Fe-SMA材料补强钢结构疲劳性能综述

吴水根余倩倩

（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；2.同济大学建筑工程系，上海 200092）

0 引言

对于大部分金属结构基础设施，疲劳破坏是引起结构破坏的最主要原因之一，所占比例高达50%～90%［1］。年久失修、环境锈蚀和使用荷载增加等多种荷载和环境因素都会引起结构性能退化，产生损伤累积。疲劳裂纹将在应力集中处萌生，引起截面开裂，裂纹扩展导致构件断裂，甚至造成结构垮塌等灾难性事故。对这些损伤钢结构进行修复补强，保证结构安全，已成为国内外工程领域亟待解决的重大问题。

传统方法修复钢结构疲劳损伤，如机械补强、止裂孔，可能引入新的疲劳源［2］。碳纤维增强复合材料（CFRP）轻质高强、耐腐蚀和疲劳性能好、施工方便［3-4］。通过外贴或机械锚固采用CFRP补强含损伤钢结构，能够有效提升结构疲劳性能，同时不需要在损伤部位钻孔或焊接，避免产生新的应力集中［5-20］。采用CFRP预应力补强，可以充分利用材料性能，进一步提升补强效率［21-22］。然而，预应力补强体系一般需要特定的施工工艺和操作空间，如张拉设备等，对人力、物力有较高要求。

形状记忆合金材料（Sape Memory Alloys，SMA）是一类具有形状记忆功能和超弹性效应的材料，最早应用于航空航天、汽车、机器人、生物医学等精密尖端领域［23］。近年来，其在土木工程中的研究和应用也有了较快发展，包括结构减隔震、健康监测、预应力加固等领域［24-43］。广义上，SMA代表了一系列具有形状记忆或超弹性效应的合金，包括镍钛合金（NiTinol）、铜基形状记忆合金（Cu-SMA）、铁基形状记忆合金（Fe-SMA）等。相比而言，NiTinol发展较为成熟，但其在土木工程的广泛应用受制于其高昂的成本。随着价格相对低廉的Fe-SMA材料加工技术和工业化生产能力逐渐发展［44］，初步研究表明，Fe-SMA材料预拉后通过加热激发即可产生预应力，无须使用液压控制系统等复杂装置，可用于无损可恢复补强，在提高钢结构疲劳性能领域具有显著的发展潜力和应用空间［45-50］。

围绕Fe-SMA材料在钢结构疲劳性能补强方面的研究，分四个方面阐述，包括Fe-SMA材料恢复应力、Fe-SMA补强钢结构疲劳性能、环境温度和疲劳荷载对钢结构补强体系的影响、与NiTinol-FRP复合材料补强钢结构疲劳性能对比。

2 Fe-SMA材料恢复应力

SMA具有两种主要金相，分别是低温稳定的马氏体相（martensite）和高温稳定的奥氏体相（austenite）。其形状记忆效应是指材料能够记住它在高温奥氏体状态下的形状，即处于低温的SMA在外力作用下产生变形后，如果加热超过材料的相变点（奥氏体结束温度Af），就会恢复到原来高温奥氏体状态下的形状（图1）。利用这种特性，即可方便地施加预应力，用于结构修复补强。

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

2.1 单次激发后恢复应力

在Fe-SMA材料形状恢复过程中，如果受到约束作用，即可产生相应的预应力，或称为Fe-SMA恢复应力。Fe-SMA恢复应力水平直接决定了在补强体系中施加的预应力大小，是目前研究的一大热点。已有研究成果表明，Fe-SMA材料恢复应力的影响因素众多，包括材料组分、锻造方式、约束条件、预拉伸水平、激发温度等，表1列举了部分文献中不同激发条件下的Fe-SMA恢复应力。

表1 部分不同激发条件下Fe-SMA恢复应力比较Table 1 Recovery stress of Fe-SMA under different activation conditions

