吕兆华徐海斌余倩倩，*
（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；
2.同济大学建筑工程系，上海 200092）
目前存在大量服役超过30年甚至50年的钢结构建筑和桥梁，经历了疲劳荷载、腐蚀环境、超载等作用，存在锈蚀、裂纹等结构损伤。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics，FRP）轻质高强、耐久性能/疲劳性能良好、可设计性强，被广泛运用在混凝土构件加固中。近年来，采用碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reiforced Polymer，CFRP）补强钢结构逐渐受到关注［1-4］。在钢结构疲劳性能提升领域，CFRP能够有效承担远端荷载，提供裂纹闭合效应。针对粘结补强体系，CFRP与钢的界面性能是保证加固效果的关键。已有针对CFRP-钢界面粘结性能的研究主要集中在静力荷载作用下的工况［5-7］，对疲劳荷载作用下的性能研究尚未完善。
1.1 CFRP-钢界面粘结性能试验装置
一般CFRP-钢界面粘结性能试验主要采用单面 搭 接 节 点［8-10］、双 面 搭 接 节 点［11-15］和 梁 式 节点［16］。单面搭接节点制作简单，利于界面失效过程的观测，对试验装置的要求较高。双面搭接节点的加载装置比较简单，较难准确控制两个界面失效过程。梁式节点加载方便，界面受力条件与外贴抗弯加固更为接近，但试件制作较为复杂。典型单面、双面搭接节点和梁式试件分别见图1（a）、图1（b）和图1（c）。
图1 CFRP-钢粘结节点形式Fig.1 Typical CFRP-steel bond joints
1.2 疲劳加载制度
已有研究一般采用力控制或位移控制，对CFRP-钢粘结节点施加疲劳荷载。
1.2.1 恒幅疲劳荷载（力控制）
恒幅疲劳荷载加载制度如图2（a）所示。力控制加载中，一般选用荷载比来表征荷载水平，具体指疲劳荷载峰值与静力极限承载力比值。已有大多数试验研究的荷载比取为0.25～0.85。对于预循环次数不同的试验，其荷载比往往有较大的区别。研究低周疲劳荷载下的粘结性能，其荷载比往往取为0.70～0.85，循环次数为几十至几千不等［8，11，14］；
研究中高周疲劳荷载下的粘结性能，荷载比大多数取为0.40～0.70，循环次数几万至几十万［8，11，14-15］；
研究高周疲劳荷载下的粘结性能，其荷载比取为0.20～0.40，循环次数一般为百万次级别［8，11，14］。
1.2.2 变幅疲劳荷载（力控制）
变幅疲劳荷载是以一定次数循环作为一个加载周期，在这个加载周期当中，疲劳荷载谱相同，而后荷载比逐渐增加，直至试件加载到破坏［9，12-13］，变幅疲劳加载制度如图2（b）所示。
图2 疲劳荷载示意图（力控制）Fig.2 Fatigue loading diagram（load control）
1.2.3 变幅疲劳荷载（位移控制）
文献［17］中试验按照设定位移来进行疲劳加载，每一次疲劳循环达到相应的位移，然后卸载；
紧接进入下一循环的加载，直到试件发生破坏。
1.3 疲劳荷载对粘结性能的影响
1.3.1 破坏模式
拉伸荷载作用下CFRP-钢粘结体系一般有6种破坏模式［1］，包括结构粘胶与钢界面失效、结构粘胶层内破坏、结构粘胶与CFRP界面失效、CFRP层离破坏、CFRP断裂和钢基体屈服，如图3所示。
图3 失效模式示意图［1］Fig.3 Schematic diagram of typical failure modes［1］
