0 引言

目前新型复合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastics) 筋混凝土结构的相关研究是一个热门研究方向，尤其是FRP筋混凝土梁或板的整体疲劳力学性能研究较多，并取得了丰富的成果^[1-5]。然而，针对FRP筋混凝土界面的疲劳性能研究相对较少，其中Benmokrane等人研究了重复载荷下AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer/Plastics) 筋和CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastics) 筋在水泥浆中的黏结性能，结果表明FRP筋的表面尺寸、水泥浆填充物性能以及锚具套管刚度是影响水泥灌浆锚具拔出性能的重要因素^[6]。Katz将5种不同的FRP筋埋置在混凝土试块中，在疲劳试验机上承受高达45万次的低应力等幅循环，试验结果表明高周循环后的黏结强度出现了不同程度的降低，存在3种不同的破坏机制^[7]。何政等对20个GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastics) 筋标准拔出试件进行了单调静力加载和高应力重复加卸载的黏结性能试验，结果表明重复加卸载下GFRP筋的损伤程度比单调静力加载更为严重，加载历史和损伤累积状态对滑移量、能量耗散和刚度衰减的影响最为明显^[8]。上述文献均为FRP筋在水泥和普通混凝土之间的重复加卸载作用下黏结性能，到目前为止虽然方志等试验研究了CFRP筋在超高性混凝土RPC中的疲劳黏结性能^[9-10]，但是其研究仍存在以下不足：(1) 试验仅做了2组疲劳试验，试件数量极少，缺乏代表性；(2) 试验加载过程中FRP筋轴线偏离钢套筒轴线产生的偏心弯矩，造成黏结式锚具组装件FRP筋疲劳一定次数后表皮开裂破坏，而不是最理想的试验滑移破坏或者拉断疲劳破坏。因此，在此基础上，完善试件制作工艺和试验加载设备等，确保试验过程不偏心，保证试验结果的可靠性，进行不同参数等幅疲劳试验，该试验结果将为FRP筋高性能混凝土结构在土木工程中应用提供可靠的试验数据。

1 试验内容 1.1 疲劳试验加载装置

疲劳试验采用美国某公司土木工程结构试验系统提供的电液伺服万能疲劳试验机。由于CFRP筋黏结式锚具组装件受纯拉力，而疲劳试验机作动器只能产生压力，为此试验专门设置了一个力转换装置用于疲劳试验，如图 1所示。该装置主要由钢动横梁、钢固定横梁及混凝土墩子组成；其传力机理是通过作动器作用于动横梁上的压力而使在固定横梁与动横梁之间的组装件产生拉力。图 2为动横梁和固定横梁的现场照片。

1.2 FRP筋黏结锚固试件

试验FRP筋材为表面压纹的国产CFRP筋，直径10 mm，抗拉强度为2 000 MPa，抗拉弹性模量150 GPa，密度为1.5 g/cm³。套筒壁厚2.5 mm，内径25 mm，外径27.5 mm，套筒设定的黏结长度分别为125 mm和100 mm。两套筒间CFRP筋自由长度均为650 mm。图 3为FRP筋黏结式锚具试件。

套筒内的黏结介质采用活性粉末混凝土Reactive Powder Concrete RPC，其组分之间质量比为m (水泥):m (硅灰):m (石英粉):m (石英砂):m (减水剂)=1:0.25:0.3:1.1:0.025，其中水胶比为0.2。水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥; 减水剂为可溶性树脂型高效减水剂; 石英砂粒径为0.4~0.6 mm。试件成型24 h后，立方体试块拆模，在养护池内 (80±2)℃的热水中养护96 h后冷却至室温。为了测试RPC的抗压强度f_cu，预留了9块边长为100 mm的立方体试块，其抗压强度平均值为80.6 MPa。图 4为RPC试块抗压强度测试。

1.3 疲劳加载过程及其测试内容

试验加载系统为MTS500，波形为正弦波，加载频率5 Hz，采用位移控制模式。CFRP黏结式锚具疲劳试验采取对组装件交替施加静荷载和疲劳荷载，即在施加一定次数的重复荷载后，MTS应进行短暂停机，观察CFRP筋自由段的表皮是否开裂及CFRP筋与RPC滑移情况，再用静载试验来检验组装件在经历一定次数重复荷载后的静力性能变化。图 5为疲劳加载过程曲线。