2.2 环境温度和疲劳荷载作用下恢复应力

除了单次激发后的恢复应力性能，考虑到Fe-SMA作为补强材料，可能和结构一起承受环境介质和服役荷载的作用。Koster等［61］通过试验研究证明，Fe-SMA材料在提供300 MPa恢复应力的同时，疲劳性能良好。Lee等［57］对激发后的Fe-SMA试件分别施加5次循环荷载（应变幅0.07%）和5次温度循环（−20～60°C）。试验结果表明，恢复应力在第一次荷载作用后下降85～110 MPa，而后应力-应变曲线保持线性变化，弹性模量和材料初始弹性模量一致。温度循环作用下应力-热应变关系与循环荷载作用下类似。进一步对激发后试件施加更大荷载（应变幅0.10%，恢复应力损失198 MPa），重新加热后，恢复应力提升至原有水平。在此基础上，Ghafoori等［60］和Hosseini等［62］对激发后的Fe-SMA材料施加200万次疲劳荷载。结果表明，恢复应力损失水平随着应变幅增加而增大，损失速率随着荷载循环次数增加而逐渐降低。在0.035%和0.07%应变幅循环作用下，恢复应力分别损失10%和20%，需要在补强设计中加以考虑。其主要由时变非线性变形引起，和奥氏体-马氏体相变相关。重复加热后，恢复应力损失大部分可以恢复。同时，基于试验和文献数据提出了Fe-SMA材料疲劳强度模型。

3 Fe-SMA加固钢结构疲劳性能

Fe-SMA材料的研究与应用相比NiTinol材料起步较晚。由于Fe-SMA价格显著低于NiTinol，可直接选用Fe-SMA片材施加预应力补强含损伤结构。已有研究将经预拉的Fe-SMA通过机械锚固方法固定于钢构件表面，采用电流加热（图2）。Izadi等［47］采用机械锚固装置在钢板试件两面固定Fe-SMA片材（预拉伸2%），之后采用直流电源加热Fe-SMA至260°C，产生恢复应力353～391 MPa，在钢板中产生最大预压应力74 MPa。在此基础上，Izadi等［48］采用该装置对三块钢板试件进行补强，测试其疲劳性能。试验结果表明，虽然Fe-SMA恢复应力在疲劳荷载作用下有所损失，该补强体系仍能够有效改善含损伤钢构件疲劳性能，在特定设计工况下甚至使初始裂纹停止扩展。此外，Fe-SMA被用于补强焊接接头［49］和钢梁构件［50］，结果发现，基于Fe-SMA的形状记忆效应，能够有效引入预应力，改善构件的静力和疲劳性能。

图2 Fe-SMA补强钢板过程示意图［47］Fig.2 Schematic diagram of Fe-SMA strengthened steel plates［47］

4 环境温度和疲劳荷载对钢结构补强体系的影响

补强体系在服役过程中，会受到环境介质和服役荷载的共同作用。对于FRP补强钢结构体系，已有针对海洋环境、高/低温、射线、干湿循环、冻融循环等因素对FRP补强钢结构体系影响的研究［72-75］。环境温度升高，尤其是超过Tg后，结构粘胶性能大幅下降。CFRP-钢有效粘结长度随着环境温度升高而增加［72］。Feng等［76］对CFRP粘贴补强含中心损伤钢板试件在−40℃、20℃和60℃下的疲劳性能展开研究。结果表明，CFRP补强能够有效延长钢板疲劳寿命达2.0～3.4倍，但补强体系性能显著受制于Tg，并提出了考虑环境温度作用的CFRP补强钢板疲劳性能理论预测方法。Ke等［77］展开类似研究，指出提高结构粘胶养护温度可以提高补强体系在高温下耐受性。

目前针对服役环境下Fe-SMA补强钢结构体系的性能尚无系统研究。Sato等［78］在测试一种组分为Fe-28Mn-6Si-5Cr的SMA时，发现Ms处于−20～25℃，低温工作时，材料发生奥氏体向马氏体的转变，恢复应力降低。Ghafoori等［79］比较了不同厚度Fe-SMA片材在荷载和高温下的力学性能，指出荷载增加，蠕变起始温度和失效温度均降低，而升温速率对其影响不大。有关疲劳荷载对Fe-SMA恢复应力的影响已经在“2 Fe-SMA材料恢复应力”中指出。

