吳水根余倩倩

（1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

0 引言

對(duì)于大部分金屬結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施，疲勞破壞是引起結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因之一，所占比例高達(dá)50%～90%［1］。年久失修、環(huán)境銹蝕和使用荷載增加等多種荷載和環(huán)境因素都會(huì)引起結(jié)構(gòu)性能退化，產(chǎn)生損傷累積。疲勞裂紋將在應(yīng)力集中處萌生，引起截面開(kāi)裂，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致構(gòu)件斷裂，甚至造成結(jié)構(gòu)垮塌等災(zāi)難性事故。對(duì)這些損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，保證結(jié)構(gòu)安全，已成為國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域亟待解決的重大問(wèn)題。

傳統(tǒng)方法修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷，如機(jī)械補(bǔ)強(qiáng)、止裂孔，可能引入新的疲勞源［2］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕和疲勞性能好、施工方便［3-4］。通過(guò)外貼或機(jī)械錨固采用CFRP補(bǔ)強(qiáng)含損傷鋼結(jié)構(gòu)，能夠有效提升結(jié)構(gòu)疲勞性能，同時(shí)不需要在損傷部位鉆孔或焊接，避免產(chǎn)生新的應(yīng)力集中［5-20］。采用CFRP預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)，可以充分利用材料性能，進(jìn)一步提升補(bǔ)強(qiáng)效率［21-22］。然而，預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)體系一般需要特定的施工工藝和操作空間，如張拉設(shè)備等，對(duì)人力、物力有較高要求。

形狀記憶合金材料（Sape Memory Alloys，SMA）是一類具有形狀記憶功能和超彈性效應(yīng)的材料，最早應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)等精密尖端領(lǐng)域［23］。近年來(lái)，其在土木工程中的研究和應(yīng)用也有了較快發(fā)展，包括結(jié)構(gòu)減隔震、健康監(jiān)測(cè)、預(yù)應(yīng)力加固等領(lǐng)域［24-43］。廣義上，SMA代表了一系列具有形狀記憶或超彈性效應(yīng)的合金，包括鎳鈦合金（NiTinol）、銅基形狀記憶合金（Cu-SMA）、鐵基形狀記憶合金（Fe-SMA）等。相比而言，NiTinol發(fā)展較為成熟，但其在土木工程的廣泛應(yīng)用受制于其高昂的成本。隨著價(jià)格相對(duì)低廉的Fe-SMA材料加工技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)能力逐漸發(fā)展［44］，初步研究表明，F(xiàn)e-SMA材料預(yù)拉后通過(guò)加熱激發(fā)即可產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，無(wú)須使用液壓控制系統(tǒng)等復(fù)雜裝置，可用于無(wú)損可恢復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，在提高鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能領(lǐng)域具有顯著的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間［45-50］。

圍繞Fe-SMA材料在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能補(bǔ)強(qiáng)方面的研究，分四個(gè)方面闡述，包括Fe-SMA材料恢復(fù)應(yīng)力、Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能、環(huán)境溫度和疲勞荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)體系的影響、與NiTinol-FRP復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能對(duì)比。

2 Fe-SMA材料恢復(fù)應(yīng)力

SMA具有兩種主要金相，分別是低溫穩(wěn)定的馬氏體相（martensite）和高溫穩(wěn)定的奧氏體相（austenite）。其形狀記憶效應(yīng)是指材料能夠記住它在高溫奧氏體狀態(tài)下的形狀，即處于低溫的SMA在外力作用下產(chǎn)生變形后，如果加熱超過(guò)材料的相變點(diǎn)（奧氏體結(jié)束溫度Af），就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)高溫奧氏體狀態(tài)下的形狀（圖1）。利用這種特性，即可方便地施加預(yù)應(yīng)力，用于結(jié)構(gòu)修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

