海南海口 571100
摘要：随着时代的进步以及科学技术的发展，桥梁建设项目也越来越多，桥梁的施工技术也越来越先进、成熟。在众多的技术类型中预应力技术就是施工过程中一项运用最为广泛同是又非常重要的技术。本文通过预应力碳纤维板加固方法的性能特点及加固理论进行分析探讨。
关键词：桥梁工程；预应力；碳纤维板加固技术
一、绪论
1.1 研究背景及意义
随着社会不断的发展，人们对生活质量的要求也越来越高，这极大地促进交通业的发展。如今，不论是车辆的载重还是车流量都大幅度地增加，拖挂运输及集装箱越来越普遍。旧桥无论从承载能力或是对时代的适应性都难以满足新运输形势的需要。面对现在桥梁工程存在部分老化损坏影响结构安全性和耐久性的现象，我们把造成这种现象的原因归咎于以下几点：（1）任何结构在开始设计时都需要设计其使用年限，而现有大量桥梁结构都己经接近或达到该限值；（2）结构的破坏不是一成不变的，它是随环境的恶化和时间的推移在不断加速恶化的；（3）由于现有的结构工程在初始设计时，不论是在材料方面还是在技术条件方面都远远落后于现在，这一特征导致了原本结构设施技能的欠佳；（4）结构在使用期间可能会遭受自然灾害，如：水灾、火灾、地震等，或者钢筋受到氧化等，使结构的承载力下降；（5）结构在施工期间由于人为因素导致混凝土达不到规范要求的强度；（6）由于部分混凝土结构在使用一段时间后缺少正规的检测、必要的维护和保养，可能导致其存在潜在的危险性；（7）随着人们生活质量的不断提高，对交通设施等要求越来越高，若再不采取相应的措施，会带来交通瘫痪，对国家、社会以及经济等各个方面产生影响。
目前，我国现有桥梁中有一大部分都或多或少存在以上问题，对于那些承载能力降低幅度较大，可能威胁到自身安全性的桥梁也不占少数。若要推倒重建这些桥梁是不现实的，不仅耗资巨大，还要封闭交通，给人们带来不便，给国家带来严重的经济负担，这些损失都是我们不可估计的。综合各方面因素，提出一项技术上可行、经济上合理的方案就是对存在安全隐患的桥梁进行加固处理。根据资料显示，既有桥梁的加固费用仅为新建桥梁费用的 10%-30%。可见，对现有桥梁采取维修、加固方法，是一项具有显著经济效益和重大社会效益的工作。
1.2 预应力碳纤维板加固方法的特点
1.2.1 碳纤维材料性能简介
纤维增强复合材料起初应用于航天航空、军事等高科技领域。随着科学技术发展和社会需要，纤维增强复合材料也用于桥梁加固、抗震加固、海洋及海口工程等，被认为是最有前景的材料之一。根据纤维种类不同，FRP 可以分为以下三类：CFRP（碳纤维）、GFRP（玻璃纤维）以及 AFRP（芳纶纤维）。其中 CFRP力学性能最好，同时也是最早应用于土木工程领域、技术最成熟的复合材料。碳纤维材料的优越性能主要体现在以下几个方面：
（1）力学性能：碳纤维材料的抗拉强度≥3000MPa，是普通钢筋抗拉强度的7~12 倍，而其重量却是钢材的几十分之一，且碳纤维材料的模量高。
（2）热学性能：碳纤维材料具有较好的耐高温性能，热膨胀系数较低。
（3）电性能：碳纤维材料沿纤维方向导电性能好，电动势为正值。
（4）耐化学性能：碳纤维材料抗腐蚀性强，一般酸碱对其影响很小，且其具备优良的耐久性、耐水性。
1.2.2 预应力碳纤维板加固法的优点
采用碳纤维板加固法对桥梁进行加固，与原有传统的加固方法相比有显著的优势，具体体现在：
（1）高强高效
碳纤维材料具备强度高和模量高等优异的物理力学性能，同时因其质量轻，比强度和比模量都较高，所以在桥梁结构加固后在不增加原结构的尺寸和自重的情况下，改善了结构的受力性能，提高了结构的承载能力。
（2）具有良好的耐腐蚀性
碳纤维材料具有优异的化学性能，不易与一般酸碱化学物质反应。不仅省去了后期的防腐保养维护，其本身还能起到保护内部的混凝土不受腐蚀作用。解决了其他加固方法的锈蚀问题，保证更持久、更牢固的保护被加固结构。
二、预应力碳纤维板加固理论分析
2.1 预应力碳纤维板加固原理及方法
预应力碳纤维板加固是将碳纤维板固定到构件需加固的位置，通过对碳纤维板施加预应力使混凝土梁内产生一定的预压应力，进而使碳纤维这种高强的结构特性得以发挥，同时还缓解了应变滞后的现象，使结构产生更优的加固效果。产生的预压应力，可以抵消结构自重以及部分荷载的作用，还可以减小结构原有裂缝，提高结构刚度，减小结构挠度，使结构承载能力尽可能大的提高，并使使用阶段的性能得到改善。
