关键词： FRP-钢板；黏结性能；FRP层数；有效黏结长度；荷载作用；环境因素

Abstract： FRP reinforcement of steel structures is a reinforcement method increasingly used in the engineering field in recent years，and the bonding performance between FRP and steel interface is the key factor affecting its overall performance. Based on the research of FRP reinforced steel structures at home and abroad，the key influencing factors of FRP steel plate bonding performance are summarized，such as the number of FPB layers，the effective bonding length，the elastic modulus of FRP，and the permorance of adhesive. The evolution law of the bonding performance between FRP and steel plates under non-load （environmental factors）and load is introduced. The effects of the temperature and humidity are significant，while the corrosion and ultraviolet ray have little influence on the reduction of the bonding strength. Under a certain impact load，the bonding strength of the FRP-steel plate is higher than that without impact. This paper provides a necessary reference for the further research on improving the bonding performance of the FRP-steel plate.

Keywords： FRP-steel plate；bonding performance；number of FRP layers；effective bonding length；load effect；environmental factor

FRP是纤维增强聚合物（fiber reinforced polymer）的简称，具有比强度高、耐腐蚀性能优越、施工方便等优点，在土木工程领域的应用日益受到关注。相较于焊接或张贴附加钢板等传统加固方式，FRP加固具有对原有结构无损伤、可增强结构抗腐蚀能力、能适应曲面结构等优点。常见的传统FRP材料有碳纤维增强复合材料（carbon fibre reinforced polymer，CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（glass fiber reinforced polymer，GFRP）、芳纶纤维增强复合材料（aramid fiber reinforced polymer，AFRP）以及玄武岩纤维增强复合材料（basalt fiber reinforced polymer，BFRP），近些年来，研究人员又探索出由旧塑料制成的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）FRP复合材料以及混杂了多种纤维材料的混杂纤维复合材料（ hybrid fiber reinforced polymer，HFRP）等。为了保证FRP加固钢结构的协同工作性能，FRP与钢结构的黏结性能成为了研究重点。

本文在传统FRP-钢板失效形式 ^[1-2] 研究的基础上（图1），分类汇总了不同因素对失效形式的具体影响，包括温度、湿度、腐蚀、紫外线等环境因素和静载、疲劳、冲击、抗震等荷载因素，并通过概括总结得出结论，可为未来的相关研究提供一定的借鉴和参考。

图1　FRP加固钢结构的失效形式 ^[2]

Fig.1　Failure modes of FRP reinforced steel structure ^[2]

1　FRP-钢板黏结性能

FRP-钢板黏结性能的主要影响因素包括：纤维布参数（长度、宽度、黏结层数）、黏结剂性能（力学性能、自身厚度）和纤维弹性模量等，以下对这3个主要影响因素逐一进行分析。界面黏结剪切应力和极限黏结应力是衡量FRP-钢板黏结性能的重要参数。值得一提的是，由于不同种类FRP之间材料本身属性存在较大差异，在进行FRP-钢板黏结性能分析时不利于变量的控制，且目前有关文献中主要进行的是CFRP-钢板黏结性能的研究，从材料属性变量影响方面阐述了CFRP-钢板的黏结性能影响规律。

1.1　FRP参数的影响

在采用FRP粘贴钢板的过程中，纤维布的长度、宽度、黏结层数等参数会对后期拉伸或剪切试验的结果产生重要影响，因此本节主要针对碳纤维布参数对FRP-钢板黏结性能的影响分别进行对比介绍。

卢亦焱等 ^[3] 通过碳纤维布加固钢板的剪切试验，分析了碳纤维布与钢板黏结界面发生剪切破坏的过程和机理，并研究了碳纤维的黏结宽度、黏结长度和层数对剪切黏结性能的影响。结果表明，碳纤维布与钢板的有效黏结长度随着碳纤维布层数的增加而增大，与碳纤维布的宽度及黏结长度无关；碳纤维布与钢板的极限黏结力随碳纤维布宽度的增加而线性增大，但当碳纤维布宽度超过有效黏结长度时，极限黏结力不再增大。