5 与NiTinol-FRP复合材料补强钢结构疲劳性能对比

基于SMA形状记忆效应，已有研究采用NiTinol材料和纤维增强复合材料（FRP）制作NiTinol-FRP复合材料，对含损伤钢结构进行修复补强。Dawood等［63］采用拉拔试验对NiTinol与FRP界面性能展开研究，试验发现两种不同的破坏模式，分别为无相变粘结失效与相变后粘结失效，并标定了不同破坏模式及不同NiTinol丝材直径对应的有效粘结长度。进一步地，El-Tahan等［64］、El-Tahan和Dawood［65］制作了NiTinol和FRP复合片材，将NiTinol丝材两端布置于FRP材料中，中部暴露，预拉后加热，测试其恢复应力随疲劳荷载的变化规律。试验结果表明，NiTinol在约束条件下加热至165℃可产生390 MPa恢复应力，不同激发程度的试件在不同水平疲劳荷载作用下，产生不同程度的恢复应力损失甚至发生断裂破坏，主要受制于NiTinol与FRP的粘结失效应力水平。谈笑［66］预制了NiTinol-CFRP复合材料，通过电流加热测试其恢复应力。由于CFRP为导电材料，引起电流短路，恢复应力降低为同预应力水平下单丝恢复应力的40%～50%。

在此基础上，研究者们采用不同形式的NiTinol-FRP复合材料补强含损伤钢板构件（图3）。Zheng和Dawood［67-68］、Zheng等［69］，采 用 图3（a）所示NiTinol-CFRP复合材料补强含边缘裂纹钢板试件，疲劳试验显示，如荷载水平低于NiTinol-CFRP粘结失效应力水平，200万次循环荷载后预应力维持在初始水平的80%，复合材料补强能够有效发挥两者的作用，钢板试件疲劳寿命延长至26倍。类似的，Abdy等［70］比较了不同数量NiTinol丝材-CFRP复合材料的补强效率。单面粘贴含中心损伤钢板试件后，最高产生25 MPa预压应力，疲劳寿命延长5倍。Li等［71］对NiTinol试件进行预拉后加热测试，恢复应力从70℃时364 MPa降低到室温时93 MPa。NiTinol-CFRP复合材料粘贴后钢板产生压应变103με，含中心损伤试件疲劳寿命延长2.7～6.0倍。

图3 不同形式NiTinol-FRP复合材料示意图Fig.3 Schematic diagram of NiTinol-FRP hybrid materials

6 结论

已有针对Fe-SMA材料恢复应力展开研究，Fe-SMA材料可以提供较高水平恢复应力，同时具有较好的疲劳性能，在钢结构疲劳性能修复补强领域有显著的发展潜力和应用空间。基于形状记忆效应，Fe-SMA可以用于便捷地施加预应力，无需传统预应力施加方式的液压设备等装置。Fe-SMA补强钢结构疲劳性能已有一定的研究成果，在以下方面可以做进一步探讨：

（1）对于Fe-SMA恢复应力研究，多集中于不同组分、不同激发条件等因素对材料恢复应力的影响，对于复杂服役条件作用下Fe-SMA恢复应力的演化规律探讨较少。

（2）已认识到可以采用Fe-SMA便捷地施加预应力，对含损伤钢构件进行疲劳补强。认识到环境温度和疲劳荷载可能对Fe-SMA恢复应力产生影响，但尚无Fe-SMA补强钢结构体系性能演化的系统研究，有待展开进一步工作。

（3）已有CFRP补强含损伤钢结构疲劳性能的分析与模拟成果可以为Fe-SMA补强含损伤钢结构疲劳性能提供参考，但由于补强材料性能差异，相关研究成果并不能直接应用。

因此，有必要开展完整、系统的试验研究，同时结合数值模拟和理论分析，对复杂服役条件下Fe-SMA补强含损伤钢结构性能演化机理做深入探讨，揭示相应的疲劳裂纹扩展规律，为准确评定Fe-SMA材料补强钢结构疲劳性能、进行疲劳补强设计提供理论依据。