从图 5可以看出，0~t₁是静载试验的时间，t₁~t₂是静载试验的持续时间，t₂~t₃是将最大荷载降至最小荷载的时间段，t₃之后为疲劳荷载的持续时间。当持续时间为分别达到循环1，5，10，30，60，100，140万次和200万次后，停止疲劳荷载，检查试件外观状态，并直接在疲劳装置上静力加载，采用百分表测试CFRP筋与钢套筒的相对滑移。在动力重复加载过程中，采用动态应变测试系统监测CFRP筋的轴向动应变的变化，采集频率为100 kHz。图 6为疲劳试验过程中动力应变监测。

疲劳试验过程采用等幅疲劳加载，其试验参数包括锚固长度、循环次数、应力水平、应力幅值以及应力比等。其中，锚固长度包括125 mm和100 mm；应力水平在0.41~0.8之间变化；应力幅值包括80，160 MPa以及240 MPa等3种。试验上限应力取不小于CFRP筋黏结式锚具静载承载力的40%，应力幅值不小于80 MPa。疲劳试验荷载加载参数以及对应的试验结果一览表如表 1所示。

1.4 疲劳后静力破坏加载试验

静力破坏加载试验装置，如图 7所示。试验中通过力传感器来控制加载。循环疲劳荷载试验前采用静力加载破坏试验张拉装置分别测试锚固长度125 mm和100 mm的极限承载力。测试时采用分级加载，达到锚固系统循环荷载施加前极限承载力的80%后，持荷2 h后，逐步加载至破坏。

2 疲劳试验结果及其分析 2.1 疲劳寿命试验结果

试验过程中，根据《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》(JGJ85-2010)^[11]和《桥梁缆索用热镀锌钢丝》(GB/T17101-2008)^[12]的要求，即当黏结式锚具经过循环2×10⁶次后仍不破坏，则认为该试件满足规范要求。为了得到更多的试验参数对试验结果的影响，试验将锚固长度100 mm和125 mm不同的试件进行组合，即在同一组试验中得到不同应力水平对试验结果的影响，如表 1所示。从表 1可知，本次疲劳试验共5组，除第2组试件在试验次数1×10⁶次发生疲劳破坏外，其余4组试件的疲劳次数均满足规范要求，没有发生疲劳破坏，其中第1组、第3组以及第4组试件的疲劳次数为2×10⁶次，第5组试件的疲劳次数为4.3×10⁶次。

试验结果表明，当应力幅值为80 MPa时，应力水平最大值为0.8时，其疲劳寿命仅为1×10⁶次，小于2×10⁶次。这主要是由于第2组锚固长度为100 mm的黏结试件应力水平较高，经过一定次数疲劳后产生相对较大的滑移，发生疲劳破坏；虽然同组另一个试件处于较好状态，但其滑移相对较小，导致两侧受力不均衡，钢垫板偏移，试件在作动器的冲击荷载下弯折，最终导致整个疲劳系统试件破坏。试件弯折破坏如图 8所示。

从表 1还可以看出，当应力水平最大达到0.67，应力幅值达到240 MPa，其疲劳寿命不但超过了2×10⁶次，而且超过了4.3×10⁶次，其黏结锚固疲劳性能远远超过规范规定的要求，这说明了CFRP筋与RPC之间的黏结界面具有极其优良的疲劳黏结锚固性能。

2.2 试验参数对荷载滑移曲线的影响

(1) 荷载循环次数对荷载滑移曲线的影响

图 9为荷载循环次数对荷载滑移曲线的影响。从图中可以看出，CFRP筋相对于RPC的滑移量随着荷载的增加而增大；卸载时，CFRP筋滑移量除了部分会回缩一点外其余基本不变，即卸载完成后，CFRP筋的滑移量大部分不能够恢复，这说明了CFRP筋相对于RPC产生的滑移是不能恢复的。当循环到一定次数后，静载试验结果表明随着循环荷载次数的增加，CFRP筋相对于RPC的滑移量最大值是减小的；当循环加载10万次后，CFRP筋相对于RPC的滑移量最大值接近于零。