刘素丽 ^[4] 和杨勇新等 ^[5] 通过CFRP加固钢板的拉伸试验，研究了CFRP加固钢板发生拉伸破坏的过程和特征，并分析了CFRP的粘贴面积、胶层厚度等因素对拉伸强度的影响。研究结果表明，在钢板宽度一定的情况下，CFRP的粘贴层数对极限承载力的提高作用非常明显，而屈服荷载的提升不明显；在CFRP粘贴层数和粘贴面积一定的情况下，随着钢板宽度的增加，CFRP加固后钢板的屈服荷载和极限荷载都有较为明显的提高。

总结上述研究可知，在钢板宽度与CFRP层数、长度一定的情况下，极限黏结力τ _max 与CFRP黏结宽度近似成正比；在达到有效黏结长度以前，极限黏结力也与CFRP黏结长度成正比，当达到有效黏结长度后，继续增加黏结长度不会增大极限黏结力（图2）。可以通过增加CFRP的层数来进一步提升CFRP和钢板黏结界面的极限黏结力，但增加CFRP的层数并不会改变有效黏结长度，且极限黏结力的提高幅度也越来越小（图3）。

图2　黏结剪切应力分布曲线

Fig.2　Distribution curves of adhesive shear stress

图3　黏结长度对极限黏结力的影响

Fig.3　Influence of bonding length on ultimate bonding capacity

其他种类的FRP与钢板黏结性能的研究到目前为止还不完善，主要还是针对不同种类FRP有效黏结长度的研究。李娟 ^[6] 通过GFRP与钢板黏结剪切试验研究，对GFRP布加固钢板的有效黏结长度进行了分析，结果表明GFRP的有效黏结长度真实存在，当黏结长度超过有效黏结长度时，虽然有剪应力存在，但是极限黏结力不再增大。HU等 ^[7] 通过不同黏结长度的层间混杂FRP与钢板的拉伸试验研究，发现层间混杂FRP与钢板黏结也存在有效黏结长度，且与3层CFRP与钢板黏结的有效黏结长度接近。

1.2　黏结剂性能的影响

在FRP-钢板的各种失效形式中，黏结剂失效是最理想的失效形式，因为这种失效形式有一定的延展性且黏结强度能够得到充分利用。有学者就不同黏结剂对黏结效果的具体影响做了研究和论证 ^[9-13] 。

YU等 ^[9] 发现弹性模量较低且变形能力较强的非线性胶黏剂，其界面断裂能远高于具有类似或更高抗拉强度的线性胶黏剂的界面断裂能，并且不同黏结剂会对后期的黏结滑移曲线造成一定影响。

FERNAND等 ^[10] 发现FRP与钢材在界面黏结处的强度很大程度上取决于所用黏结剂的力学性能，具体来说即取决于黏结剂的界面断裂能而非拉伸强度。

WANG等 ^[11] 通过13组单剪试验来测试黏结剂的性能，利用DIC技术获得了应力-位移关系，以研究不同黏结剂的力学性能和厚度对黏结性能的影响。试验结果表明，黏结剂的力学性能和厚度会对黏结滑移曲线和极限荷载造成一定影响。对于使用相同黏结剂的不同构件，黏结剂厚度对峰值界面的剪切应力影响较小。

TENG等 ^[12-13] 通过研究发现在临界黏结力下，黏结剂的材料性能在加固结构的承载力方面起着关键作用，设计理论需考虑黏结剂的机械性能。

黏结剂的弹性模量一定程度上影响了FRP-钢板的应力-应变曲线的斜率，弹性模量越大则曲线斜率越大；黏结剂的抗拉强度越大，FRP-钢板的极限黏结应力就越大（图4）。图4中黏结剂的具体参数详见文献[9]。

图4　4种不同黏结剂的黏结界面拉伸应力-应变曲线

Fig.4　Tensile stress-strain curves of bonding interface of four different adhesives

1.3　FRP弹性模量

FRP弹性模量直接影响着FRP-钢板的黏结性能，本节主要介绍不同学者进行的针对碳纤维弹性模量对FRP-钢板黏结性能的研究。

WU等 ^[8] 研究了超高弹性模量碳纤维布与钢材之间的黏结性能，结果表明常规弹性模量CFRP板材的失效形式表现为钢/胶界面失效和CFRP层间剥离的耦合，而高弹性模量CFRP板材的失效形式主要是CFRP的断裂。

