1 绪论
1.1 研究背景与意义
钢结构具有材质均匀、轻质高强、塑性和韧性好、可工厂化制造、施工便捷、可回收重复利用、绿色环保等诸多优势，因此被广泛地应用于实际结构中，如钢结构桥梁、钢结构建筑物、塔桅结构、压力容器、输送管道、钢储罐和机械设备等[1-4]。尤其是钢结构桥梁，在服役过程中长期承受繁重的交通荷载和自然环境的腐蚀，加速了材料的老化退化，一方面早期的桥梁设计规范等级较低，使得大量的桥梁提前进入老龄期，这些老龄钢桥大多存在裂纹或者累积损伤，极大的削弱了承载力，对结构的安全使用造成很大的危害性，例如：南京长江三桥、虎门大桥、江阴长江大桥等，这些桥梁的运营年限，远未达到其设计疲劳寿命，疲劳开裂却已十分严重[5]，如图 1.1 所示。另一方面，长时间的暴露在自然环境中，环境介质会对钢桥造成不同程度的腐蚀，进一步加速材料的老化退化，缩短钢桥的使用寿命，甚至会引起严重的经济损失和工程事故，据统计，我国每年由于腐蚀造成的经济损失大约占国民生产总值的 1%~5%，全球每年由于腐蚀造成的经济损失大约在 7000 亿美元[6]；由于钢缆吊杆腐蚀断裂导致桥面垮塌的四川宜宾南门桥，支座腐蚀导致坍塌的 I-35W 密西西比河大桥等[7]，如图 1.2 和 1.3 所示。近年来，我国修建并投入使用的钢桥数量日益增加，未来钢桥运营中不可避免的会出现越来越多的疲劳开裂病害，提出高效经济的加固措施，延长钢桥的使用寿命将成为工程界面临的巨大挑战之一。
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1.2 CFRP 加固钢结构的疲劳性能研究
疲劳破坏是钢结构在循环荷载作用下的主要破坏效模式之一，且为脆性破坏后果较为严重，因此避免钢结构在服役期间发生疲劳破坏非常关键。通过 CFRP 加固来改善钢结构的疲劳性能吸引了许多学者们的注意，也开展了大量的理论分析和试验研究，下文分别对 CFRP 加固钢板结构和 CFRP 加固钢梁的疲劳性能的研究现状进行介绍。
1.2.1 CFRP 加固钢板结构的疲劳性能研究
在 CFRP 加固钢板结构的疲劳性能研究中，国内外常采用的研究对象主要分为两类，一类是 CFRP 加固对接钢板结构，如图 1.4 所示；另一类是 CFRP 加固损伤钢板结构，即在钢板中心处、钢板一侧或者两侧施加损伤缺口，模拟 CFRP 加固开裂钢桥，如图 1.5所示。
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2 加速腐蚀环境下 CFRP-钢界面的疲劳性能试验
2.1 试验材料
试验试件主要由钢板、CFRP、粘结剂和底漆等四部分组成，各部分材料性能都会对加固后试件的腐蚀和疲劳性能产生影响。
（1）钢板
本试验采用的钢材是美国 ASTM A572 Grade 50，钢板的厚度为 9.525mm，宽度为50mm，钢材的弹性模量为 190GPa，屈服强度为 345MPa，极限抗拉强度为 448MPa，材料的详细参数见表 2.1。
（2）CFRP 片
常见的 CFRP 材料有 CFRP 板、CFRP 布以及 CFRP 束编织在一起而成的 CFRP 薄片，如图 2.1 所示。采用 CFRP 板和 CFRP 布加固钢结构时，经常会出现由于粘结剂失效而引起的 CFRP 板或 CFRP 布与钢板发生剥离失效，没有充分发挥 CFRP 的材料性能，
因此本文采用图 2.1（c）所示的直径约为 1mm 的 CFRP 束、整齐排列到需要宽度并用编织线横向固定的 CFRP 薄片。使用 CFRP 薄片的优点是，CFRP 束间存在小间隙允许每根 CFRP 束完全被粘结剂覆盖，充分地和钢板粘结，形成良好的粘结机制，极大地减小了因为粘结不良而导致 CFRP 与钢板存在缺陷引发剥离失效[57-59]。
本试验采用的 CFRP 片的厚度为 1mm，宽度与钢板的宽度相同为 50mm，弹性模量407.83GPa，极限抗拉强度为 1758MPa。材料性能参数通过 MTS810 试验机的材料拉伸试验测得。
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2.2 试验试件
2.2.1 试件设计
近年来，为研究 CFRP 加固方法对提高钢结构疲劳寿命和环境耐久性方面的有效性，学者们开展了大量研究，主要包括：CFRP 加固对接钢板、CFRP 加固含缺陷钢板、CFRP加固含缺陷钢梁以及 CFRP 加固焊接节点[30,33,50,61-63]等。CFRP 加固钢梁主要用于研究弯曲荷载作用下粘结界面的剪切和剥离应力，CFRP 加固缺陷钢板主要用于研究加固后损伤部位裂纹的扩展情况和力学性能，CFRP 加固焊接节点主要用于研究焊接部位处的力学性能，CFRP 加固对接钢板主要用于研究 CFRP-钢界面的粘结性能，而界面粘结性能是影响加固构件力学性能的重要因素，也是整个加固系统里最为薄弱的地方[51]，因此本文选用 CFRP 双面加固对接钢板作为本次试验的试件。
现有的研究中，采用 CFRP 加固对接钢板作为试验试件时，试件的设计和制作主要有等长 CFRP 加固对接钢板和不等长 CFRP 加固对接钢板两种方法[64,65]，如图 2.4 所示。图 2.4（a）中的试件在左右两边钢板上粘结长度相同 CFRP 材料，这类试件制作简单，但试件的破坏位置既有可能发生在左半边一侧，又有可能发生在右半边一侧，又或者同时出现在两边，增加了试验结果的不确定性和观测的难度[66,67]；图 2.4（b）中的试件左右两边钢板上粘结的 CFRP 材料长度分别为 L1和 L2，且 L2>L1，其目的是为了让试件的破坏都发生在粘结长度较小的一边，即 L1一侧，减小试验结果的离散性，便于试验结果的观测和分析。
