FRP筋高频疲劳性能试验研究
1 引言
FRP筋具有轻质高强、耐腐蚀、低导电率、性能可设计，且与水泥混凝土的线膨胀系数相近等优点[1]，尤其适用于水利工程、海港工程和化工腐蚀环境下的结构工程等。在结构中使用FRP筋已成为一个重要的研究领域和新兴产业[2]。FRP筋作为替代钢筋的一种理想材料，其抗疲劳性能是一个不可回避的重要问题。
自20世纪90年代初，国外开始研究FRP筋的疲劳性能，国内的研究相对较少。1995年，Uomoto等人对GFRP、CFRP、AFRP筋的抗拉强度、蠕变性能和疲劳性能进行了研究[3]，研究表明FRP筋疲劳强度与纤维的种类有关，并且受应力幅值、平均应力和加载次数的影响较大。1999年，Harnid Saadatmanesh等研究了CFRP筋和CFRP绞线在不同环境、不同温度和不同应力水平下的松弛、蠕变性能和常温空气中的抗拉疲劳性能[4]，研究的参数有极限应力σu、疲劳小应力σmin和应力幅值R。对于CFRP绞线，当R/σu＝5%时，对于任意R/σmin ，2种炭纤维棒材都完成了300万次疲劳试验而未破坏，残余静力强度可达到极限强度90%以上，且弹性模量变化较小；当R/σu＝10%时，只有σmin/σu＝30%、40%、50%的试件完成了300万次疲劳试验，CFRP的疲劳强度随着R和σmin的增加而降低。Hamid Saadatmanesh等人还对AFRP筋的疲劳性能进行了研究[5]，在R/σu＝5%时，所有试件均完成了300万次疲劳荷载，随着R/σmin值的加大，试件弹性模量明显增加；随着R和σmin增加，试件的疲劳寿命降低；在R/σu= 5%~10%时，试件的疲劳性能较好。影响FRP筋疲劳强度的主要因素是R和σmin。由于FRP筋是由纤维材料和树脂复合而成，在疲劳荷载下，树脂不仅对纤维起保护作用，而且树脂对疲劳裂缝的不传递性使FRP筋表现出良好的疲劳性能。其他影响因素包括[4 ~7]：
(1)FRP筋外形，增大肋高，应力集中程度增加，疲劳强度也降低；
(2) FRP筋直径，直径越大，内部初始缺陷越大，疲劳强度偏低 ；
(3)ＦＲＰ筋强度，提高ＦＲＰ筋的强度等级，其疲劳强度的绝对值增大， 但相对值减小；
(4)加载频率，与低频试验相比，高频试验产生的 累积损伤较小，疲劳强度偏大。
国内在ＦＲＰ筋材的应用研究较多，在筋材的制备技术方面研究较少，在疲劳方面还没有研究报道。
2 试验
采用高频试验机对普通Ｅ玻璃纤维筋、高强2#玻璃纤维筋、高强4#玻璃纤维筋及高强2＃玻璃纤维／炭纤维混杂筋等4种ＦＲＰ筋的疲劳性能进行了试验研。
ＦＲＰ筋材的应力水平参照了国外试验的试验方法及钢筋的使用寿命，主要性能参数有：σu（即筋材静强度）、σmax（大应力）、σmax、Ｒ。
σmax分别取σu（考虑到筋材静强度试验结果的离散性，σu取静强度的90％）的30％、35％、40％、45％等，Ｒ取σu的7.5％ 、15％等。试验频率约为78Ｈｚ。
试验装置及试样见图1，试样典型破坏见图2。
本试验试样外形一致，直径相同，基本消除外形和直径对筋材疲劳性能的影响。试验过程，在夹具处未出现试样滑移的现象，故采用高频疲劳试验，其结果有效（见表1）。从疲劳试验结果的分析可看出：
(1)普通Ｅ玻璃纤维筋在σmax/σu＝30％~45％ 、R/σu=7.5％时，均在较小循环次数时发生破坏。同样σmax和Ｒ下，高强2#玻璃纤维筋、高强4#玻璃纤维筋及高强2#玻璃纤维／炭纤维混杂筋超过300万次均未破坏。可见高强度玻纤增强筋材疲劳性能明显优于普通Ｅ玻璃纤维。
(2)高强2#玻璃纤维筋、高强4＃玻璃纤维筋在σmax/σu为35％或40％、R/σu=15％时，均在较小循环次数时发生破坏。高强4#玻璃纤维筋耐疲劳性能好于高强2# 玻璃纤维筋。
(3)高强４#玻璃纤维筋在σmax/σu＝33.8 ％、R/σu＝7.5％时，进行2684752次疲劳试验后将σmax/σu提高到37.4％，R/σu提高到15％时的疲劳破坏循环次数与直接进行σmax/σu＝37.4％、R/σu=15％时的疲劳破坏循环次数相差不大，说明高强4#玻璃纤维筋在σmax/σu＝33.8％、R/σu=7.5％时疲劳损伤较小。
(4)ＦＲＰ筋的疲劳性能主要取决于Ｒ和σmax。
(5)试验过程中未发现试件发热、发粘现象，可见高频疲劳试验可用于复合材料筋材的疲劳性能测试。