KORAYEM等 ^[14] 研究了碳纳米管环氧树脂黏结剂对CFRP-钢界面的影响，从试验中可以看出，CFRP的弹性模量影响了界面的失效形式，随着CFRP弹性模量的增大，界面失效形式依次从胶层失效（包括钢/胶界面失效、胶体层间失效、CFRP/胶界面失效）变化为CFRP的断裂失效，部分原因在于高/超高弹性模量CFRP的抗拉强度相对较低。

PEIRIS等 ^[15] 发现无论采用高弹性模量碳纤维布还是常规弹性模量碳纤维布，FRP-钢板的失效形式均为黏合剂剥离和CFRP分层破坏的组合破坏，采用两种不同模量的碳纤维布对黏结长度影响不大，其中前者比后者有更高的黏结强度和锚固长度。因此，DAWOOD等 ^[16] 采用高弹性模量的CFRP来提高钢梁的刚度。

FRP弹性模量的不同直接影响着黏结界面的失效形式，不论是单轴剪切试验还是双轴剪切试验，在FRP弹性模量较低时，如常规模量（normal modulus，NM）和中间模量（intermediate modulus，IM），均发生黏结剂的失效破坏；而当FRP弹性模量较高时，例如高模量（high modulus，HM）或超高模量（ultra-high modulus，UHM），则易发生FRP破裂或者是出现FRP的层间剥离。结合上文提到的黏结剂的影响，综合各文献[8-9,15,17-19]，绘制出FRP弹性模量和黏结剂种类对失效形式的影响示意图，如图5所示。图中，Ara指黏结剂Araldite，Sika指黏结剂Sikadur，Epoxy指环氧树脂。

图5　FRP弹性模量和黏结剂种类对失效形式的影响

Fig.5　Influences of FRP elastic modulus and adhesive types on failure modes

1.4　黏结滑移曲线

FRP与钢材的黏结滑移曲线（荷载-滑移曲线）充分体现了二者力学性能的结合。同时FRP与钢材黏结界面的黏结滑移模型也决定了构件所能承受的极限荷载、界面剪切应力、最大弹性滑移、最大塑性滑移和最大滑移。

一些研究人员 ^{[2,9-11,19-20]} 发现对于线性和非线性黏结剂（区分黏结剂是否线性在于其应力-应变曲线是否呈线性），其黏结滑移曲线分别对应近似三角形（图6）和梯形（图7）。这两种黏结剂的应力-滑移曲线在弹性阶段都呈线性，当达到极限应力时，位移均不再增长。与三角形模型不同，矩形模型有一个位移增加而界面剪切应力保持不变的塑性阶段。

图6　线性黏结剂的黏结滑移模型

Fig.6　Bond-slip models of linear adhesives

图7　非线性黏结剂的黏结滑移模型

Fig.7　Bond-slip models of nonlinear adhesives

AKBAR等 ^[21] 基于结构力学方法定量研究了黏结滑移特性，采用两种拉伸试验对黏结滑移的相互作用进行量化分析。先通过拉伸试验测得峰值剪切应力（锚固长度小于临界长度），再从完全锚固的试件中获得中间段裂纹脱黏阻力P _IC 。由结构力学可知，界面断裂能P _IC =τ _max δ _max /2，其中最大黏结应力τ _max 是已知的，即可求出最大滑移距离δ _max 。根据相互作用的数值曲线可求出最大黏结应力时的滑移和最大剪切应力时的滑移。

黏结滑移曲线只与黏结剂的种类有关，与失效形式无关。在黏结滑移曲线中，界面断裂能、最大弹性阶段滑移、最大塑性阶段滑移和最大滑移等都均能在图中得到充分体现。一定黏结剂厚度范围内，界面断裂能和极限荷载与厚度成正比，如图8所示。

图8　黏结剂厚度对极限荷载和界面断裂能的影响

Fig.8　Influences of cohesive thickness on ultimate load and interface fracture energy

