《Structures》：Performance enhancement of fatigue-cracked steel plate strengthened with adhesively bonded CFRP: A review
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摘要碳纤维增强聚合物（CFRP）具有重量轻、强度高、耐腐蚀、优异的疲劳性能以及强大的设计灵活性等突出优势。因此，使用胶结 CFRP 加固疲劳开裂钢结构已成为一种新型加固技术。本文系统综述了 CFRP 加固疲劳开裂钢结构的研究进展，重点关注胶粘剂的性能、CFRP 与钢之间的界面
摘要
碳纤维增强聚合物（CFRP）具有重量轻、强度高、耐腐蚀、优异的疲劳性能以及强大的设计灵活性等突出优势。因此，使用胶结 CFRP 加固疲劳开裂钢结构已成为一种新型加固技术。本文系统综述了 CFRP 加固疲劳开裂钢结构的研究进展，重点关注胶粘剂的性能、CFRP 与钢之间的界面行为、新兴加固技术以及评估 CFRP 修复疲劳钢结构力学性能的测试方法和相关标准。主要研究结果总结如下：(1) 将纳米材料掺入胶粘剂中可以有效改善其性能，从而增强 CFRP 与钢结构之间的界面性能。使用功能化纳米材料有助于减轻纳米颗粒的团聚，并显著提高胶粘剂的力学性能。当纳米 SiO?和碳纳米管结合使用时，观察到协同增强效应，优于单独使用任何一种材料。此外，分子动力学模拟为了解纳米材料改性胶粘剂的微观机制提供了有价值的见解。(2) 在 CFRP 加固钢结构中，粘结界面的性能起着决定性作用。不同胶粘剂的力学性能和界面失效模式存在显著差异，且粘结界面对环境因素高度敏感，其中高温的不利影响最为明显。此外，胶层厚度对界面性能有显著影响。(3) 对于 CFRP 加固疲劳开裂钢结构，CFRP 的厚度和弹性模量以及加固配置对加固效果和疲劳寿命有重大影响。(4) 在当前研究中，解决高温暴露引起的胶粘剂脱粘仍然是关键挑战，也是 CFRP 加固疲劳开裂钢结构的重要研究方向。将高性能形状记忆合金材料作为未来粘结修复的趋势。
引言
目前，全球钢桥梁老化问题日益突出。遭受疲劳相关损伤的在用钢桥梁数量稳步增长，导致结构性能退化，桥梁坍塌等灾难性事故频发，对全球交通基础设施构成了重大风险。目前，全球许多正交各向异性钢箱梁桥已观察到严重疲劳裂纹，这对工程界构成了一个长期且棘手的挑战 [1,2]。疲劳是限制钢桥梁结构可持续发展的关键挑战之一。因此，寻找一种有效修复钢结构疲劳裂纹的方法至关重要。传统修复技术涉及将钢板的焊接、螺栓连接、铆接或胶结到结构的受损区域。然而，这些方法有明显的局限性：它们可能损坏原始结构并引起应力集中以及焊接残余应力；螺栓在循环载荷下容易发生应力松弛；过高的铆接温度会导致局部材料硬化；钢板粘结会产生较高的界面剥离应力；并且这些方法通常增加结构自重并使施工程序复杂化。因此，国内外迫切需要新材料和技术来加固大量遭受疲劳损伤的现有钢结构。
近年来，随着纤维增强聚合物（FRP）复合材料的快速发展，胶结 CFRP（碳纤维增强聚合物）加固技术已逐渐应用于钢结构的疲劳修复 [3,4]（图 1）。CFRP 材料轻质高强，表现出优异的疲劳抗性、耐久性和强大的设计灵活性。这些优势使得 CFRP 特别适用于钢结构的疲劳加固，同时避免了对原始结构引入新的损伤。然而，CFRP 加固钢结构中的粘结界面是一个关键的薄弱环节。在疲劳载荷和高温的共同作用下，容易发生界面损伤和脱粘，这构成了该领域的主要技术瓶颈 [5,6]。这种限制主要源于使用现有的室温固化胶粘剂，其粘结界面在加固系统中应用时剪切强度不足、耐热性差且韧性不足 [5,[7], [8], [9]]。如果能够克服提高粘结界面整体性能的挑战，并解决该技术瓶颈背后的关键科学问题，基于 CFRP 的修复技术将展现出广阔的应用前景 [10]。
