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Abstract
Keywords
摘要
关键词
1 FRP材料疲劳性能研究概述
2 FRP材料疲劳失效模式与失效标准
3 FRP片材
4 FRP筋材
5结论
参考文献
Abstract:The performance of FRP materials under cyclic loading has always been the weak point of associatestudy.In this passage,FRP fatigue failure mode and energy-based fatigue failure criteria were depicted withthe guidance of studies from abroad.The fatigue failure analysis of FRP laminates was also presentedaccording to the critical plane concept and failure criteria theory based on energy,while the fatigue life waspredicted.Of the FRP rods,this passage interpreted the prominent factor of stress level,mean stress,temperature,load frequency,wrapping of helical fibres which have effect on fatigue performances of FRP bars.
Keywords:FRP;fatigue;energy;civil engineering
[摘要]FRP材料的疲劳性能一直是对该材料研究的薄弱点。综合国外的研究成果,简述与分析了FRP材料的疲劳失效模式、基于能量的疲劳失效准则。同时,对FRP片材根据临界面概念和能量理论进行了代写工程论文疲劳失效分析,并阐述了疲劳寿命的预测方法;对FRP筋材的疲劳性能,根据相关试验结果,分析了应力水平、平均应力、温度、加载频率、缠绕丝形式等对FRP筋材疲劳性能有影响的主要因素。
[关键词]FRP;疲劳;能量;土木工程
1 FRP材料疲劳性能研究概述
土木工程领域正对采用先进的高性能材料以减少建筑物的全寿命消耗费用(overall life-cycle cost)表现出极大的兴趣。钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构中的钢材普遍存在较严重的腐蚀现象,因此工程界与科学研究机构正积极寻找这个问题的替代解决方法,例如环氧涂层、阴极保护、以及聚合物混凝土等。然而这些方法在侵蚀性较强的环境中并不总是有效的。其中最有效的解决办法就是采用非金属材料作为加强材料。高性能FRP(Fiber-reinforced-polymer)材料相对于钢材有很大优点,除抗腐蚀外,还有强度高、重量轻、不受电场与磁场影响等特点。
FRP材料具有很多其他材料无法替代的功能,正日益受到工程界的重视。原先主要是用于航空、航天、航海等领域,无论是材料的静力性能,还是动力性能都已经有了很多的研究成果。但是土木工程与航空、航天、航海领域的应用状况有很大不同。首先是材料受力状态不同;其次是材料应用环境也有不同。
FRP疲劳性能的主要影响因素有:(1)构成材料以及它们的特性,例如纤维和树脂的种类、以及两者间的界面;(2)构造形式与几何特征;(3)实验参数与环境条件。
虽然FRP增强混凝土构件的受力性能、FRP与混凝土的粘结性能、以及FRP复合材料短期特性都已经有大量的研究成果,但是对FRP材料工作状态下的长期耐久性能的研究还很少。特别是疲劳性能,更是桥面板、停车库、海洋平台、以及其他受循环荷载作用的结构设计中必须考虑的重要因素。
2 FRP材料疲劳失效模式与失效标准
2.1疲劳失效模式
目前,国外关于FRP材料在土木工程中的应用的研究已经初具规模,但是疲劳问题还尚处于起步阶段。对于在循环荷载下工作的FRP复合材料来说,疲劳是一种重要的极限状态,所以无论是承载力的下降,还是弹性模量的下降都应该得到重视和研究。此处的失效概念指的是材料部分已经不能起到其原先所设计的作用。这种定义不仅指材料断裂,而且包括层间剥离、锚固失效、变形过大等。
弹性模量的下降也是FRP材料的一种失效模式。C.E.Demers[1]研究了在不考虑环境因素时轴向受拉循环荷载下的E-glass FRP复合材料的疲劳模量降低问题,实验采用不大于5Hz的频率加载方式以减小内部温度升高造成的承载力和刚度的下降。结果显示,定义材料破坏的标准化模量下降比率与最大拉应力σmax、最小拉应力σmin相对于静态模量拐点应力(static knee point stress)σknee的分布有关。C.E.De-mers[1]对E-glass FRP材料所做试验研究结果见表1。
2.2基于能量的疲劳失效准则