Liu等［11］对高弹性模量和普通弹性模量的CFRP-钢双面搭接粘结节点进行恒幅疲劳试验，荷载比为0.18～0.52，应力比为0.10。经10万次疲劳循环加载后，残余静力性能测试发现试件破坏模式与静力失效模式相同，但CFRP断裂截面增加。超高弹性模量CFRP板（460 GPa）-钢双面搭接节点在静力加载和疲劳加载下都发生CFRP层离 破 坏［12］。王 海 涛 等［10］使 用Sikadur-30和Alaldite-2015结构粘胶制作CFRP-钢粘结节点，静力和恒幅疲劳加载后试件均发生结构粘胶层内破坏，疲劳荷载下破坏界面比静力加载破坏表面更为光滑。Pang等［9］使用相同种类的结构粘胶制作试件，进行静力和变幅疲劳加载，发现结构粘胶Sikadur-30制作的CFRP-钢粘结节点试件发生CFRP层离破坏，而Araldite-2015制作的CFRP-钢粘结节点试件发生混合破坏（CFRP层离破坏和结构粘胶层内破坏同时存在）。
1.3.2 粘结强度
Liu等［11］对普通弹性模量的CFRP片 材（240 GPa）-钢粘结节点施加恒幅疲劳荷载，预先设定相应的荷载循环，当荷载比大于0.30时，试件发生疲劳破坏。当荷载比在0.20～0.30时，对疲劳加载未失效的试件进行静力加载，残余粘结强度平均降低约20%。对于高弹性模量CFRP片材（640 GPa）-钢粘结节点，疲劳荷载对残余粘结强度的影响不大。Wu等［14］对于超高弹性模量CFRP板-钢粘结试件进行恒幅疲劳荷载试验，发现荷载比在0.55以下时，预设疲劳荷载对粘结强度几乎没有影响。王海涛等［10］制作了20个CFRP-钢单面搭接粘结节点，采用恒幅疲劳荷载，荷载比为0.30～0.80，应力比为0.20，试验表明当疲劳荷载的荷载比为0.30时，即使粘结长度大于有效粘结长度，经过200万次疲劳循环加载后，残余粘结强度也会降低。
同时，CFRP-钢粘结节点会受到恶劣环境与疲劳荷载共同影响。Wang等［18］对CFRP-钢粘结节点进行恒幅疲劳加载（荷载比为0.70）和干湿循环共同作用，试验结果表明疲劳荷载会显著降低CFRP-钢粘结节点的粘结性能。Yu等［19］将CFRP-钢双面搭接粘结节点暴露于盐雾和高湿环境中，后进行疲劳加载，继而测试残余静力性能，结果显示CFRP-钢粘结节点的粘结强度降低1%～11%。
1.4 疲劳荷载下荷载-位移曲线
1.4.1 恒幅疲劳荷载下荷载-位移曲线
预设次数疲劳荷载加载后，CFRP-钢粘结试件静力加载的荷载-位移曲线的斜率有所降低，主要是由于结构粘胶在疲劳循环荷载中产生塑性变形，CFRP-钢粘结节点刚度降低［11-12，14］。王海涛等［10］得出经过疲劳荷载加载后，试件会产生残余相对滑移，节点刚度降低，同样是由于疲劳荷载带来的累积损伤。对疲劳荷载加载过程中的荷载-位移曲线同样观察到，加载路径斜率不断降低，且卸载路径和加载路径不一致，表明疲劳荷载导致损伤累积。
1.4.2 变幅疲劳荷载下荷载-位移曲线
Yang等［12］采用两种不同类型的CFRP板制作CFRP-钢双面搭接粘结节点，采用图2（b）所示的变幅疲劳荷载进行加载，在荷载-位移曲线的对比当中发现，前几个加载周期的荷载-位移曲线基本重合，表现出CFRP-钢粘结节点刚度保持不变，但随着疲劳循环次数增加，CFRP-钢粘结节点刚度逐渐降低，主要由于加载端逐渐产生累积损伤。Pang等［9］采用变幅疲劳荷载加载，结果表明在疲劳荷载加载下得到的荷载-位移曲线的包络线受到静力加载下荷载-位移曲线的约束。当CFRP-钢粘结节点承受较低疲劳荷载时，不会产生残余位移，但是随着荷载增大，塑性损伤增加，出现塑性位移。Doroudi等［17］利用位移控制加载进行疲劳加载试验，荷载-位移曲线的刚度随荷载循环次数的增加而减小，表明CFRP-钢粘结节点损伤增加。并且当荷载卸载到0时，观察节点有残余位移，表明粘结界面内存在损伤。
1.5 疲劳荷载下粘结-滑移曲线
