【摘要】FRP加固桥梁结构在疲劳载荷作用下由于界面的剥离导致构件失效是其疲劳破坏的主要模式。本文基于界面裂纹的特点、以及界面裂纹附近区域的剪应力表达式，推导出FRP加固RC构件界面裂纹应力强度因子。通过疲劳试验，探讨加固梁的界面裂纹扩展规律，并得到界面裂纹扩展速率的半经验公式。
【关键词】界面裂纹；应力强度因子；断裂；FRP
1引言
FRP作为结构工程新型实用的加固材料近年来得到广泛的应用，同时其疲劳耐久性能也日益引起人们的关注[1-4]。在疲劳载荷的作用下，FRP加固RC构件的界面剥离是其主要的破坏模式。在跨中集中载荷的作用下，在跨中出现一条弯曲主裂纹，而主裂纹的根部FRP板拉应力最大，需要通过界面向裂纹附近的混凝土传递，当弯曲主裂纹处的剪应力达到临界值时，毗邻粘结界面的混凝土中将出现一条水平裂纹，从主裂纹向FRP板的一端扩展。
本文在推导界面应力强度因子的基础上，通过疲劳试验探讨界面裂纹扩展规律。
2 界面应力强度因子的计算方法
FRP加固RC构件主要由三部分组成，钢筋混凝土梁、粘结层和碳纤维薄板。图1为加固梁微段受力简图。图1中：M1、Q1和N1为钢筋混凝土梁截面上的弯矩、剪力和轴力，τ（x）为界面层的剪力，σ（x）为界面层的正应力，Mf、Qf、Nf分别为碳纤维薄板上的弯矩、剪力和轴力。
式中：，由于碳纤维薄板的抗剪刚度相对较小，可以认为所有剪力都由混凝土承担，因此Q1=Q。当已知载荷作用下的剪力，即可根据上述各式计算得到相应的剪应力。对于三点弯曲梁，其剪力为：Q=P/2。
通过此前的FRP加固RC构件的疲劳试验可以知道[4]，加固梁的界面裂纹是由于I型裂纹的根部向左右方向扩展而形成，而I型裂纹的分布在全梁分别较为均匀，因此，加固梁界面裂纹的应力强度因子应以周期裂纹计算。
3 界面裂纹扩展规律
为了探讨加固梁在疲劳载荷下的界面裂纹扩展规律，对编号为CGT-1、CGT-2、CGT-3的试件跨中左右15cm范围内的所出现界面裂纹都做了记录并持续观测其在整个疲劳加载过程中的长度变化与循环次数的关系。
实验中可以观察到，当疲劳荷载较大时，构件在少数的几个循环内将出现疲劳主裂纹，而疲劳主裂纹根部与梁纵向水平线约成30～60°扩展至梁底。随着循环次数的增加，疲劳主裂纹根部逐步向水平方向扩展而形成界面裂纹。
在疲劳载荷的作用下，当疲劳载荷大于加固梁的开裂载荷时，加固梁将出现裂纹。随着裂纹的出现，开裂处的混凝土将退出工作，受拉区钢筋和碳纤维薄板承担全部的拉力。实验中可以观测到，当出现跨中裂缝时，在混凝土梁底部，跨中I型裂纹沿某一角度向水平方向扩展（一般与垂直方向成30°～ 60°），该裂纹在疲劳载荷作用下不断扩展，逐步形成水平方向的II型裂纹。随着荷载作用次数的增加，界面裂纹的长度也不断增加，当达到临界裂纹长度时，裂纹急速扩展，导致构件的破坏。
每轮记录的裂纹扩展量除以循环次数，可以得到da/dN，采用式（7）可以计算得到裂纹扩展到某一长度时其对应的应力强度因子KII，由于实验时采用的应力比为0.1，因此有：
分别取裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅值ΔKⅡ的对数，将实验结果和应力强度因子的计算结果作于图3中，可以看到，裂纹扩展速率的对数与应力强度因子的对数有明显的线性关系。采用最小二乘法对数据进行拟合，可以得到：
4 结论
本文通过理论分析的方法，考虑了加固梁在疲劳载荷的作用下，其裂纹扩展具有周期性的特点，给出了界面应力强度因子的计算方法。通过加固梁的疲劳试验探讨界面裂纹的扩展规律，给出了界面裂纹扩展速率的半经验公式。该半经验公式可用于估算加固构件在界面剥离破坏模式下的疲劳寿命。
参考文献
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