腐蚀对桥梁、海洋工程或沿海岸结构的耐久性影响巨大。在氯离子的侵蚀下，钢筋表面碱性保护膜逐渐破坏，钢筋开始生锈。钢筋腐蚀造成混凝土保护层剥落，腐蚀将会进一步加剧。
    另外，桥梁、海洋平台等结构由于长期承受反复动载作用，会对钢筋造成疲劳损伤。当钢筋腐蚀与疲劳损伤耦合后，梁的使用寿命大幅下降。工程师面临着科学评估在腐蚀环境下承受疲劳损伤结构的寿命及选用合理加固方式的问题。
    FRP是加固钢筋混凝土结构的选材料之一，具有高强度重量比、高耐久性、方便施工、高抗疲劳性能等优点。有许多人研究了FRP加固未腐蚀混凝土梁的性能^[1~5]，由于疲劳试验费用昂贵，目前关于FRP加固腐蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的报导很少。2005年，作者研究了芳纶纤维布(AFRP)加固钢筋混凝土梁的疲劳性能^[1]。结果表明，AFRP加固混凝土梁，使其寿命明显延长。本文详细报道了文献[2]中关于纤维片材加固腐蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的研究成果，为加固维修已腐蚀受损伤桥梁等结构提供了试验数据，具有重要的参考价值。本文对部分腐蚀梁加固后直接进行疲劳试验，部分腐蚀梁加固后再进行二次腐蚀，与一次腐蚀到同一腐蚀率梁的疲劳寿命进行比较，以研究FRP的防腐作用。试件为足尺寸，腐蚀程度分轻、中和重度三种^[2]。
1 试验研究
    10根152×254×3200mm的RC梁。试件分为四组：组为一根未腐蚀未加固标准梁；第二组为未加固的腐蚀梁,三个梁腐蚀程度不同(轻,中,重)。当钢筋质量损失为5％、10%、15％时，分别称为轻、中、重度腐蚀；第三组为2个试件，腐蚀至质量损失为5%(轻度腐蚀),然后用FRP布加固,两种加固方式,I和Ⅱ型,I型为U型加固,II型为抗弯加固；第四组研究FRP加固梁再次腐蚀后的性能，4个试件腐蚀至纵筋质量损失至5%，然后加固。其中2个试件再次腐蚀至中度，2个试件腐蚀至重度。试件情况见下表1。

      
1.1 试件情况
    试件截面尺寸152×254mm，长3200mm，纵筋由2根Ⅲ级钢筋(直径16mm)，混凝土保护层33mm，2根直径8mm的架立筋。箍筋为直径8mm的光面筋，在剪弯段间距88mm，纯弯段333mm，其保护层厚度25mm。
    对钢筋混凝土梁采用加速腐蚀方法。用一根直径16mm不锈钢作阴极，置于梁底88mm处，只让纯弯段的纵筋腐蚀，这样模拟工程中使梁沿长方向非均匀腐蚀的情况。腐蚀使纯弯段内纵筋疲劳应力幅增大，对疲劳不利。
    为使腐蚀发生在纯弯段，将重量为水泥2.15％的盐拌于长1400mm、高100mm纯弯段混凝土中，其余部分不放盐。
    为防止让腐蚀纯弯段与不让腐蚀的剪切段相交处纵筋发生断裂破坏，放2根8mm光面钢筋，长320mm，紧靠纵筋。所放置的2根8mm钢筋面积为原纵筋面积的25%(大于质量损失15％)。
    在箍筋表面涂防腐涂料，使其与纵筋隔离，防止电流通过而腐蚀。[-page-]
1.2 材料性能
    放盐与不放盐混凝土28d时平均抗压强度为37MPa，抗拉强度为3.3MPa。Ⅲ级钢筋的屈服强度和极限强度分别为440MPa和585MPa，光面钢筋的屈服强度和极限强度分别为340MPa和500MPa。
1.3 加速腐蚀
    为使混凝土梁在短时间内腐蚀，采用加速腐蚀方式。给纵筋通电使其加速腐蚀，电流强度O140μA/cm，用通过钢筋的电流强度除表面积求得。用大尺寸的容器放置试件，腐蚀过程中，试件处于湿气环境，并用干湿循环(湿2.5d,干燥1d)，对试件提供氧和水分。
1.4 FRP的加固方式
    两种加固方式。第I种，用GFRP布U型包裹；第Ⅱ种，受拉区用CFRP纵向加固，并用GFRP布U型包裹梁。 FRP力学性能指标列于表2中。

         
    由于梁腐蚀至5%时，混凝土梁表面有宽1mm的纵向裂缝，应对此梁裂缝进行密封处理，用胶等材料对纵向裂缝进行密封，防止水份进入。图1和图2分别为FRP加固方案I和方案II示意图。

