FRP筋高頻疲勞性能試驗研究
1 引言
FRP筋具有輕質高強、耐腐蝕、低導電率、性能可設計，且與水泥混凝土的線膨脹系數相近等優點[1]，尤其適用于水利工程、海港工程和化工腐蝕環境下的結構工程等。在結構中使用FRP筋已成為一個重要的研究領域和新興產業[2]。FRP筋作為替代鋼筋的一種理想材料，其抗疲勞性能是一個不可回避的重要問題。
自20世紀90年代初，國外開始研究FRP筋的疲勞性能，國內的研究相對較少。1995年，Uomoto等人對GFRP、CFRP、AFRP筋的抗拉強度、蠕變性能和疲勞性能進行了研究[3]，研究表明FRP筋疲勞強度與纖維的種類有關，并且受應力幅值、平均應力和加載次數的影響較大。1999年，Harnid Saadatmanesh等研究了CFRP筋和CFRP絞線在不同環境、不同溫度和不同應力水平下的松弛、蠕變性能和常溫空氣中的抗拉疲勞性能[4]，研究的參數有極限應力σu、疲勞小應力σmin和應力幅值R。對于CFRP絞線，當R/σu＝5%時，對于任意R/σmin ，2種炭纖維棒材都完成了300萬次疲勞試驗而未破壞，殘余靜力強度可達到極限強度90%以上，且彈性模量變化較??；當R/σu＝10%時，只有σmin/σu＝30%、40%、50%的試件完成了300萬次疲勞試驗，CFRP的疲勞強度隨著R和σmin的增加而降低。Hamid Saadatmanesh等人還對AFRP筋的疲勞性能進行了研究[5]，在R/σu＝5%時，所有試件均完成了300萬次疲勞荷載，隨著R/σmin值的加大，試件彈性模量明顯增加；隨著R和σmin增加，試件的疲勞壽命降低；在R/σu= 5%~10%時，試件的疲勞性能較好。影響FRP筋疲勞強度的主要因素是R和σmin。由于FRP筋是由纖維材料和樹脂復合而成，在疲勞荷載下，樹脂不僅對纖維起保護作用，而且樹脂對疲勞裂縫的不傳遞性使FRP筋表現出良好的疲勞性能。其他影響因素包括[4 ~7]：
(1)FRP筋外形，增大肋高，應力集中程度增加，疲勞強度也降低；
(2) FRP筋直徑，直徑越大，內部初始缺陷越大，疲勞強度偏低 ；
(3)ＦＲＰ筋強度，提高ＦＲＰ筋的強度等級，其疲勞強度的絕對值增大， 但相對值減??；
(4)加載頻率，與低頻試驗相比，高頻試驗產生的 累積損傷較小，疲勞強度偏大。
國內在ＦＲＰ筋材的應用研究較多，在筋材的制備技術方面研究較少，在疲勞方面還沒有研究報道。
2 試驗
采用高頻試驗機對普通Ｅ玻璃纖維筋、高強2#玻璃纖維筋、高強4#玻璃纖維筋及高強2＃玻璃纖維／炭纖維混雜筋等4種ＦＲＰ筋的疲勞性能進行了試驗研。
ＦＲＰ筋材的應力水平參照了國外試驗的試驗方法及鋼筋的使用壽命，主要性能參數有：σu（即筋材靜強度）、σmax（大應力）、σmax、Ｒ。
σmax分別取σu（考慮到筋材靜強度試驗結果的離散性，σu取靜強度的90％）的30％、35％、40％、45％等，Ｒ取σu的7.5％ 、15％等。試驗頻率約為78Ｈｚ。
試驗裝置及試樣見圖1，試樣典型破壞見圖2。
本試驗試樣外形一致，直徑相同，基本消除外形和直徑對筋材疲勞性能的影響。試驗過程，在夾具處未出現試樣滑移的現象，故采用高頻疲勞試驗，其結果有效（見表1）。從疲勞試驗結果的分析可看出：
(1)普通Ｅ玻璃纖維筋在σmax/σu＝30％~45％ 、R/σu=7.5％時，均在較小循環次數時發生破壞。同樣σmax和Ｒ下，高強2#玻璃纖維筋、高強4#玻璃纖維筋及高強2#玻璃纖維／炭纖維混雜筋超過300萬次均未破壞。可見高強度玻纖增強筋材疲勞性能明顯優于普通Ｅ玻璃纖維。
(2)高強2#玻璃纖維筋、高強4＃玻璃纖維筋在σmax/σu為35％或40％、R/σu=15％時，均在較小循環次數時發生破壞。高強4#玻璃纖維筋耐疲勞性能好于高強2# 玻璃纖維筋。
(3)高強４#玻璃纖維筋在σmax/σu＝33.8 ％、R/σu＝7.5％時，進行2684752次疲勞試驗后將σmax/σu提高到37.4％，R/σu提高到15％時的疲勞破壞循環次數與直接進行σmax/σu＝37.4％、R/σu=15％時的疲勞破壞循環次數相差不大，說明高強4#玻璃纖維筋在σmax/σu＝33.8％、R/σu=7.5％時疲勞損傷較小。
(4)ＦＲＰ筋的疲勞性能主要取決于Ｒ和σmax。
(5)試驗過程中未發現試件發熱、發粘現象，可見高頻疲勞試驗可用于復合材料筋材的疲勞性能測試。