圖1 SMA材料特性［51］Fig.1 Material properties of SMA［51］

2.1 單次激發(fā)后恢復(fù)應(yīng)力

在Fe-SMA材料形狀恢復(fù)過(guò)程中，如果受到約束作用，即可產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，或稱為Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力。Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力水平直接決定了在補(bǔ)強(qiáng)體系中施加的預(yù)應(yīng)力大小，是目前研究的一大熱點(diǎn)。已有研究成果表明，F(xiàn)e-SMA材料恢復(fù)應(yīng)力的影響因素眾多，包括材料組分、鍛造方式、約束條件、預(yù)拉伸水平、激發(fā)溫度等，表1列舉了部分文獻(xiàn)中不同激發(fā)條件下的Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力。

表1 部分不同激發(fā)條件下Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力比較Table 1 Recovery stress of Fe-SMA under different activation conditions

2.2 環(huán)境溫度和疲勞荷載作用下恢復(fù)應(yīng)力

除了單次激發(fā)后的恢復(fù)應(yīng)力性能，考慮到Fe-SMA作為補(bǔ)強(qiáng)材料，可能和結(jié)構(gòu)一起承受環(huán)境介質(zhì)和服役荷載的作用。Koster等［61］通過(guò)試驗(yàn)研究證明，F(xiàn)e-SMA材料在提供300 MPa恢復(fù)應(yīng)力的同時(shí)，疲勞性能良好。Lee等［57］對(duì)激發(fā)后的Fe-SMA試件分別施加5次循環(huán)荷載（應(yīng)變幅0.07%）和5次溫度循環(huán)（?20～60°C）。試驗(yàn)結(jié)果表明，恢復(fù)應(yīng)力在第一次荷載作用后下降85～110 MPa，而后應(yīng)力-應(yīng)變曲線保持線性變化，彈性模量和材料初始彈性模量一致。溫度循環(huán)作用下應(yīng)力-熱應(yīng)變關(guān)系與循環(huán)荷載作用下類似。進(jìn)一步對(duì)激發(fā)后試件施加更大荷載（應(yīng)變幅0.10%，恢復(fù)應(yīng)力損失198 MPa），重新加熱后，恢復(fù)應(yīng)力提升至原有水平。在此基礎(chǔ)上，Ghafoori等［60］和Hosseini等［62］對(duì)激發(fā)后的Fe-SMA材料施加200萬(wàn)次疲勞荷載。結(jié)果表明，恢復(fù)應(yīng)力損失水平隨著應(yīng)變幅增加而增大，損失速率隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。在0.035%和0.07%應(yīng)變幅循環(huán)作用下，恢復(fù)應(yīng)力分別損失10%和20%，需要在補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中加以考慮。其主要由時(shí)變非線性變形引起，和奧氏體-馬氏體相變相關(guān)。重復(fù)加熱后，恢復(fù)應(yīng)力損失大部分可以恢復(fù)。同時(shí)，基于試驗(yàn)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)提出了Fe-SMA材料疲勞強(qiáng)度模型。

3 Fe-SMA加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能

Fe-SMA材料的研究與應(yīng)用相比NiTinol材料起步較晚。由于Fe-SMA價(jià)格顯著低于NiTinol，可直接選用Fe-SMA片材施加預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)含損傷結(jié)構(gòu)。已有研究將經(jīng)預(yù)拉的Fe-SMA通過(guò)機(jī)械錨固方法固定于鋼構(gòu)件表面，采用電流加熱（圖2）。Izadi等［47］采用機(jī)械錨固裝置在鋼板試件兩面固定Fe-SMA片材（預(yù)拉伸2%），之后采用直流電源加熱Fe-SMA至260°C，產(chǎn)生恢復(fù)應(yīng)力353～391 MPa，在鋼板中產(chǎn)生最大預(yù)壓應(yīng)力74 MPa。在此基礎(chǔ)上，Izadi等［48］采用該裝置對(duì)三塊鋼板試件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，測(cè)試其疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力在疲勞荷載作用下有所損失，該補(bǔ)強(qiáng)體系仍能夠有效改善含損傷鋼構(gòu)件疲勞性能，在特定設(shè)計(jì)工況下甚至使初始裂紋停止擴(kuò)展。此外，F(xiàn)e-SMA被用于補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭［49］和鋼梁構(gòu)件［50］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于Fe-SMA的形狀記憶效應(yīng)，能夠有效引入預(yù)應(yīng)力，改善構(gòu)件的靜力和疲勞性能。