           
1.5 疲劳加载试验
    希望梁为纵筋疲劳断裂，为使混凝土梁在有限寿命下破坏，使用了较高的疲劳加载。疲劳大、小荷载分别为54kN和6kN。加载上限为标准梁极限承载力的85%。在控制梁中产生名义大、小拉应力分别为363MPa和40MPa，应力比为0.11。
    疲劳加载平均值为30kN，正弦波加载，加载幅为48kN。频率为1.7Hz，该频率模拟桥梁动载情况。
    梁跨度为3m，四点疲劳加载，加载点到支座距离为1m。疲劳加载时应防止发生在加载平面外的振动。
1.6 钢筋质量损失的测量
    采用ASTM(2002)G1-90方式，以测定钢筋腐蚀量，计算腐蚀率。[-page-]
2 试验结果
2.1 质量损失
    对于未加固梁纵筋损失率分别为5.5%、9.2%和12.5%，分别为轻、中和重度腐蚀。对于FRP加固梁，其质量损失率分别为5.5%、9.0%和10.5％，它们比未加固减少约16%。这种减少是由于FRP阻止水分扩散和氧气进入混凝土中，即FRP降低了钢筋腐蚀速率，对钢筋具有防腐保护效用。
2.2 疲劳试件破坏形态
    所有疲劳试验梁破坏均是由于纵筋断裂引起的。对Ⅱ型抗弯加固梁，当梁中纵筋断裂后，出现FRP布突然破坏。由于纵筋疲劳断裂后，原纵筋承担的拉力全部传给了FRP，引起FRP突然破坏。Ⅱ型抗弯加固梁破坏模式仍为弯曲疲劳破坏。由于混凝土梁为纵筋疲劳断裂破坏，腐蚀使纵筋疲劳寿命明显减少。
    表3列出了疲劳寿命，在疲劳开始、结束时挠度和混凝土受压边缘压应变值。

    
2.3 腐蚀率对疲劳性能的影响
    图3所示为疲劳寿命与质量损失率的关系，反映了腐蚀率对疲劳寿命的影响规律。由图3可以看出，轻度腐蚀会造成明显的疲劳寿命降低。抗弯加固对疲劳寿命的提高幅度比U型加固显著许多。

              
    对于腐蚀未加固梁，轻、中和重度腐蚀，疲劳寿命比未腐蚀梁分别下降67％、75％和78%，对于质量损失为5.5%的轻度腐蚀，疲劳寿命就有明显下降。但进一步腐蚀对寿命的影响不再显著。[-page-] 
    如图4所示，对于5.5%的质量损失，可看到在纵向肋处有坑，增大了应力集中。蚀坑造成了疲劳寿命明显下降。对于中度腐蚀，腐蚀坑深度不再明显增大，应力集中程度不再明显加剧，因而疲劳寿命稍有下降，可能是钢筋面积降低引起的。对于腐蚀梁用FRP布U型加固，比未加固梁疲劳寿命增大8％。对于质量损失5.5%的抗弯加固混凝土梁,其疲劳寿命比其未加固梁提高110%,这是由于梁底受拉区表面粘切FRP布,降低了纵筋中的应力幅，延长了梁的疲劳寿命。对于抗弯加固，中度腐蚀，用FRP加固后疲劳寿命比其未加固梁延长152%；重度腐蚀，疲劳寿命延长188％。

       
3 疲劳寿命的比较与分析
    笔者对芳纶布预应力和非预应力加固混凝土梁的疲劳寿命进行了试验研究^[1]。非预应力AFRP布加固梁的梁端粘贴两道100mm宽的AFRP布U形箍，间距为100mm，层数为1层，以防止纵向AFRP布在梁端发生早期脱粘破坏。预应力布加固梁的工艺为先在布的两端安装锚具,在梁上安装永久固定支架,然后打磨梁底混凝土、涂刷底胶，底胶硬化后将布固定端锚具与梁上的固定支架连接,在梁底涂刷粘结胶,将布的张拉端锚具安装到固定支架上，以梁上固定支架为反力架对布进行张拉，达到张拉控制应力后将张拉端锚具固定在支架上，在布外侧再次涂刷树脂胶，使布与混凝土充分粘结，后进行粘结胶养护。试验梁的编号及预应力水平见表4。表中PSB45-2的“-2”指第2根梁。

      
    疲劳加载大值P^f_max为标准梁极限承载力70%，加载频率为4.6Hz，梁疲劳寿命的实测值列于表4。
    由表4可见，在相同疲劳荷载下，预应力比非预应力加固梁的疲劳寿命明显提高，且随预应力水平提高，疲劳寿命提高。与非预应力梁疲劳寿命相比较，试件PSB45预应力水平为45%，平均疲劳寿命提高33%；预应力水平为55%时，疲劳寿命提高63%；预应力水平为65%时，疲劳寿命提高74%。这主要是由于预应力FRP减低了纵筋中疲劳应力幅，提高了梁抗弯刚度。相同疲劳荷载下，预应力水平越高，纵筋应力幅值越小。
    比较表3和表4可以看出，未腐蚀梁的疲劳寿命明显高于腐蚀梁。表4中预应力加固梁的疲劳寿命大于200万次,而表3中的CFRP加固腐蚀梁(11-RⅡ)的疲劳寿命只有23万次,明显低于预应力加固未腐蚀梁PSB45或PSB65梁。
4 结论
    (1)当轻度腐蚀引发蚀坑后，将引起RC梁疲劳寿命显著下降，但进一步腐蚀对疲劳寿命的影响不再显著；
    (2)无论腐蚀程度如何，I型(U型包裹)加固梁对梁疲劳寿命的改善效果不明显；
    (3)CFRP抗弯加固腐蚀梁的疲劳寿命是其未加固梁的2.5倍。采用抗弯加固方式,减少了纵筋中疲劳应力幅，疲劳寿命比未加固梁明显延长；
    (4)预应力FRP布加固混凝土梁的疲劳寿命比非预应力加固梁明显提高，预应力水平越大，疲劳寿命越长。
                    参考文献
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