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3 加速腐蚀环境下 CFRP-钢界面破坏模式及刚度退化规律 ............................ 25
3.1 试验现象及破坏模式 ............................ 25
3.2 刚度退化规律.................................. 34
4 加速腐蚀环境下 CFRP-钢界面的疲劳寿命分析及预测 .......................... 46
4.1 疲劳寿命分析................................... 46
4.1.1 腐蚀时间对疲劳寿命的影响 .................................. 46
4.1.2 CFRP 粘结长度对疲劳寿命的影响 ........................ 48
5 结论与展望 ................................. 55
5.1 结论 ....................................... 55
5.2 展望 .................................. 55
4 加速腐蚀环境下 CFRP-钢界面的疲劳寿命分析及预测
4.1 疲劳寿命分析
根据表 3.1 和表 3.2 可知，试件的疲劳寿命随着破坏模式的不同，表现出了较大的差别，为了进一步研究腐蚀环境下 CFRP 加固钢结构的疲劳性能，将从腐蚀时间和 CFRP粘结长度两个角度出发，分析其对疲劳寿命的影响。
4.1.1 腐蚀时间对疲劳寿命的影响
所有试件在经历加速腐蚀试验后，部分试件因为制作完好，CFRP 与钢板完全粘结而形成了一个有效的整体，试件内部和外边缘没有受到氯化钠溶液的侵蚀，部分试件因为制作中存在轻微缺陷，使得 CFRP 和钢板间没有充分粘结，试件内部或外边缘受到了不同程度的腐蚀，为了更有效地分析腐蚀时间对疲劳寿命的影响规律，将不存在初始缺陷和存在初始缺陷试件的疲劳寿命分别进行研究
（1）无初始缺陷试件的疲劳寿命分析
BL75-O-2 和 BL75-O-3 作为对照组试件没有经历电加速腐蚀试验，BL75-A-2 由于粘结性能较好，在加速腐蚀后，试件内部和外边缘侧没有观察到任何腐蚀产物的形成，因此将它们放在一组来研究的腐蚀时间对疲劳寿命的影响。而 BL75-O-2 由于存在初始缺陷，对试件的疲劳寿命会造成一定的影响，所以在分析时将不考虑该试件，着重分析BL75-O-3 和 BL75-A-2 这两组试件的疲劳寿命。
5 结论与展望
5.1 结论
本文通过试验的方法对腐蚀环境下 CFRP 双面加固钢结构的疲劳性能进行了研究，通过将试件浸泡在 5%的氯化钠溶液中电加速腐蚀 0h、24h、48h 和 72h，来模拟服役环境中钢结构重量损失率达到 5%、10%和 15%时的腐蚀情况，制作了不同 CFRP 粘结长度的试件，来探讨腐蚀时间和 CFRP 粘结长度对试件疲劳性能影响，并得出了以下结论：
（1）加速腐蚀环境下 CFRP-钢界面疲劳破坏模式主要为 CFRP 断裂、CFRP 与粘结剂剥离和钢与粘结剂剥离；当发生 CFRP 断裂或 CFRP 与粘结剂界面剥离时，加固构件的疲劳寿命最高，当发生钢与粘结剂界面剥离时，相应的疲劳寿命较低；加速腐蚀环境中，氯化钠溶液会对 CFRP-钢粘结界面造成锈蚀，降低界面粘结性能，因此在实际工程中应用 CFRP 进行加固时，应尽力确保 CFRP 与钢板完全粘结，达到最佳受力状态。
（2）腐蚀的前 48h 内，疲劳寿命随腐蚀时间增加而快速递减，但是当腐蚀时间从48h 增加到 72h 后，疲劳寿命的衰减速度变缓。由于氯化钠溶液对粘结剂和试件粘结性能的侵蚀是一个缓慢的过程，侵蚀初期，粘结性能劣化较为严重，疲劳寿命下降较快；随着腐蚀时间的增加，粘结剂和试件的粘结性能又重新趋于稳定，试件二次固化，疲劳寿命下降较缓。采用 125mm 的 CFRP 加固钢结构时，可以将疲劳寿命提高的 75mm 的4.8 倍以上。
（3）对照试件刚度衰减到 97%时，裂纹才开始出现并逐渐缓慢扩展，当刚度衰减到92.5%时，最终破坏；腐蚀 24h 后，试件的刚度衰减到 96%时，裂纹开始出现，当刚度衰减到 90.5%时，最终破坏；腐蚀 48h 后，刚度下降到 88.94%时，试件最终破坏；腐蚀 72h后，刚度衰减到 87.57%时，试件最终破坏。腐蚀时间越长，最终破坏时试件的刚度退化越剧烈，而 CFRP 的粘结长度对试件的刚度退化影响较小，可以忽略不计。
（4）通过理论推导与实验研究相结合的方法，对氯化钠腐蚀环境下 CFRP 双面加固钢结构的疲劳方程进行了推导，并依据本次试验的数据和相关文献的实验数据，求出了考虑腐蚀时间和 CFRP 粘结长度的疲劳寿命表达式。初步验证的结果表明，利用该环境疲劳方程可方便地、比较准确地预测在相同环境下 CFRP 加固钢结构的疲劳寿命。
参考文献（略）