在这种疲劳失效准则中,应力与应变都被考虑进去,两者之乘积表示能量。可以通过测量与计算滞回环曲线来计算能量损耗。当一个材料被施加外荷载后,施加的能量被摩擦力与内阻尼消耗,还有一部分以弹性应变能的形式储存在材料内。而损伤正是由那部分存储能量中不可恢复的部分造成的,并且损伤有可能与应变能施加的频率有关。每种材料都有确定的承受损伤的能力,失效正是损伤积累的结果。假定损伤与施加能量成正比,材料内产生的损伤可以根据一个函数关系由输入的能量求得。这样的一种准则不依赖于不同的复合材料中的失效模式,所以在使用时不考虑具体失效结构机理。
Garud[2]提出一种考虑垂直和剪切应力反应(不考虑平均应力影响)的方法,从而把每次荷载循环的弹性功与疲劳寿命联系起来。El Kadi等[3]提出了一种考虑平均应力影响的单向复合材料疲劳失效标准。通过把最大静应变能密度应用于这种标准,纤维受力角度的影响间接的被考虑进去,而纤维开裂平面没有被考虑进去。
3 FRP片材
J.Petermann等[4]的分析仅针对FRP单向片材进行,根据简单的弹性力学分析与有限元计算、总结出一套结合有限实验数据预测同类各种加载角度下单向片材疲劳寿命分析的方法。
3.1临界面概念
疲劳开裂往往从平面产生并沿平面发展,这就是临界面,见图1。考虑平均应力的作用以及表达形式上的统一,Galinka[5]提出了疲劳参数来表示作用在临界面上的应力分量所产生的应变能密度:
3.2 FRP片材疲劳失效临界面分析
当一条裂缝形成时,其尖端有两种位移分量:一种在2-方向垂直纤维的模式,以及一个在1-方向平行于纤维的滑移模式,从而构成一种复合模式的裂缝增长。对于一个只承受受拉循环应力并主要表现为线弹性的立方体单元来说,应力比R可以表示成最小应力与最大应力之比。由应力垂直分量产生的应变能密度为:
选择这种疲劳参数的优点在于:a)不仅考虑了应力和应变,而且考虑了能量;b)考虑了平均应力;c)通过比例因子考虑了应力比。
3.3疲劳寿命预测
对片材横断面进行有限元分析,采用平面应变状态假设,根据对称性原理对纤维横断面及相临基材区域取1/4作为简化单元,施加荷载为沿2-方向均布剪应力、1-方向均布垂直应力,可知:在基材内部紧邻纤维/基材界面处,垂直应力和剪应力的综合作用最大。通过有限元分析的得出微应力,进而得出微应变,由式(4)可得W*。因为logW*~log(Nf)
呈直线表示,即W*=10β(Nf)α=K(Nf)α(6)
常量K表示循环疲劳的最大应变能密度(Nf>1);α,β可由一组材料试验数据得出。由此可以得出任意荷载角度,任意应力比情况下的寿命(循环次数)Nf。
4 FRP筋材
4.1筋材疲劳实验
FRP筋材的疲劳试验可以采用多种方式,包括对处于各种锚固构造下的棒材进行的直接试验,也可以对采用FRP作为加强材料的混凝土梁进行各种性能试验。在前一种情况下遇到的主要是筋材的粘结锚固问题。虽然现有的FRP筋材锚固构造在受拉静力性能试验时表现非常好,但是在循环荷载下并非同样有效。失效通常发生在锚固区,从而导致筋材的过早破坏。另外,试验环境也与工作环境有很大不同,筋材在工作时往往与混凝土紧密接触。混凝土可能会影响FRP筋材的疲劳性能,因为混凝土内部环境较粗糙,而且筋材与混凝土之间的摩擦会导致筋材的刮伤。
M.Reda Adimi等[6]采用了新方法测量FRP筋材的疲劳性能。FRP筋被包裹在3段混凝土内,两端的混凝土作为粘结锚固,中间的一段混凝土模拟FRP在混凝土中的工作状态。实验证明:FRP筋材的循环受拉性能有很大潜力。
4.2应力水平的影响
M.Reda Adimi等[6]的实验数据结果显示,循环次数的对数值随最大应力的降低而线形增长,即:σmax=A•NB或logσmax=C+B•logN其中σmax为最大受拉应力(MPa),N为失效时的循环次数;A、B、C为与材料性能和实验条件有关的常数:A为一次循环时的等效疲劳承载力(疲劳承载力系数fatigue strength coefficient),B为表示每10次循环时的承载力损失的一个常数(疲劳承载力指数fatigue strengthexponent),C=logA。
4.3平均应力的影响
平均应力影响通常由不同应力比R(最小应力/最大应力)下的疲劳试验来进行研究。在普通加强混凝土中,CFRP加强结构筋材的应力比为由静载产生的应力除以静载、动载共同作用产生的应力,其值通常为0.1。在预应力混凝土结构中,最小应力为由静载和预应力共同产生的应力,最大应力为静载、动载、预应力共同产生的应力,两者比值通常大于0.9。在这种情况下,应力幅度很小,对CFRP来说,不超过筋材极限受拉承载力(Ultimate Tensile Strength,简称UTS)的5%。
M.Reda Adimi等[6]的试验中,CFRP筋材应力比定为0.1以决定不同应力水平下的影响。另外,对应力比为0.9的CFRP筋做了两组试验,应力水平分别为50%～55%UTS和60%～66%UTS。还有一组试验中,应力比为0.93,应力水平设为70%～75%UTS。所有试样均经历400万次循环后没有疲劳失效。随后对这些试样做静力试验以确定其剩余受拉承载力(Residential Tensile Strength,简称RTS),发现没有明显的承载力损失,RTS通常为95%到100%的UTS。
4.4温度的影响