2　荷载作用下FRP-钢板黏结性能

采用FRP加固的钢结构构件不仅要承受环境因素的影响，还会受到疲劳、冲击等各种荷载的作用，因此还需探究荷载作用下钢板与FRP的黏结性能。

2.1　冲击荷载

AL-ZUBAIDY等 ^[24] 研究了冲击荷载下FRP与钢板之间的黏结特性。通过与准静力加载试验（加载速率为2mm·min ^-1 ）进行对照，发现在冲击荷载作用下，当黏结长度小于有效黏结长度时，黏结剂的剪切强度有所增大，在加载速率为3.35m·s ^-1 时增长趋势尤为明显，在3.35m·s ^-1 之后，剪切强度开始呈下降趋势。在冲击荷载作用下，增加CFRP的层数对二者黏结强度的提升作用不大，但是当黏结长度小于有效黏结长度时，其极限黏结强度可以通过施加一定的冲击荷载从而得到提高。

AL-ZUBAIDY等 ^[25] 研究了从静载变化至冲击荷载时常规模量CFRP板和Araldite 420环氧树脂的力学性能，发现在应变率达到67.2s ^-1 之前，CFRP板的拉应力和弹性模量持续增大，前者增长了20%~40%，后者增长了20%，而失效时的应变减小了约20%；环氧树脂的变化则更为明显，其拉应力增长了约220%，弹性模量增长了100%，而失效时应变减少约55%。当应变率达到67.2s ^-1 之后，环氧树脂失效时应变降低幅度并不明显。一定的冲击荷载能增强CFRP板和环氧树脂的拉应力和弹性模量。ZHAO等 ^[26-27] 发现不同黏结剂会影响冲击荷载下CFRP板的抗拉强度和弹性模量，对于Araldite 420环氧树脂，其发现同AL-ZUBAIDY等 ^[25] 的发现一致，而对于MBrace saturant，CFRP板的抗拉强度、弹性模量和失效时应变均增大。

2.2　疲劳荷载

王海涛 ^[1] 发现在疲劳荷载下，单边裂纹加固与中心裂纹加固相比，疲劳寿命增长更为明显，且CFRP刚度相同时，CFRP板比CFRP布的加固效果要好10%~30%左右。

WU等 ^[28] 进行了5组静载与12组疲劳荷载下的CFRP-钢板双剪试验研究，发现随着疲劳荷载的増加，试件的黏结强度呈现出降低的趋势，试件的破坏模式均表现为在钢和CFRP黏结处的中间缝隙位置发生界面剥离破坏，并且疲劳损伤使黏结剂的黏结强度有所降低。

LIU等 ^[29] 研究了疲劳荷载对CFRP和钢板的黏结强度、破坏模式的影响。在试验中使用常规弹性模量（E=240GPa）和高弹性模量（E=640GPa）的CFRP板，将试验结果与只受静力荷载的试件的结果进行比较，发现疲劳荷载对高弹性模量CFRP板-钢板的黏结强度影响较小。当加载率小于30%时，常规弹性模量下CFRP-钢板黏结强度的降低幅度从10%上升至20%。

KAMRUZZAMAN等 ^[30] 、WANG等 ^[31] 还在预应力和干湿循环等条件下对疲劳荷载作用的CFRP-钢板的黏结性能进行了研究。WU等 ^[32] 对不同种类FRP材料加固钢梁的疲劳性能进行了研究，发现纤维增强复合材料能够有效延缓裂纹的产生、降低裂纹扩展速率，在基于成本效益的情况下，SW-BFRP（钢丝-玄武岩纤维）的性能较为优异，且表面粗糙的SW-BFRP材料比表面光滑的SW-BFRP材料更能有效延长钢梁的疲劳寿命。另外，一些研究 ^[33-36] 也证明了不同种类FRP的使用对延长钢梁疲劳寿命能起到很好的效果。

FRP加固的钢板较未加固的钢板而言，其承受疲劳荷载的能力更强，如图9所示，图中F _f,max 为加固后钢板承受的最大疲劳荷载值，F _s,max 为未加固时钢板承受的最大疲劳荷载值，二者的比值与疲劳循环次数的曲线反映出了加固前后钢板承受疲劳荷载能力的明显变化。

