一、 概述
目前，我國(guó)有大量的混凝土橋梁由于各種原因需要維修或加固，因此探索更有效、更合理、更經(jīng)濟(jì)的加固方法和加固材料成為研究的熱點(diǎn)。用碳纖維布進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固是近年來新興的并在工程中得到了廣泛應(yīng)用的一種高技術(shù)加固修復(fù)結(jié)構(gòu)方法。碳纖維布具有很高的比強(qiáng)度和比模量、極好的耐腐蝕性能及耐久性、施工便捷、易于施工裁減等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。但是由于用這種方法加固構(gòu)件中的碳纖維布在主筋屈服以后才能夠發(fā)揮其高強(qiáng)度，對(duì)梁的開裂荷載和屈服荷載提高程度有限，對(duì)梁在使用階段的各項(xiàng)性能的改善作用也有限。從基本的力學(xué)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果來看，由于受到待加固橋梁的承載歷史和現(xiàn)狀、混凝土強(qiáng)度（應(yīng)變）、鋼筋應(yīng)力（應(yīng)變）、加固后使用條件不同的影響等，目前加固方法存在著碳纖維布強(qiáng)度沒有充分利用的缺陷，即沒有充分發(fā)揮碳纖維布高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為了更加充分、合理地利用碳纖維布的優(yōu)點(diǎn)，取得更好的加固效果，可以將碳纖維布進(jìn)行預(yù)張拉后再用于結(jié)構(gòu)的加固，以便使碳纖維布可以較早的參加工作，從而使其高強(qiáng)度的特點(diǎn)得以提前發(fā)揮，提高加固效果。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究比較少，已有的相關(guān)研究成果有最大預(yù)應(yīng)力水平的研究（Triantafillou 和Deskovic，1991，1992）、用預(yù)應(yīng)力FRP布加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的短期機(jī)械性能的方法（Karam，1993）、預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土板的疲勞試驗(yàn)（R.G.Wight，2001）、碳纖維布加固混凝土梁試驗(yàn)研究（飛渭等人，2002）等。根據(jù)已有研究成果分析，目前在預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究中，預(yù)應(yīng)力施工方法、錨夾具的研制和優(yōu)化、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算等都是亟待解決的關(guān)鍵問題。本文將簡(jiǎn)要分析有關(guān)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土橋梁的基本原理和特征，并根據(jù)試驗(yàn)研究的成果對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土橋梁技術(shù)作一較詳細(xì)的論述。
二、工作原理
利用粘結(jié)材料將預(yù)張拉后的碳纖維布粘貼在混凝土表面，使兩者共同工作，承受荷載作用。
具體原理為首先將
專用張拉預(yù)應(yīng)力設(shè)備固定于橋墩的立面，通過轉(zhuǎn)向軸保證碳纖維布在梁底和張拉設(shè)備間的平滑過渡；然后將碳纖維布一端固定于固定軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)該軸初步拉緊碳纖維布，通過油壓加載系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力，這時(shí)，滑動(dòng)軸在滑槽內(nèi)向下移動(dòng)，通過數(shù)字油壓表讀數(shù)控制預(yù)應(yīng)力程度，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力程度后，整體提升碳纖維布，使碳纖維布均勻地粘貼于梁底面，在端部錨固，待樹脂固化后，切除多余碳纖維布即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力張拉程度。圖1是其程序框圖。
三、張拉設(shè)備
課題組研制的碳纖維布專用張拉設(shè)備如圖2所示。
圖2 預(yù)應(yīng)力碳纖維布專用張拉設(shè)備
該設(shè)備具有張拉碳纖維布、轉(zhuǎn)向、抬升、保持預(yù)拉應(yīng)力等主要功能，適用于對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維布張拉。
四、試驗(yàn)研究
課題組完成的部分試驗(yàn)參見表1、圖3、圖4以及圖5。
表1 試件加固參數(shù)
試件
編號(hào)
|
加固量
|
預(yù)拉力值kN
|
預(yù)應(yīng)力值 MPa
|
預(yù)應(yīng)力程度
|
錨固方式及尺寸
|
備注
|
B1
|
T30型碳纖維布寬度220mm三層
|
0
|
0
|
0
|
端部玻纖箍寬250，中部碳纖維箍?jī)糸g距150(190)，沿梁長(zhǎng)布置
|
對(duì)比梁
（非預(yù)應(yīng)力加固）
|
B2
|
碳纖維布寬度220三層（T30型二層，T20型一層）
|
T30-15.63
T30-15.63
T20-10.42
|
T30-425.4
T30-425.4
T20-426.7
|
0．12
|
端部碳纖布箍寬250，其余箍寬200，凈間距150(190)，沿梁長(zhǎng)布置
|
預(yù)應(yīng)力布加固
|
B3
|
T30碳纖維布寬度220三層
|
0
|
0
|
0
|
端部碳纖布箍寬250，其余箍寬200，凈間距150（190），沿梁長(zhǎng)布置
|
預(yù)應(yīng)力混凝土梁非預(yù)應(yīng)力布加固
|
B4
|
T30碳纖維布寬度220三層
|
22.57
|
614.3
|
0．17
|
端部碳纖布箍寬250，其余箍寬200，凈間距150（190），沿梁長(zhǎng)布置。
|
預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力布加固
|
從圖3～圖5中可以得出以下初步的結(jié)論：
1：預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁可以提高梁的抗裂承載力、屈服承載力以及極限承載力，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁提高更明顯。預(yù)應(yīng)力程度提高效果更明顯。
2：預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁可以改善裂縫、變形等使用性能。
3：對(duì)碳纖維布施加預(yù)拉力可以提高其強(qiáng)度利用率。非預(yù)應(yīng)力加固碳纖維布剝離破壞，而預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固為拉斷破壞。
五、需要深入的研究
5.1張拉控制應(yīng)力
張拉控制應(yīng)力過小，達(dá)不到要求，效果不好；
張拉控制應(yīng)力過大，碳纖維布易斷絲、起毛。
5.2錨固措施
錨固的位置及數(shù)量、錨固方式等不同，加固效果有區(qū)別。
5.3碳纖維布的均勻性
目前碳纖維布編織工藝決定了碳纖維布中碳纖維絲的張緊程度不同，張拉預(yù)應(yīng)力較大的受力狀態(tài)下布的均勻性不能滿足要求。
5.4預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算
由于預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備與張拉工藝尚未規(guī)范化，不同設(shè)備、不同施工方法造成的預(yù)應(yīng)力損失不同；
碳纖維布張拉后的預(yù)應(yīng)力損失在測(cè)量上還存在問題。
5.5預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的疲勞性能
對(duì)于承受動(dòng)載的混凝土梁而言，預(yù)應(yīng)力碳纖維布能否達(dá)到預(yù)計(jì)的加固效果，與其錨固措施的疲勞性能密切相關(guān)，這方面的工作需要進(jìn)一步的研究。
本文工作得到了國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2001AA336010）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)50238030）等課題的資助。
