摘要：碳纤维增强复合材料目前在混凝土桥梁加固中广泛应用。采用预应力技术可以克服普通碳纤维板加固技术的缺陷和不足，避免碳纤维剥离破坏，提高碳纤维的强度利用率。本文着重介绍了近年来国内外有关预应力碳纤维板加固法的张拉工艺研究和应用进展。
关键词：桥梁工程；碳纤维材料；预应力技术；张拉工艺
0 引言
土木建筑行业中桥梁工程占有重要地位。建国以来我国早期建设的混凝土桥梁大部分由于结构老化、设计缺陷等问题已不再适用，采用实用经济的加固措施对结构进行加固修复非常必要。
预应力碳纤维板加固技术结合体外预应力加固技术和粘贴碳钎维板加固技术，可发挥两种技术的优势，显著提高结构的屈服荷载和开裂荷载，并克服普通碳纤维加固技术碳纤维过早剥离破坏的缺陷，充分利用碳纤维材料的强度，提高结构的承载能力。目前，预应力碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用日益广泛。本文就近几年国内外预应力碳纤维板加固技术的研究现状进行综述，重点介绍预应力碳纤维板加固混凝土梁桥的张拉工艺研究与应用现状。
1 预应力碳纤维板张拉工艺研究
预应力碳纤维片材加固混凝土结构施工过程一般包括下列工序：（1）施工准备；（2）混凝土表面处理；（3）配制找平材料并对不平整处修复处理；（4）安装碳纤维板张拉机具及锚具；（5）给碳纤维片材施加预应力；（6）粘结、锚固碳纤维片材；（6）表面防护。上述施工过程中，施加预应力的张拉方法是影响加固效果的核心问题。
综合国内外各种预应力碳纤维板加固受弯构件的预应力施加方法，将预应力张拉工艺分为以下四类：
1.1 反拱法
先将碳纤维板用结构胶粘结到加固构件的受拉面，当碳纤维板与梁的粘结力还足够小时，利用顶升装置在加固构件的跨中部位顶升起拱，待结构胶固化后，卸除顶升装置，利用梁自重或其上荷载的作用使碳纤维片材间接产生预应力（如图1示）。这种方法没有锚固系统，在试验研究中施工操作简单，但是该方法产生的预应力水平较低，施工时需要大型的基座和顶升装置，难以应用于实际的桥梁加固工程。
图1 反拱法
1.2 利用独立于加固梁的张拉设备张拉
将张拉设备固定在反力支座上（如混凝土柱等），对碳纤维板进行张拉后，用结构胶将其粘结于加固构件的受拉面。待胶固化后，移除张拉设备（如图3示）。HLeeming[1]等人利用该方法成功地进行了预应力碳纤维板加固混凝土构件的弯曲性能试验研究，试验表明：由于不受结构变形的限制，通过外部基座张拉碳纤维板可较充分利用碳纤维材料的性能，产生较高的预应力。但是该方法必须将张拉设备固定于加固构件以外的基座上，现场操作性不大。
图2 利用反力架直接张拉
1.4 温度变化法
碳纤维片材在一定温度变化范围内有热缩冷胀的特性，利用混凝土与碳纤维片材线膨胀性质的差异可得到一种使碳纤维板获得预应力的方法。适当降低温度，使得碳纤维片材相对伸长而混凝土构件相对缩短，待碳纤维片材的伸长量达到要求后将其粘贴在混凝土构件的受拉面。温度恢复时，碳纤维板相对缩短而混凝土构件相对伸长，由此对混凝土构件施加了预应力。这种方法目前尚处于试验阶段，具有一定的前景。但施工操作中预应力、温度的控制等还存在很大的问题，还无法应用于工程实际中。
1.3 利用固定于加固梁的张拉设备直接张拉
利用角钢等装置将张拉设备固定于加固构件上，通过机械外力张拉碳纤维片材后，直接将碳纤维板锚固在加固构件表面。目前，大部分研究者都采用该方法。此方法可以和碳纤维板的端部永久锚固相结合，张拉工作完成后，张拉设备的一部分作为永久锚固固定在碳纤维片材的端部。根据预应力碳纤维板是否粘贴在梁表面利用固定于梁的张拉设备直接张拉又可分为有粘结和无粘结两种[2]：（1）有粘结加固法先将碳纤维板涂上树脂胶，在树脂胶固化之前对碳纤维板进行张拉。张拉完毕后，将碳纤维板粘结、锚固在加固构件上。（2）无粘结加固施工工艺就是在有粘结加固法的基础上省却粘贴碳纤维板的步骤，即除两端对碳纤维板锚固外，中间碳纤维板与加固梁之间无粘结。无粘结加固法的原理与传统的体外预应力水平拉杆的原理相同，只不过此法中的拉杆由碳纤维板替代。利用固定于加固梁的张拉设备直接张拉碳纤维板可使碳板产生较高的预应力，充分发挥碳纤维板的高强性能，且该方法无需大型基座，在加固工作完成后直接拆除张拉设备进行下一步工作，更适用于加固现场的施工操作。
目前在实际工程中，张拉碳纤维板时都需要用树脂胶将其和加固构件粘结在一起。对于无粘结的加固法，仅Yang[3]等人从试验角度证实采用无粘结张拉加固法与有粘结张拉加固法的加固效果相差不大。无粘结张拉加固法在实际工程中是否适用，还需要进一步的试验和研究。