圖2 Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)鋼板過(guò)程示意圖［47］Fig.2 Schematic diagram of Fe-SMA strengthened steel plates［47］

4 環(huán)境溫度和疲勞荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)體系的影響

補(bǔ)強(qiáng)體系在服役過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境介質(zhì)和服役荷載的共同作用。對(duì)于FRP補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系，已有針對(duì)海洋環(huán)境、高/低溫、射線、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等因素對(duì)FRP補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系影響的研究［72-75］。環(huán)境溫度升高，尤其是超過(guò)Tg后，結(jié)構(gòu)粘膠性能大幅下降。CFRP-鋼有效粘結(jié)長(zhǎng)度隨著環(huán)境溫度升高而增加［72］。Feng等［76］對(duì)CFRP粘貼補(bǔ)強(qiáng)含中心損傷鋼板試件在?40℃、20℃和60℃下的疲勞性能展開(kāi)研究。結(jié)果表明，CFRP補(bǔ)強(qiáng)能夠有效延長(zhǎng)鋼板疲勞壽命達(dá)2.0～3.4倍，但補(bǔ)強(qiáng)體系性能顯著受制于Tg，并提出了考慮環(huán)境溫度作用的CFRP補(bǔ)強(qiáng)鋼板疲勞性能理論預(yù)測(cè)方法。Ke等［77］展開(kāi)類似研究，指出提高結(jié)構(gòu)粘膠養(yǎng)護(hù)溫度可以提高補(bǔ)強(qiáng)體系在高溫下耐受性。

目前針對(duì)服役環(huán)境下Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系的性能尚無(wú)系統(tǒng)研究。Sato等［78］在測(cè)試一種組分為Fe-28Mn-6Si-5Cr的SMA時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ms處于?20～25℃，低溫工作時(shí)，材料發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，恢復(fù)應(yīng)力降低。Ghafoori等［79］比較了不同厚度Fe-SMA片材在荷載和高溫下的力學(xué)性能，指出荷載增加，蠕變起始溫度和失效溫度均降低，而升溫速率對(duì)其影響不大。有關(guān)疲勞荷載對(duì)Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力的影響已經(jīng)在“2 Fe-SMA材料恢復(fù)應(yīng)力”中指出。

5 與NiTinol-FRP復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能對(duì)比

基于SMA形狀記憶效應(yīng)，已有研究采用NiTinol材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）制作NiTinol-FRP復(fù)合材料，對(duì)含損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。Dawood等［63］采用拉拔試驗(yàn)對(duì)NiTinol與FRP界面性能展開(kāi)研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種不同的破壞模式，分別為無(wú)相變粘結(jié)失效與相變后粘結(jié)失效，并標(biāo)定了不同破壞模式及不同NiTinol絲材直徑對(duì)應(yīng)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度。進(jìn)一步地，El-Tahan等［64］、El-Tahan和Dawood［65］制作了NiTinol和FRP復(fù)合片材，將NiTinol絲材兩端布置于FRP材料中，中部暴露，預(yù)拉后加熱，測(cè)試其恢復(fù)應(yīng)力隨疲勞荷載的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，NiTinol在約束條件下加熱至165℃可產(chǎn)生390 MPa恢復(fù)應(yīng)力，不同激發(fā)程度的試件在不同水平疲勞荷載作用下，產(chǎn)生不同程度的恢復(fù)應(yīng)力損失甚至發(fā)生斷裂破壞，主要受制于NiTinol與FRP的粘結(jié)失效應(yīng)力水平。談笑［66］預(yù)制了NiTinol-CFRP復(fù)合材料，通過(guò)電流加熱測(cè)試其恢復(fù)應(yīng)力。由于CFRP為導(dǎo)電材料，引起電流短路，恢復(fù)應(yīng)力降低為同預(yù)應(yīng)力水平下單絲恢復(fù)應(yīng)力的40%～50%。

