概念或者粘结应力是粘贴接头实际行为的简化。然而，对于现阶段的知识运用在外贴加固实验时，它是一个有用的参数。现在有一种倾向，限制粘贴FRP材料所受拉力并控制在一个所谓的有效值上。完全在一个严格的方式下考虑各种FRP混凝土粘结的几何形状和方法，实验的力学断裂方法和这样的粘结接头的数值研究很可能是更合适的。感谢作者非常感谢智能传感创新结构网络的支持（ ISIS Canada），还有加拿大政府的卓越中心网络计划以及自然科学和工程研究理事会。对三菱化学公司和国际综合改造等公司所提供本研究的材料、工具书表示感谢。参考资料：1 预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究Barnes,R.A.,and Mays,G.C.（1999）J. Compos. Constr., 3(2), 6372。2Etude experimentale et analytique du comportement d