图9　加固前后最大疲劳荷载之比-疲劳循环次数曲线

Fig.9　Ratio of maximum fatigue load before and after reinforcement-fatigue cycle times curves

3　非荷载因素（环境因素）下FRP-钢板黏结性能

在环境影因素响下，FRP-钢板黏结界面的黏结性能各有差异。例如FRP与钢板黏结界面在实际情况下会受温度、湿度、紫外线、腐蚀等一系列复杂变量的控制，基于这些变量的调控，许多专家和学者进行了对应的研究。

3.1　温度

?ZKAL等 ^[39] 研究了GFRP和钢筋在高温下的力学性能和黏结性能，并进行了相应的比较。所有轴向抗拉的试验均在23~800℃的升温环境中进行。试验结果表明，随着温度的上升，GFRP板逐渐出现强度损失，300℃之后出现较为严重的强度损失，500℃之后GFRP板的砂型涂料和基质完全溶化了，钢筋上的玻璃纤维也分散了。钢筋和GFRP的黏结强度值随温度上升近似呈线性变化。

NGUYEN等 ^[40-42] 研究了钢和CFRP黏结接头在黏合剂玻璃化转变温度（T _g ，42℃）附近的高温力学性能，测试了从20~60℃时不同黏结长度下钢板的失效形式。随着温度逐渐达到T _g ，黏结处的失效形式从黏结失效转变为剥离失效，并且在温度接近或大于T _g 时，极限荷载和黏结处的刚度逐渐减小，而有效黏结长度随温度的上升而增加。NGUYEN等 ^[41] 还研究了在温度范围和暴露时间已知的情况下如何预测CFRP-钢黏结界面的失效时间。试验结果表明，CFRP-钢黏结结构不应在接近或高于T _g 或CFRP基体树脂的温度下暴露超过25min，否则在初始设计中必须考虑其强度的降低。

LU等 ^[43] 研究了高温和持续拉伸荷载对BFRP板力学性能的影响，研究发现当温度达到T _g （123.7℃）时，BFRP板的拉伸应变显著增大，但是剩余拉伸强度和拉伸模量随着温度的升高而降低。

不同研究中温度升高时，存在一个明显的临界温度，称为玻璃化转化温度T _g （图10）。当温度升高时，FRP-钢板黏结处的刚度开始下降，当温度达到T _g 时，刚度下降明显，如图11a）所示。并且随着温度的升高，黏结处的极限荷载也随之降低，当温度达到T _g 时，极限荷载下降明显，如图11b）所示。

图10　不同研究中的玻璃化转化温度示意

Fig.10　Schematic diagram of glass transition temperature in different studies

图11　温度对黏结性能的影响

Fig.11　Influences of temperature on bonding behaviors

3.2　湿度

DONG等 ^[47] 对BFRP和混合了预埋于海水下的海沙混凝土的钢筋等进行了试验研究，其中影响因素包括暴露时间、加固类型等。试验结果表明，在海洋环境下，BFRP-钢黏结界面的破坏模式是由剪切破坏到剥离破坏，湿度环境的改变造成了FRP与钢筋黏结面失效形式的改变。在浸没环境下，黏结剂的失效速度快于在干/湿循环下黏结剂的失效速度。

DAWOOD等 ^[48] 研究了CFRP加固钢黏结界面在环境影响下的耐久性，发现硅烷的存在阻止了水分进入界面区域，有助于提高黏结剂的环境耐久性。NGUYEN等 ^[42] 研究了CFRP-钢黏结界面在恶劣环境下的力学性能，选用75个分别被暴露于模拟海水下和高水平相对湿度的循环箱中的构件进行分析，发现当CFRP-钢黏结界面浸入海水中时，它们的强度和刚度在暴露的前2~4个月内迅速降低，尽管黏结处刚度与强度的降低趋势相似，但刚度降低的速率较快。