可见，组装件在等幅疲劳荷载的作用下，组装件之间的相对位置将随循环荷载次数的增加趋于更加稳定的状态，进而可以认为CFRP筋能与RPC在疲劳荷载的作用下良好地黏结工作。

(2) 锚固长度对荷载滑移曲线的影响

在荷载水平和应力幅值相同的条件下，锚固长度对荷载滑移曲线的影响如图 10所示。从图中看出，静载试验中在相同的荷载级下，锚固长度越大，CFRP筋相对于RPC的滑移量越小。试验结果表明，在荷载水平和应力幅值相同的条件下，锚固长度越大，CFRP筋相对于RPC的滑移量越小，增加锚固长度有利于增加CFRP筋与RPC的黏结性能。

(3) 应力水平对荷载滑移曲线的影响

图 11为应力水平对荷载滑移曲线的影响。从图中可以看出，相同的锚固长度和应力幅值下，应力水平为0.6的试件在静载最大荷载级下的滑移量均大于应力水平为0.5和0.41的试件，且这种关系随着循环次数的增加越来越不明显，这主要是由于随着疲劳循环荷载次数的增加，CFRP筋与黏结介质之间的界面黏结越来越紧密，在其应力水平下的荷载滑移量很小，几乎可以忽略不计。对于应力水平为0.5和应力水平为0.41的试件，由于其CFRP筋的滑移量很小，小于0.01 mm，其滑移量几乎可以忽略不计。

(4) 应力幅值对荷载滑移曲线的影响

应力幅值对荷载滑移曲线的影响如图 12所示。从图中可以看出，静载试验中在最大荷载级53.5 kN下，应力幅值越大，CFRP筋相对于RPC的滑移量越大，且随着循环次数的增加而减小。

2.3 试验参数对钢套筒应变的影响

(1) 循环荷载次数对钢套筒应变的影响

循环荷载次数对钢套筒轴向应变荷载曲线的影响如图 13所示，循环荷载次数对钢套筒环向应变荷载曲线的影响如图 14所示。从图中可以看出，在试件荷载作用下，其钢套筒的轴向应变以受压为主，是负值；其钢套筒的环向应变以受拉为主，是正值；当试件在荷载施加初期时，轴向应变和环向应变均变化比较平缓，随着荷载的增加，其轴向应变和环向应变的绝对值近似线性增加；卸载完成后，几乎都恢复到原始状态。对比相同荷载作用下的轴向应变和环向应变，发现钢套筒的应变绝对值随着循环荷载的增加在一定范围内波动，没有规律可循，即循环荷载次数对钢套筒应变影响很小，可以忽略不计。

(2) 锚固长度对钢套筒应变的影响

锚固长度对钢套筒轴向应变荷载曲线的影响如图 15所示，锚固长度对钢套筒环向应变荷载曲线的影响如图 16所示。从图中可以看出，在相同的荷载级下，锚固长度越大，钢套筒的轴向应变和环向应变的绝对值越大。这主要是由于锚固长度越大，在承受相同荷载作用下，黏结锚固试件的黏结滑移越小，根据黏结应力分布规律可知，在钢套筒中间位置处CFRP筋承受的轴向应力越小，从而导致相应的钢套筒轴向应力越大，其环向应力也越大。

(3) 应力水平对钢套筒应变的影响

应力水平对钢套筒轴向应变荷载曲线的影响如图 17所示，应力水平对钢套筒环向应变荷载曲线的影响如图 18所示。从图中可以看出，在相同的锚固长度和应力幅值下，应力水平越大，静载最大荷载级下的钢套筒轴向应变和环向应变绝对值越大，而在每一相同荷载级下应力水平对钢套筒应变的影响没有明显规律可循。

(4) 应力幅值对钢套筒应变的影响

应力幅值对钢套筒轴向应变荷载曲线的影响如图 19所示，应力幅值对钢套筒环向应变荷载曲线的影响如图 20所示。从图中可以看出，在相同的锚固长度和应力水平下，应力幅值越大，最大荷载下的钢套筒轴向应变和环向应变绝对值越小；而在每一相同荷载级下应力幅值越大，钢套筒的轴向应变和环向应变绝对值也越小。应力幅值对钢套筒的应变影响相对于应力水平的影响较大。