预应力碳纤维板加固混凝土梁是一种新颖的结构加固方法，其施加预应力方式共分为以下三种：反拱法、先张法和后张法。其中反拱法仅适用于室内实验室研究，在实际工程加固中操作较困难。采用这种方法获得的预应力较小，无法准确的确定其数值，具有很大的局限性；先张法需要庞大的张拉台座，这就限制了加固构件的长度，否则不易实现。先张法施加预应力所进行的碳纤维板的张拉、粘结加固等，都对设备要求较高，即使是在实验室内做试验研究也是有一定难度的，所以在实际工程中很少应用，故在工程实际应用上常采用后张法对碳纤维板施加预应力。后张法需要在梁上设置永久性锚具，碳纤维板以加固构件本身作为反力架进行预应力张拉，张拉完后卸除千斤顶，施工完毕。该法可以很好的避免由于碳纤维板与加固构件之间的粘结破坏，有效的防止加固梁的早起破坏，使得强度得到充分发挥，且适用性广，对构件尺寸没有特殊限制要求，同时该方法不需要使用张拉设备，更便于现场施工。
2.2 预应力碳纤维板应力损失的计算
2.2.1 张拉控制应力
张拉控制应力是预应力片材张拉时所控制达到的最大应力值，现有规范都将预应力损失扣除起点设定为该值。该值conσ 既不能定得过高，也不能过低。若张拉控制应力过高，可能会使碳纤维板梁提前发生破断，也可能会引起端部区域混凝土的局部破坏或胶层粘结的剥离破坏，同时梁的延性会有一定程度的下降，碳纤维板提前失效对桥梁加固就毫无意义；若张拉控制应力过低，预应力的效果不明显，使碳纤维材料高强性能无法充分发挥。总之，张拉控制应力的取值与材料性质、预应力施加方法及张拉设备都有密切的关系，应从理论研究角度和实际工程应用角度综合考虑来确定。
2.2.2 预应力损失和碳纤维板的有效张拉应力
对碳纤维板施加预应力考虑该项预应力损失只需研究后张法即可。若张拉过程是一次完成的，那么可以不考虑该项损失，因为混凝土的弹性压缩是在张拉过程中完成的。但在实际的工程中，一般不会仅采用一条碳纤维板进行加固，也不会只进行一次张拉。在张拉预应力碳纤维板时，后批张拉的预应力碳纤维板产生的混凝土弹性压缩变形会对前批张拉的产生影响，进而产生了预应力损失。
三、加固方案
随着桥梁加固技术的不断发展，每一座桥梁的加固方法都不会是唯一的，也不会存在任何一种加固方法适用于所有桥梁。加固的目的是恢复甚至提高桥梁的承载能力，同时还可以延长桥梁的使用寿命，只有原结构在截面尺寸或构造等各方面都满足一定条件时，才可实施加固措施，否则盲目的采取加固措施是没有意义的。那么如何在众多的加固方法中选择一种最合理的方法，就需要在满足施工、外观以及投资等各方面要求的同时，达到预期加固的效果，这不仅仅需要丰富的加固经验，严格的计算分析也是必不可少的。本文通过对依托工程 5×30m 预应力混凝土简支转连续箱梁试验观察，发现该桥由于主梁施工工程的不当以及在自然环境下存放三年且未施加保护措施造成了部分混凝土出现裂缝，预应力钢束存在失效的情况，使桥梁承载能力下降，安全储备有所降低，会影响桥梁长期使用，其中存在预应力失效的钢束均位于箱梁顶板负弯矩区，且每束钢束失效程度均为 20%。具体失效钢束有：第 6 号墩右幅 6 号梁 T6 束左侧束、第 7 号墩左幅2 号梁 T6 束左侧束、第 7 号墩右幅 7 号梁 T4 束 2 束以及第 8 号墩右幅 6 号梁T3 束中间束。T1-T3 钢束横断面布置图如图 4.1，T4-T6 钢束横断面布置图如图 4.2，T1-T3 钢束平面布置图如图 4.3，T4-T6 钢束平面布置图如图 4.4 所示。
通过上表对常用加固方法的分析对比可知，每种方法都有其各自的优缺点，不能仅仅凭借一条优势就选取该方法，也不能因为一点劣势就否定该方法。加固方法的好坏，应综合的来衡量：①功效，即达到相同的加固效果所需要的成本；②工效，即时间成本，它对运营效益有很大的影响；③时效，即加固后能够保持的时间。权衡利弊，最终选取预应力碳纤维板加固方法为最优方案。
四、结论
与传统加固方法相比较，预应力碳纤维板加固法具有许多优良的特性，比如：高强高效、良好的耐腐蚀性、施工方便以及适用性广等，这种加固方法更适应现在及未来社会的需要，更具经济性。本文通过采用理论分析、成桥试验以及数值模拟方法，对预应力碳纤维板加固方法做了详尽的分析研究，这不仅具有很大的理论意义，还有很大的工程实际应用价值。主要研究内容及成果如下：
结合工程实例，对加固前连续梁桥进行成桥荷载试验，了解桥梁当前的工作状态和使用能力，并针对发现的问题提出相应的解决措施；通过利用桥梁博士有限元软件对依托工程在原设计、实际施工和加固后的三种工况进行对比分析计算，得出预应力碳纤维板加固法在工程实际应用中效果良好，可以为今后该方法的应用起到一定指导意义。
参考文献
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论文作者:符运波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/12
标签：碳纤维论文; 预应力论文; 桥梁论文; 方法论文; 结构论文; 应力论文; 材料论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;