3.3　腐蚀

GADVE等 ^[49] 研究了嵌入腐蚀增强材料的FRP包裹混凝土圆柱体的钢筋腐蚀速率。通过对包裹碳纤维和玻璃纤维的两种材料进行对比，将带有嵌入式钢筋的混凝土圆筒浸入盐水中，并使阳极电流通过钢筋，便于钢筋的加速腐蚀，从而引发混凝土开裂，检验腐蚀条件下混凝土圆筒的失效形式。试验表明碳纤维和玻璃纤维的存在均降低了腐蚀速率，且采用后者比前者更能有效防止腐蚀的发生。此外，纤维材料的选择还依赖于钢筋的刚度、强度、耐久性以及抗腐蚀性等因素的综合影响。

3.4　紫外线

ZHAO等 ^[50] 对纤维增强聚合物（FRP）增强钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）结构主要材料的基本性能进行了试验研究。试验结果表明，FRP板的极限抗拉强度和弹性模量随在紫外线下暴露时间的延长而降低，对于FRP增强RC结构，其基本性能的退化程度主要取决于树脂黏合材料的降解速度。在紫外线条件下，FRP层数的增加对材料的性能并无影响，间接证明了碳纤维材料具有相对稳定的强度和弹性模量。

正如GHOLAMI等 ^[51] 的研究中所述，FRP加固钢结构在自然环境下受温度和湿度的影响较大，受紫外线、化学腐蚀等的影响较小。在真实环境中，往往多种因素共同作用，影响效果更为明显。进一步探究综合因素影响下FRP-钢黏结界面的黏结性能成为了后续研究的一个重要方向。

4　结  论

（1）在碳纤维布层数和钢板宽度一定的情况下，适当增加有效黏结长度，可以提升FRP与钢板间的极限黏结力。当黏结长度达到有效黏结长度时，继续增加黏结长度只会提升钢材与FRP黏结的延性，并不会提升其极限承载力。当无法通过增加CFRP宽度和长度来提升黏结强度时，可以通过增加CFRP的层数来适当增大其黏结强度。现有的行业设计标准中只对碳纤维布的黏结强度、厚度和宽度进行了规定，并未对有效黏结长度进行规定。

（2）黏结剂本身的特性和厚度会对FRP和钢板黏结的峰值剪切应力及黏结滑移曲线产生影响。相较于同种类型的黏结剂，不同厚度对其峰值剪切应力影响较小，而不同黏结剂则对其峰值剪切应力影响较大。黏结滑移曲线只与黏结剂的类型有关，而与何种失效形式无关。黏结剂的弹性模量一定程度上影响了FRP-钢板的应力-应变曲线的斜率，黏结剂的抗拉强度影响着界面的极限黏结力。对于同种胶层厚度，最合适的黏结剂的选取以及对于不同黏结剂的最佳胶层厚度的选用将成为今后值得研究的方向。

（3）FRP弹性模量的不同直接影响着FRP-钢板黏结的失效形式。弹性模量较低的FRP往往会引起胶层失效（包括钢以及FRP到胶界面的失效），而相对高弹性模量的FRP造成的失效形式往往是FRP本身的破裂。采用适当弹性模量的FRP会更易得到想要的失效形式。

（4）自然环境下温度和湿度对于FRP与钢板黏结性能影响较大。高温（T≥T _g ）时，钢板和FRP基体的强度和刚度会降低，如何准确求出T _g 会成为今后可能的研究方向；长期的渗透会使得水进入FRP基体树脂中，影响二者黏结性能；海水浸没环境下，伴有盐水等电解质，有可能发生电蚀；高强度紫外线持续照射会对FRP基体树脂降解产生影响。温度、湿度、腐蚀、紫外线对FRP-钢板黏结界面强度降低的影响比重依次减小，各种因素综合影响下其性能还有待进一步研究。

（5）一定的冲击荷载下，FRP-钢板的黏结强度较无冲击时的黏结强度有所提升；相较于常规弹性模量的FRP加固材料，高弹性模量FRP加固材料在疲劳荷载作用下的失效速率更缓慢。在实际工程领域中，使弹性模量在原有设计基础上增加20%~30%更有益于试件承受疲劳荷载作用。

（6）现有研究中，CFRP与钢板黏结性能的研究较多，其他种类FRP与钢板黏结性能的研究较少。对于不同种类FRP材料与钢板黏结性能的普遍规律值得进一步研究。

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