在此基礎(chǔ)上，研究者們采用不同形式的NiTinol-FRP復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)含損傷鋼板構(gòu)件（圖3）。Zheng和Dawood［67-68］、Zheng等［69］，采 用 圖3（a）所示NiTinol-CFRP復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)含邊緣裂紋鋼板試件，疲勞試驗(yàn)顯示，如荷載水平低于NiTinol-CFRP粘結(jié)失效應(yīng)力水平，200萬(wàn)次循環(huán)荷載后預(yù)應(yīng)力維持在初始水平的80%，復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)能夠有效發(fā)揮兩者的作用，鋼板試件疲勞壽命延長(zhǎng)至26倍。類似的，Abdy等［70］比較了不同數(shù)量NiTinol絲材-CFRP復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)效率。單面粘貼含中心損傷鋼板試件后，最高產(chǎn)生25 MPa預(yù)壓應(yīng)力，疲勞壽命延長(zhǎng)5倍。Li等［71］對(duì)NiTinol試件進(jìn)行預(yù)拉后加熱測(cè)試，恢復(fù)應(yīng)力從70℃時(shí)364 MPa降低到室溫時(shí)93 MPa。NiTinol-CFRP復(fù)合材料粘貼后鋼板產(chǎn)生壓應(yīng)變103με，含中心損傷試件疲勞壽命延長(zhǎng)2.7～6.0倍。

圖3 不同形式NiTinol-FRP復(fù)合材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of NiTinol-FRP hybrid materials

6 結(jié)論

已有針對(duì)Fe-SMA材料恢復(fù)應(yīng)力展開(kāi)研究，F(xiàn)e-SMA材料可以提供較高水平恢復(fù)應(yīng)力，同時(shí)具有較好的疲勞性能，在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域有顯著的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。基于形狀記憶效應(yīng)，F(xiàn)e-SMA可以用于便捷地施加預(yù)應(yīng)力，無(wú)需傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力施加方式的液壓設(shè)備等裝置。Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能已有一定的研究成果，在以下方面可以做進(jìn)一步探討：

（1）對(duì)于Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力研究，多集中于不同組分、不同激發(fā)條件等因素對(duì)材料恢復(fù)應(yīng)力的影響，對(duì)于復(fù)雜服役條件作用下Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力的演化規(guī)律探討較少。

（2）已認(rèn)識(shí)到可以采用Fe-SMA便捷地施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)含損傷鋼構(gòu)件進(jìn)行疲勞補(bǔ)強(qiáng)。認(rèn)識(shí)到環(huán)境溫度和疲勞荷載可能對(duì)Fe-SMA恢復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生影響，但尚無(wú)Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系性能演化的系統(tǒng)研究，有待展開(kāi)進(jìn)一步工作。

（3）已有CFRP補(bǔ)強(qiáng)含損傷鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的分析與模擬成果可以為Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)含損傷鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能提供參考，但由于補(bǔ)強(qiáng)材料性能差異，相關(guān)研究成果并不能直接應(yīng)用。

因此，有必要開(kāi)展完整、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析，對(duì)復(fù)雜服役條件下Fe-SMA補(bǔ)強(qiáng)含損傷鋼結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)理做深入探討，揭示相應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，為準(zhǔn)確評(píng)定Fe-SMA材料補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能、進(jìn)行疲勞補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。