CFRP 与钢结构之间的粘结界面必须满足以下关键性能要求：① 高剪切强度。因为加固后由原始结构承担的载荷部分主要以剪切应力的形式通过粘结层传递到 CFRP 板上。② 满意的耐热性。由于界面胶粘剂是对环境温度敏感的聚合物材料，钢结构表面温度在夏季可超过 60 ℃。据文献报道 [[11], [12], [13]]，室温固化后常用胶粘剂的玻璃化转变温度（Tg）大多低于 50 ℃。如果环境温度超过 Tg，胶粘剂将从玻璃态转变为橡胶态，导致粘结性能显著恶化。③ 足够的韧性。因为疲劳缺陷的加固需要抵抗循环载荷，脆性胶粘剂将导致粘结界面突然失效和较差的疲劳性能。然而，平衡粘结界面的耐热性和韧性具有挑战性。要打破这种“反向关系”并实现卓越的综合性能和功能特性，有必要优化胶粘剂配方或采用性能更优异的增强材料（如纳米材料）。预计纳米材料改性胶粘剂能够通过纳米尺度和分子尺度的合理配置，实现关键性能的协同改善，这涉及不同维度纳米材料的混合、表面功能化以及分子网络链结构参数的优化。因此，从微观角度深入研究改性机制对于优化胶粘剂性能是不可缺少的 [9,14,15]。
因此，全面综述胶结 CFRP 加固疲劳开裂钢结构的最新进展，对于从多尺度、多维度系统地识别关键问题、主要挑战和内在技术局限，以及阐明相关研究的演变趋势至关重要。这一努力对于推进 CFRP 加固技术的前沿具有重大的理论和工程价值。本研究综合了控制胶结 CFRP 加固疲劳开裂钢结构力学性能的关键因素，并在层级尺度上对其进行了分类，包括微观尺度（例如，胶粘剂的纳米改性和通过表面功能化增强界面粘结）和宏观尺度（例如，CFRP 材料性能的优化和加固配置策略）。通过整合全球报道的开创性贡献和最新进展，本综述确定了当前的核心技术重点，如界面剪切强度和热稳定性的协同改善，以及主要瓶颈，包括在恶劣服役环境下的长期耐久性。最后，概述了胶结 CFRP 加固疲劳开裂钢结构的展望研究方向，特别强调界面失效机制的多尺度数值建模和标准化性能评估系统的开发。
章节片段
胶粘剂性能的标准化测试方法和标准
胶粘剂性能主要基于三个核心维度进行评估：拉伸强度、剪切强度和玻璃化转变温度（Tg）。目前，相关的实验方法已经建立，并可作为标准化规范进行测试标准参考。玻璃化转变温度（Tg）可以使用三种方法确定：差示扫描量热法（DSC）[16]、热机械分析（TMA）[17] 和动态机械分析（DMA）[
CFRP-钢粘结接头的界面性能测试方法
CFRP 与钢基底之间的粘结性能主要通过两种类型的测试配置进行研究，如图 7 所示。在单搭接粘结接头配置中（图 7a），CFRP 使用胶粘剂粘结到钢基底上，载荷直接施加到 CFRP 上，而钢基底保持固定。在双搭接粘结接头配置中（图 7b），CFRP 对称地粘结在钢板的两侧。在此配置中，载荷
CFRP 加固开裂钢的实验和有限元模拟
对带有裂纹的 CFRP 加固钢结构进行的实验可以分为小尺寸和大尺寸试件测试。小尺寸测试通常使用小的扁平钢板试件（图 13），设计和制造参考 ASTM D3528–96 (2008) “Standard Test Method for Strength Properties of Double-Lap Shear Adhesive Joints by Tension Loading." 标准。引入人工预裂纹以模拟结构损伤 [[95], [96], [97]]，并施加循环载荷以评估
预应力 CFRP 粘结加固技术
由于胶粘剂粘结性能的限制，仅依靠粘结方法进行加固无法充分利用 CFRP 的高拉伸强度。通过采用预应力 CFRP 加固技术——即在粘结前对 CFRP 进行张拉——显著提高了其强度的利用效率 [154]。CFRP 的预应力通过粘结界面和锚固系统传递到钢结构上，在裂纹处引起主动闭合效应
结论
由于环境影响、循环载荷和材料性能，钢结构在长期服役过程中容易发生疲劳裂纹的萌生和扩展。这严重威胁结构的承载安全性和使用寿命，甚至可能导致因裂纹引起的失稳而造成构件失效。这已成为限制钢结构长期性能的关键瓶颈，也是工程界急需解决的关键技术挑战
CRediT 作者贡献声明
You Li: 初稿写作，项目管理，方法论，形式分析，概念化。Yuhong Liu: 初稿写作，验证。Zhaochao Li: 概念化。Dan Zeng: 验证。Bin Chen: 形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
致谢
作者感谢 国家自然科学基金（项目编号 52308168）、湖南省教育厅科研基金（项目编号 24A0393）、湖南省科技创新计划项目（项目编号 2026RC3225）的资金支持。
You Li|Yuhong Liu|Zhaochao Li|Dan Zeng|Bin Chen
中国湖南省株洲市 412007 湖南工业大学土木与环境工程学院