FRP筋具有轻质高强、耐腐蚀、低导电率、性能可设计，且与水泥混凝土的线膨胀系数相近等优点[1]，尤其适用于水利工程、海港工程和化工腐蚀环境下的结构工程等。在结构中使用FRP筋已成为一个重要的研究领域和新兴产业[2]。FRP筋作为替代钢筋的一种理想材料，其抗疲劳性能是一个不可回避的重要问题。
自20世纪90年代初，国外开始研究FRP筋的疲劳性能，国内的研究相对较少。1995年，Uomoto等人对GFRP、CFRP、AFRP筋的抗拉强度、蠕变性能和疲劳性能进行了研究[3]，研究表明FRP筋疲劳强度与纤维的种类有关，并且受应力幅值、平均应力和加载次数的影响较大。1999年，Harnid Saadatmanesh等研究了CFRP筋和CFRP绞线在不同环境、不同温度和不同应力水平下的松弛、蠕变性能和常温空气中的抗拉疲劳性能[4]，研究的参数有极限应力σu、疲劳小应力σmin和应力幅值R。对于CFRP绞线，当R/σu＝5%时，对于任意R/σmin ，2种炭纤维棒材都完成了300万次疲劳试验而未破坏，残余静力强度可达到极限强度90%以上，且弹性模量变化较小；当R/σu＝10%时，只有σmin/σu＝30%、40%、50%的试件完成了300万次疲劳试验，CFRP的疲劳强度随着R和σmin的增加而降低。Hamid Saadatmanesh等人还对AFRP筋的疲劳性能进行了研究[5]，在R/σu＝5%时，所有试件均完成了300万次疲劳荷载，随着R/σmin值的加大，试件弹性模量明显增加；随着R和σmin增加，试件的疲劳寿命降低；在R/σu= 5%~10%时，试件的疲劳性能较好。影响FRP筋疲劳强度的主要因素是R和σmin。由于FRP筋是由纤维材料和树脂复合而成，在疲劳荷载下，树脂不仅对纤维起保护作用，而且树脂对疲劳裂缝的不传递性使FRP筋表现出良好的疲劳性能。其他影响因素包括[4 ~7]：
(1)FRP筋外形，增大肋高，应力集中程度增加，疲劳强度也降低；
(2) FRP筋直径，直径越大，内部初始缺陷越大，疲劳强度偏低 ；
(3)ＦＲＰ筋强度，提高ＦＲＰ筋的强度等级，其疲劳强度的绝对值增大， 但相对值减小；
(4)加载频率，与低频试验相比，高频试验产生的 累积损伤较小，疲劳强度偏大。
国内在ＦＲＰ筋材的应用研究较多，在筋材的制备技术方面研究较少，在疲劳方面还没有研究报道。
2 试验
采用高频试验机对普通Ｅ玻璃纤维筋、高强2#玻璃纤维筋、高强4#玻璃纤维筋及高强2＃玻璃纤维／炭纤维混杂筋等4种ＦＲＰ筋的疲劳性能进行了试验研。
ＦＲＰ筋材的应力水平参照了国外试验的试验方法及钢筋的使用寿命，主要性能参数有：σu（即筋材静强度）、σmax（大应力）、σmax、Ｒ。
σmax分别取σu（考虑到筋材静强度试验结果的离散性，σu取静强度的90％）的30％、35％、40％、45％等，Ｒ取σu的7.5％ 、15％等。试验频率约为78Ｈｚ。
试验装置及试样见图1，试样典型破坏见图2。
本试验试样外形一致，直径相同，基本消除外形和直径对筋材疲劳性能的影响。试验过程，在夹具处未出现试样滑移的现象，故采用高频疲劳试验，其结果有效（见表1）。从疲劳试验结果的分析可看出：
(1)普通Ｅ玻璃纤维筋在σmax/σu＝30％~45％ 、R/σu=7.5％时，均在较小循环次数时发生破坏。同样σmax和Ｒ下，高强2#玻璃纤维筋、高强4#玻璃纤维筋及高强2#玻璃纤维／炭纤维混杂筋超过300万次均未破坏。可见高强度玻纤增强筋材疲劳性能明显优于普通Ｅ玻璃纤维。
(2)高强2#玻璃纤维筋、高强4＃玻璃纤维筋在σmax/σu为35％或40％、R/σu=15％时，均在较小循环次数时发生破坏。高强4#玻璃纤维筋耐疲劳性能好于高强2# 玻璃纤维筋。
(3)高强４#玻璃纤维筋在σmax/σu＝33.8 ％、R/σu＝7.5％时，进行2684752次疲劳试验后将σmax/σu提高到37.4％，R/σu提高到15％时的疲劳破坏循环次数与直接进行σmax/σu＝37.4％、R/σu=15％时的疲劳破坏循环次数相差不大，说明高强4#玻璃纤维筋在σmax/σu＝33.8％、R/σu=7.5％时疲劳损伤较小。
(4)ＦＲＰ筋的疲劳性能主要取决于Ｒ和σmax。
(5)试验过程中未发现试件发热、发粘现象，可见高频疲劳试验可用于复合材料筋材的疲劳性能测试。
