碳纤维布加固混凝土桥梁疲劳寿命的研究与探讨

摘要： 碳纤维加固混凝土结构是一种高效、具有广阔应用前景的加固技术，涉及到材料学、力学、结构工程等多个领域的知识。本文结合京台高速桥梁维修加固实例，单从力学方面探讨复合材料抗疲劳使用寿命的分析方法。

关键词： 复合材料 碳纤维 混凝土结构加固 疲劳寿命

Abstract: carbon fiber reinforcement concrete structure is a kind of high efficient, has broad application prospects of the reinforcement technology, relates to material science, mechanics, structural engineering and other fields of knowledge. This paper combines Beijing high-speed bridge repair and reinforcement example, single from the mechanics of composite material fatigue life analysis method.

Key words: composite material of carbon fiber reinforced concrete structure fatigue life

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

在对济广高速高架桥的检测中发现该桥存在较多病害，上部结构梁底出现了较多裂缝。经山东省交通规划设计院、山东高速检测咨询中心等有关部门现场查看，确定对预应力混凝土连续板、钢筋混凝土连续刚构、预应力混凝土等截面连续刚构出现的裂缝进行封闭处理并粘贴碳纤维，提高其抗弯承载力。

1 碳纤维材料在桥梁加固中的应用

对于混凝土桥梁的抗弯加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘贴钢板加固、体外预应力加固、粘贴纤维复合材料加固等。这些加固方法各有优点，同时也有不足之处。加大截面加固能有效提高结构的刚度和承载力，但施工周期长，增加结构自重，减小桥下使用空间；粘贴钢板加固对结构刚度提高明显，但钢板具有容易腐蚀耐久性差的缺点，且使用的结构胶往往因老化产生粘结破坏；体外预应力加固对刚度和承载能力提高明显，但锚固端受力很大不容易控制，且施工繁琐，加固成本较高。粘贴纤维复合材料加固，即采用粘结剂将碳纤维片材附着于结构损伤的表面，使一部分荷载透过胶层传递到碳纤维片材上，从而降低受损结构处的应力作用，进而控制裂纹扩展速率以达到制止裂缝扩展的作用，最终使结构使用周期得以延续。纤维材料由于自重轻，抗拉强度高，抗腐蚀能力强，提高最大承载力明显，但对刚度提高不大。

在粘贴钢板和粘贴碳纤维布桥梁加固中，我们通过对碳纤维复合材料和钢筋进行比较可看出两者的优劣。碳纤维复合材料初始缺陷损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断开、基体开裂、纤维与基体脱胶、层间局部脱离等，但疲劳寿命比金属长，同时碳纤维复合材料疲劳损伤是累积的，而且有明显的征兆，金属材料损伤累积是隐蔽的，破坏有突发性。金属材料在交变载荷作用下往往出现一条疲劳主裂纹，它控制最后的疲劳破坏。而碳纤维复合材料往往在高应力区出现较大范围的损伤，疲劳破坏很少由单一的裂纹控制。总的来说，碳纤维复合材料抗疲劳破坏的性能比金属材料好很多。

2 疲劳特性

2.1碳纤维布加固混凝土梁后，在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够明显降低加固梁中的箍筋应变。对于完好加固梁，粘贴碳纤维布后，箍筋应变减少达到40%-50%；对于损伤的加固梁，箍筋应变减少达到20%-40%。

2.2随着疲劳次数的增加，碳纤维应变不断增大，且单纤维布用量越大，其应变越小。粘贴40mm碳纤维布加固梁相对于粘贴20mm碳纤维布加固梁，碳纤维应变减少10%-40%。

2.3碳纤维和箍筋应变均在疲劳前10万次增长较快，几乎达到应变的70%-90%，其后增长趋于稳定，这与疲劳损伤的一般规律是一致的。

2.4在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够限制斜裂缝的发展，增强结构疲劳抗剪能力。

2.5碳纤维布加固钢筋混凝土梁后，在受荷过程中相互作用，各材料应力相互调整，各材料相互作用和应力的相互调整将直接影响碳纤维布在不同受荷阶段的发挥水平。

3 碳纤维疲劳损伤机理

单向复合材料正铀拉伸疲劳时，基体内首先形成横向裂纹，当局部纤维断裂时形成裂纹扩展、界面脱胶、由纤维损伤引起基体裂纹增长和纤维桥联．也可形成它们的组合情况。图1和图2分别表示单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤和纤维损伤的几种型式。单向复合材料正轴拉—拉疲劳纤维断裂的情况如图3所示。

图1单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤

（a）分散裂纹限于基体内 （b）局部纤维断裂，裂纹扩展，界面破坏

图2单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维损伤

（a）纤维断裂引起界面脱胶（b）纤维断裂引起基体裂纹增加

（c）纤维桥联基体裂纹

图3单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维断裂

4碳纤维疲劳寿命预测

疲劳寿命预测有三种理论模型：

4.1疲劳裂纹扩展速率线弹性断裂力学认为决定疲劳裂纹扩展的是应力强度因子的幅值 ，Paris由此得出下列公式

其中 为疲分裂纹扩展速率，C为材料常数，n为扩展指数。

此公式是针对金属材料疲劳裂纹扩展的，它对复合材料基体(树脂等)和短纤维复合材料也适用，但是对于其它连续纤维增强复合材料．预制了裂纹的试件在疲劳过程中并不以主裂纹扩展而是以损伤区扩展而发生破坏。对于无预制裂纹的试件更是以损伤形式扩展，因此，用疲劳裂纹扩展的方法预估寿命是困难的。

4.2 累积损伤理论Miner从数学上定义，材料在应力水平 下的疲劳寿命为Ｎ周，当在此应力水平下受载n周时，材料损伤为D=n/N,显然 时材料破坏。在变化幅值应力作用下，Miner的线性累积损伤理沦认为，当

时材料发生破坏，式中表示在第i个应力水平 作用的应力循环周数， 为该应力水平下疲劳寿命周数， 表示对整个过程中所有 水平对应的周数求和。如已经测得材料的S-N曲线以及载荷谱，则可预测何时发生破坏。某些实验表明复合材料不完全遵守这一规律，当应力由低变到高时， 往往小于1；而应力由高变低时， 常在大于1时发生破坏，因此有人提出非线性累积损伤理论， 等加以修正。

4.3 剩余强度理论由式 可知，材料损伤随疲劳周数增加而发展，材料内在缺陷发展而破坏，它取决于载荷和环境等外因。此外，结构破坏的临界荷载随裂纹长度和损伤D增大而降低。剩余强度理论认为:在外在交变载荷作用下由于损伤D增大,材料强度由其静强度R(0)下降到剩余强度R(n),一旦外加载荷峰值 达到R(n)，材料便发生破坏。利用此理论预测疲劳寿命，还需了解损伤D的演变规律及剩余强度与损伤的关系，目前这一理论尚在进—步研究中。

总之由于复合材料的复杂性和性能的分散性，其疲劳问题受多种因素影响也非常复杂，本文列出的计算分析方法还有待实践修正，需继续总结研究。

参考：1、《混凝土加固设计规范》GB50367-2006

2、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》【S】CECS146：2003

3、《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》【S】DJ/TJ08-012-2002

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。