M.Reda Adimi等[6]的疲劳试验在不同的温度下进行时,每个样本在恒温箱内放置24小时,温度缓慢上升以确保温度分布较均匀。试验分别在40、60以及室温21进行,筋材应力为5%～45%UTS,实验频率取2Hz以减少试验样本循环加载时的温度升高。初始加载阶段温度迅速上升并趋于一个常量温度,接近失效时温度会再次迅速上升。在实验情况下,最大表面温度上升幅度不超过10,通常认为不会影响材料成分的在室温时的试验力学特性。然而,在最后的疲劳失效阶段,温度差显著增加。在失效时,筋材的表面温度,对室温样本大约为30,对40样本为55,对60样本为100。同时,随温度上升,疲劳寿命下降。40的疲劳寿命比60的长1.5倍,但是比室温时的1/10还短。由图3可见,从室温到40疲劳寿命有显著的降低,而从40到60的降低量变小了。
4.5加载频率的影响
循环频率的上升造成试验样本的局部升温与接近失效时表面温度的显著上升。在高循环速率下生成的能量使基材硬化甚至融化,造成材料局部破坏,进而引起过早失效。能量的一部分以热能的形式散失,其余的被材料吸收以升高温度,从而降低性能并缩短寿命。
M.Reda Adimi等[8]的疲劳试验中,0.5Hz的频率下没有明显的温度上升,2Hz时温度保持在25左右,4Hz和6Hz时分别为32和44。8Hz时温度持续上升直至材料破坏。
由图4可见,疲劳寿命的对数值随频率的上升而呈线形下降。在相同的应力水平下,频率为0.5Hz下的疲劳寿命大于400万次循环。8Hz时为5 359次循环,小于0.5Hz下的循环次数的1/80。实际应用中的循环荷载频率基本上不会超过1Hz。
4.6缠绕丝形式的影响
Amnon Katz[7]的研究表明:由于核心区筋材的泊松效应影响,螺旋丝会随着纵向核心筋材的变形而变长或缩短。这样就形成垂直核心筋材外表面的压力或拉力,进而导致筋材在承受轴向循环荷载的同时,外表面承受垂直循环荷载。这样会造成筋材在循环荷载下的过早破坏。
令k=a/D(a,D见图5),此处k表示缠绕丝的疏密程度,则:k=π!ν时为临界状态(ν为材料泊松比),此时螺旋丝在疲劳荷载下对轴向核心纤维不构成垂直应力,在这种情况下筋材有最好的耐疲劳性能。
5结论
(1)由于各行业领域的特点不同,土木工程中应用的FRP材料的疲劳性能与其他领域有很大差别,分析要考虑多种因素,包括材料本身的特性、几何构造特征、及环境因素等。
(2)FRP片材的破坏与荷载角度和循环比例系数有紧密关系,可以通过简单的材料实验测出一组数据后推出各种荷载角度与循环比例系数情况下的疲劳寿命。
(3)FRP筋材的疲劳失效受应力水平、平均应力、温度、加载频率、缠绕丝形式影响,要综合考虑各影响因素之间的相互关系,才能得出正确的分析结果。
(4)FRP材料在土木工程应用中的疲劳性能还应该进行更多的理论与实验研究,并在工程应用中积累经验,才能更好的发挥FRP材料的优势,推广这种新材料的应用范围。
参考文献
[1]C.E.Demers.Construction and Building Material,Vol.12,No.1.1998:51-58
[2]Garud YS.A new approach to the evaluation of fatigueunder multiaxial loadings.Journal of Engineering Materials andTechnology 1981;103:1118–215.
[3]El Kadi H,Ellyin F.Effect of stress ratio on the fatigue ofunidirectional glass/epoxy composite laminates.Composites1994;10:1–8.
[4]J.Petermann.A.Plumtree,A unified fatigue failure crite-ria for unidirectional laminates,ELSEVIER,Composites PartA:applied science and manufacturing,2001,107-118
[5]Glinka G,Shen G,Plumtree A.A multiaxial fatigue strainenergy density parameter related to the critical fracture plane.Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures1995;18(1):37–46.
[6]M.Reda Adimi.A.Habib Rahman,and Brahim Ben-mokrane,Member,ASCE,Journal of composite for construc-tion,November 2000:206-213
[7]Amnion Katz.effect of helical wrapping on fatigue resis-tance of GFRP,Journal of composites for construction,August1998:121-125