2.4 疲劳荷载对CFRP筋最大动应变的影响

疲劳加载过程中CFRP筋的最大轴向动应变值随循环次数的变化曲线如图 21所示。

从图 21可以看出，随着疲劳荷载循环次数的增加，CFRP筋最大轴向动应变值先减小后增大，当疲劳荷载循环次数在30万次之前，轴向动应变最大值先减小；然后在30万次到60万次过程中，轴向应变最大值呈现急剧上升趋势；在大约60万次循环之后，轴向应变最大值缓慢增加。由此说明CFRP筋的抗拉刚度随疲劳荷载循环次数先增大后减小，疲劳荷载循环次数在30万次之前，CFRP筋抗拉刚度是增大的阶段；在30万次到60万次之间，CFRP筋抗拉刚度呈明显下降的阶段；在60万次循环之后，CFRP筋抗拉刚度缓慢减小。CFRP筋抗拉刚度的减小主要是由于CFRP筋在经受疲劳荷载过程中碳纤维材料与基体之间的损伤引起CFRP筋弹性模量的降低所至。另外，图中还能看出，200万次循环荷载后的CFRP筋轴向最大动应变比疲劳前的略大，即CFRP筋抗拉刚度在200万次循环荷载作用后略微降低，但CFRP筋正常使用影响很小。

2.5 疲劳前后极限承载力比较分析

未疲劳和疲劳200万次后的CFRP筋黏结试件静载试验极限承载力，如表 2所示。由表中数据可得，除了BA125-1试件，疲劳200万次后的CFRP筋黏结试件的静载极限承载力均比未进行疲劳试验的试件要大。由此可知，经受疲劳荷载后的组装件极限承载力有所提高，疲劳荷载使CFRP筋与RPC的黏结处于更加稳固的位置，表明CFRP筋与RPC有较好的黏结疲劳性能。

表 2表明，随着锚固长度从100 mm增加到125 mm，其疲劳后承载能力增加的程度在减小，即锚固长度越短，经过疲劳后试件承载能力提高的程度越大。在相同锚固长度和应力水平情况下，应力幅值越大，疲劳后的黏结试件极限承载力提高程度呈减小的趋势，对于锚固长度为125 mm的黏结试件，当应力幅值从80 MPa增加到160 MPa时，承载能力提高比值从17.8%减小到1.9%；对于锚固长度为100 MPa的黏结试件，当应力幅值从80 MPa增加到240 MPa时，承载能力提高比值从51.2%减小到12.5%。

3 结论

(1) 当应力水平最大达到0.67，应力幅值达到240 MPa，CFRP筋在超高性能混凝土中的疲劳黏结寿命不但超过了2×10⁶次，而且还超过了4.3×10⁶次，表明两者之间具有极其优良的疲劳黏结锚固性能。

(2) 组装件在等幅疲劳荷载的作用下，组装件之间的相对位置将随循环荷载次数的增加趋于更加稳定的状态，进而可以认为CFRP筋能与RPC在疲劳荷载的作用下良好地黏结工作。

(3) 在相同的荷载级下，锚固长度越大，CFRP筋相对于RPC的滑移量越小，说明增加锚固长度有利于增加CFRP筋与RPC的黏结性能。

(4) 钢套筒的轴向应变以受压为主，是负值；其钢套筒的环向应变以受拉为主，是正值；当试件在荷载施加初期时，轴向应变和环向应变均变化比较平缓，随着荷载的增加，其轴向应变和环向应变的绝对值近似线性增加；卸载完成后，几乎都恢复到原始状态。

(5) 循环荷载次数对钢套筒应变影响很小，可以忽略不计；在相同的荷载级下，锚固长度越大，钢套筒的应变越大；应力幅值对钢套筒的应变影响相对于应力水平的影响较大。

(6) 经受疲劳荷载后的组装件极限承载力不但没有降低，而且有所提高，疲劳荷载使CFRP筋与RPC的黏结处于更加稳固的状态。结果表明，锚固长度和应力幅值越大，经过疲劳后试件承载能力提高的程度均越小。