静力加载和变幅疲劳荷载加载下的粘结-滑移曲线比较表明，疲劳荷载试验下粘结-滑移曲线的包络线与静力加载条件下的粘结-滑移曲线基本保持一致［9，12-13］。疲劳荷载作用下的粘结-滑移曲线在加载早期加卸载路径保持一致，说明节点的刚度保持不变。随着荷载逐渐增大，粘结-滑移曲线的斜率降低，说明粘结节点出现累积损伤，造成节点的刚度降低［9，12-13］。当某一点的粘结-滑移曲线剪应力达到最大值时，此时对应的荷载为临界荷载。当超过临界荷载时，其加卸载的路径不一样，这些差异在加载后期会越来越大，主要是随着荷载循环次数增加和荷载增大，界面刚度和耗散能的累积造成退化［9，12-13，17］。
总结来说，疲劳荷载加载下的粘结-滑移曲线和荷载位移曲线是以静力加载下的曲线为包络线，处在静力荷载下粘结-滑移曲线的内部。在疲劳荷载作用下，粘结-滑移曲线和荷载-滑移曲线的斜率不断降低，这是由于受到疲劳荷载的作用，粘结节点出现累积损伤，造成节点刚度降低。
2.1 粘结-滑移模型
研究表明，静力荷载作用下线性结构粘胶试件的粘结-滑移模型曲线为双折线，非线性结构粘胶试件的粘结-滑移模型曲线为三折线。针对疲劳荷载下的粘结-滑移模型。Zhou等［20］提出拟静力循环荷载作用下CFRP-钢界面性能模型如式（1）所示：
式中：i为第i次加载/卸载；
δ为滑移；
f（δ）为剪应力；
δe，i为塑性滑移；
δ1，i为剪应力最大时对应的滑移；
δf，i为脱粘时的滑移；
Ke，i为弹性损伤刚度。
双折线和三折线模型不考虑非弹性变形，即任何非弹性变形都被忽略。这一假设说明这种粘结滑移模型的适用性仅限于静力加载。因此，疲劳荷载下的粘结-滑移模型相较于静力下的粘结-滑移模型考虑了非弹性变形，这也说明该模型考虑了疲劳加载造成的损伤，为后续的损伤参数分析提供了方便。最终的试验结果显示，该粘结-滑移模型与试验数据展现出良好的一致性。
2.2 CFRP-钢粘结节点损伤分析
CFRP粘结节点受到疲劳荷载作用时，会出现累积损伤，影响粘结节点的粘结性能。Pang等［9］通过试验证明CFRP加载端附近的损伤区随着循环次数的增加而增加，节点的刚度逐渐降低。用损伤参数D来表示节点损伤的大小，损伤参数D具体表达式如式（2）所示。
式中：Kd，i为第i次循环的刚度；
Ke为初始刚度。
并由粘结-滑移推导wd/Gf和荷载-滑移推导Ed/Et确定的标准化耗散能量具有相同的趋势，其中定义出wd和Gf的表达式如式（3）和式（4）所示，Ed为累积能量耗散。
式中，τi为第i次循环的剪应力。
由于两者确定的归一化耗散能量具有相同的趋势，也就证明了局部和整体耗散的归一化能量基本相同［12］。也有学者利用CFRP-钢单面搭接粘结节点试件，确定了归一化界面损伤D与归一化界面能量耗散（wd/Gf）和归一化相对滑移（Si/Sf）之间的函数关系，并证明出与结构粘胶的厚度无关［4］。
Liu等［21］设计了一系列GFRP-钢双面搭接粘结节点，在不同温度下承受变幅疲劳荷载，分为两阶段测试和四阶段测试，在常幅疲劳荷载下疲劳寿命预测模型基础上开发了一种改进的疲劳寿命预测模型，其中使用了CM系数，这个系数是考虑荷载变化引起粘结强度退化的指标。该方法能准确预测粘结节点试件的疲劳寿命。
CFRP-钢界面在疲劳荷载作用下的性能演化是CFRP补强钢结构疲劳性能体系的重要特征指标。本文调研了有关疲劳荷载作用下CFRP-钢在疲劳荷载作用下的粘结性能研究进展。已有研究结果表明，疲劳荷载会对粘结节点会造成累积损伤，降低节点的粘结强度与刚度。但目前的试验与理论分析大多针对具体的工况展开。未来可进一步针对具有普适意义的疲劳荷载作用下CFRP-钢界面粘结-滑移模型和疲劳寿命预测方法展开研究，为科学补强提供依据。
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