FRP筋具有輕質高強、耐腐蝕、低導電率、性能可設計，且與水泥混凝土的線膨脹系數相近等優點[1]，尤其適用于水利工程、海港工程和化工腐蝕環境下的結構工程等。在結構中使用FRP筋已成為一個重要的研究領域和新興產業[2]。FRP筋作為替代鋼筋的一種理想材料，其抗疲勞性能是一個不可回避的重要問題。
自20世紀90年代初，國外開始研究FRP筋的疲勞性能，國內的研究相對較少。1995年，Uomoto等人對GFRP、CFRP、AFRP筋的抗拉強度、蠕變性能和疲勞性能進行了研究[3]，研究表明FRP筋疲勞強度與纖維的種類有關，并且受應力幅值、平均應力和加載次數的影響較大。1999年，Harnid Saadatmanesh等研究了CFRP筋和CFRP絞線在不同環境、不同溫度和不同應力水平下的松弛、蠕變性能和常溫空氣中的抗拉疲勞性能[4]，研究的參數有極限應力σu、疲勞小應力σmin和應力幅值R。對于CFRP絞線，當R/σu＝5%時，對于任意R/σmin ，2種炭纖維棒材都完成了300萬次疲勞試驗而未破壞，殘余靜力強度可達到極限強度90%以上，且彈性模量變化較??；當R/σu＝10%時，只有σmin/σu＝30%、40%、50%的試件完成了300萬次疲勞試驗，CFRP的疲勞強度隨著R和σmin的增加而降低。Hamid Saadatmanesh等人還對AFRP筋的疲勞性能進行了研究[5]，在R/σu＝5%時，所有試件均完成了300萬次疲勞荷載，隨著R/σmin值的加大，試件彈性模量明顯增加；隨著R和σmin增加，試件的疲勞壽命降低；在R/σu= 5%~10%時，試件的疲勞性能較好。影響FRP筋疲勞強度的主要因素是R和σmin。由于FRP筋是由纖維材料和樹脂復合而成，在疲勞荷載下，樹脂不僅對纖維起保護作用，而且樹脂對疲勞裂縫的不傳遞性使FRP筋表現出良好的疲勞性能。其他影響因素包括[4 ~7]：
(1)FRP筋外形，增大肋高，應力集中程度增加，疲勞強度也降低；
(2) FRP筋直徑，直徑越大，內部初始缺陷越大，疲勞強度偏低 ；
(3)ＦＲＰ筋強度，提高ＦＲＰ筋的強度等級，其疲勞強度的絕對值增大， 但相對值減??；
(4)加載頻率，與低頻試驗相比，高頻試驗產生的 累積損傷較小，疲勞強度偏大。
國內在ＦＲＰ筋材的應用研究較多，在筋材的制備技術方面研究較少，在疲勞方面還沒有研究報道。
2 試驗
采用高頻試驗機對普通Ｅ玻璃纖維筋、高強2#玻璃纖維筋、高強4#玻璃纖維筋及高強2＃玻璃纖維／炭纖維混雜筋等4種ＦＲＰ筋的疲勞性能進行了試驗研。
ＦＲＰ筋材的應力水平參照了國外試驗的試驗方法及鋼筋的使用壽命，主要性能參數有：σu（即筋材靜強度）、σmax（大應力）、σmax、Ｒ。
σmax分別取σu（考慮到筋材靜強度試驗結果的離散性，σu取靜強度的90％）的30％、35％、40％、45％等，Ｒ取σu的7.5％ 、15％等。試驗頻率約為78Ｈｚ。
試驗裝置及試樣見圖1，試樣典型破壞見圖2。
本試驗試樣外形一致，直徑相同，基本消除外形和直徑對筋材疲勞性能的影響。試驗過程，在夾具處未出現試樣滑移的現象，故采用高頻疲勞試驗，其結果有效（見表1）。從疲勞試驗結果的分析可看出：
(1)普通Ｅ玻璃纖維筋在σmax/σu＝30％~45％ 、R/σu=7.5％時，均在較小循環次數時發生破壞。同樣σmax和Ｒ下，高強2#玻璃纖維筋、高強4#玻璃纖維筋及高強2#玻璃纖維／炭纖維混雜筋超過300萬次均未破壞。可見高強度玻纖增強筋材疲勞性能明顯優于普通Ｅ玻璃纖維。
(2)高強2#玻璃纖維筋、高強4＃玻璃纖維筋在σmax/σu為35％或40％、R/σu=15％時，均在較小循環次數時發生破壞。高強4#玻璃纖維筋耐疲勞性能好于高強2# 玻璃纖維筋。
(3)高強４#玻璃纖維筋在σmax/σu＝33.8 ％、R/σu＝7.5％時，進行2684752次疲勞試驗后將σmax/σu提高到37.4％，R/σu提高到15％時的疲勞破壞循環次數與直接進行σmax/σu＝37.4％、R/σu=15％時的疲勞破壞循環次數相差不大，說明高強4#玻璃纖維筋在σmax/σu＝33.8％、R/σu=7.5％時疲勞損傷較小。
(4)ＦＲＰ筋的疲勞性能主要取決于Ｒ和σmax。
(5)試驗過程中未發現試件發熱、發粘現象，可見高頻疲勞試驗可用于復合材料筋材的疲勞性能測試。