2 国内外的应用进展
20世纪80年代，瑞士联邦实验室的Meier等人系统地研究了用FRP板代替钢板加固混凝土结构的加固技术，并在1991年首次采用CFRP板成功加固瑞士Ibach桥[4]。随后，日本、美国等国家也开始使用外部粘贴碳纤维片材对损伤的建筑结构进行加固。1998年，德国Gomadin-gen市的Lauter桥成功采用预应力碳纤维板加固技术进行加固修复，是世界首例预应力碳纤维板加固桥梁；1999年，英国牛津Hythe桥首次采用预应力碳纤维板加固修复金属桥梁结构。目前，在国外SIKA公司是比较有代表性的预应力碳纤维板加固公司，该公司的Stresshead加固技术已经应用于国内外多座受损桥梁。其最大的特点是碳纤维板与Stresshead锚具须根据实际要求先在工厂预制成一个整体，从而保证锚固效果[5]。但是由于其碳纤维板与锚具一体化，须先确定现场的情况进行预制，技术要求高，施工周期长。且其预应力碳纤维板张拉机具结构复杂重量大，使用起来并不方便。
1997年我国正式对碳钎维片材加固技术进行研究，并有部分已经应用于桥梁加固的实际工程当中。2006年尚守平等采用基于压片式锚固体系的碳纤维板加固技术对G106过道上金刚头桥进行加固，这是亚洲首次也是世界上第三例成功运用预应力碳纤维板加固技术加固的桥梁[6]。近几年，我国对预应力碳纤维板加固混凝土梁桥的应用日益增多。卓静等采用基于铰式锚的碳钎维板预应力张拉技术加固了连霍国道干线天水至定高速公路的龙头嘴大桥及重庆肖家河大桥[7]，还有云南水麻高速公路第10合同段K307+831的混凝土T梁桥[8]、呼和浩特市鼓楼箱梁立交桥[9]等都是采用预应力碳钎维板加固技术进行加固。
3 结语
随着预应力碳纤维板加固技术的研究和应用日趋成熟，预应力碳纤维板在桥梁中的应用一定会更加广泛。
参考文献
References：
[1] Hollaway, L.C., and Leeming, M.B.. Strengthening of Reinforced Concrete structures using Externally-Bonded FRP Composites in Structural and Civil Engineering[M]. CRC press, England,1999： 327-358
[2]邓朗妮，张鹏，燕柳斌，等. 预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁施工工艺及试验研究[J]. 混凝土. 2009,(8)：117-119
[3]Dong-Suk Yang, Sun-Kyu Park, Kenneth W. Neale. Flexural behaviour of reinforced concrete beams strengthened with prestressed carbon composites[J].Composite Structures.2009,(88)：497-508
[4]岳清瑞. 我国碳纤维(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑，2000,30(10)：23-26
[5]刘耀武，张保和，钮新春. 预应力碳纤维板加固既有铁路桥梁的方法与实践[J].铁道建筑，2014,(11)：44-47
[6]尚守平，吴建任，张毛心，等. 预应力碳纤维板加固系统的预应力损失试验[J].公路交通科技. 2012,29(1)：70-75
[7]卓静，黄福伟. 预应力碳纤维板快速加固新工艺及工程应用[C]. //工业建筑杂志社有限公司. 第七届全国建筑建设工程FRP应用学术交流会论文文集.北京：工业建筑. 2011:258-263
[8]赵井卫，涂金平，周永涛. 预应力碳纤维板加固混凝土T梁桥的设计与应用[J]. 公路.2013，(1)：149-153
[9]白旭亮，李建茹.鼓楼立交桥预应力碳纤维板加固施工技术简介 [J]. 山西建筑.2019，(2)：57-60
论文作者:杨甜1,詹林昊2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：碳纤维论文; 预应力论文; 混凝土论文; 构件论文; 锚固论文; 技术论文; 桥梁论文; 《基层建设》2019年第13期论文;