预应力CFRP加固法在桥梁工程中的应用现状及展望

摘 要：预应力CFRP加固法较非预应力CFRP加固法更能发挥CFRP高强的材料性能，具有更加广阔的应用前景。本文就预应力CFRP加固法的材料特点、预应力施加工艺、应用进展以及国内外的研究现状作了总结，并展望了此方法的未来研究方向。

关键词：预应力；CFRP；加固；桥梁工程

前言

碳纤维增强材料(CFRP)中可用于土木建筑结构加固修复的形式有很多种,见图1：

图1用于结构加固修复CFRP材料类型

从国内外看,在长纤维的CFRP中,用于结构加固中最多的材料形式是片材,其次是棒材。在片材中,布状材料使用量最大,每年达近200万m2,且技术最成熟[2]。

传统的粘贴碳纤维片材加固法兴起于20世纪80年代的美国、日本等发达国家。经过20多年的实践和研究发现[4]：①由于CFRP强度很高而弹性模量与钢筋相似，致使采用直接粘贴CFRP片材加固混凝土梁时，CFRP片材的高强度特点仅在梁中受拉钢筋屈服后才能发挥。在钢筋屈服前，片材的抗拉强度没有得到充分的发挥，使用阶段的加固效果也不理想，对构件开裂荷载和屈服荷载的提高幅度不大；②环氧树脂层传递的剪力有限；③CFRP在受拉的同时还承受一个由曲率带来的剥离应力；④延性不足；⑤耐火性与耐高温性能差。

因此针对以上传统粘贴碳纤维片材方法的弊端，近几年，在一些桥梁加固中已陆续采用预应力CFRP加固法。通过对CFRP施加预应力既可提高桥梁结构承载力,又可显著减小结构变形,提高结构刚度,充分利用材料性能,大大节省材料及工程造价。预应力CFRP不仅可以采用片材形式，也可以做成体外CFRP预应力筋的形式。

为CFRP施加预应力的方法

预应力施加的施工工艺是影响预应力CFRP片材加固效果的一个核心问题。目前已经使用了6种施加方法：

1)、利用独立于加固梁的张拉设备直接张拉

通过独立于待加固的混凝土梁的张拉设备(设备可固定于梁端混凝土柱或台座上)张拉CFRP布，在CFRP布上涂刷树脂后将其粘贴于梁底，待树脂固化后卸去张拉设备。目前绝大多数张拉设备仅限于试验室应用，仅清华大学叶列平等研制开发了预应力CFRP布加固梁的张拉设备，具有一定的现场可操作性。但是，由于该方法必须将张拉设备固定于加固混凝土梁以外的反力支座上，在实际工程中可能受现场条件制约。

2)、利用固定于加固梁的张拉设备直接张拉

利用安装于混凝土梁两端的滚轴将CFRP布做成回路，将CFRP布两个自由端与手扳葫芦和力传感器连接，利用手扳葫芦收紧CFRP布从而建立预应力，同时使梁起反拱。

3)、利用波形齿夹具锚直接张拉

如图2，先将波形齿夹具锚的下波形齿板以一定间距固接在被加固的结构上，然后将刚浸渍过树脂的CFRP片材粘贴在被加固梁表面上，再先两端(如图2a)后中间(如图2b)地逐步地将CFRP片材锚固于被加固梁表面上固接的下波形齿板上。对CFRP片材而言，两端固定后，中间锚具锚固CFRP片材时会强迫CFRP片材几何变形产生伸长，从而在CFRP片材中建立预拉力。该方法施工工艺简便，但是在梁端部弯剪区打孔固定锚具对梁本身造成一定损伤，同时施加的预应力度不易控制，造成理论分析困难。

图2 串联波形齿夹具锚预应力装置

4)、反拱法

该工艺的预应力施工过程为:先将CFRP片材用粘结树脂粘贴到钢筋混凝土梁的受拉面，当梁与CFRP片材的粘结力还很小时，利用千斤顶在梁跨中位置顶升起拱，待树脂固化后去除顶升装置，在梁自重或其上荷载作用下使CFRP片材间接产生拉应力。由于反拱法的顶升幅度较小且受裂缝开展宽度限制，获得的预应力水平较低。

5)、利用CFRP片材的长度随温度变化的特性直接张拉

利用CFRP片材与混凝土之间较大的温度变形差，适当的降低温度，使混凝土构件相对缩短而CFRP片材相对伸长，待CFRP片材伸长值达到要求后将其粘贴于梁上，待温度恢复正常时，CFRP片材相对缩短而混凝土梁相对伸长，从而在CFRP片材上建立预应力。该方法正处于试验阶段，具有较好的应用前景。

6)、对体外CFRP预应力筋直接张拉

体外CFRP预应力筋结构结合了体外预应力和CFRP材料的优点,有希望被广泛应用于桥梁结构加固中。其预应力的施加方法与传统钢制体外预应力筋的预应力施加方法一致，但其锚具研制工作的滞后制约了CFRP作为体外预应力筋不能广泛应用于桥梁加固中。

预应力CFRP加固法在国内外的应用进展与研究现状

1、国内外的应用进展

1998年，德国Gomadin-gen市Lauter桥加固修复工程首次成功实施预应力碳纤维板材加固；1999年，英国牛津Hythe桥加固修复工程首次应用预应力碳纤维板材加固金属桥梁结构。2006年，彭晖等人[3]在亚洲范围内首次也是世界第三例将预应力碳纤维板加固技术应用于国道G106线金刚头桥并获得了成功。2008年，京广线和石(石门)长(长沙)线交汇处的下行线上的一座钢筋混凝土T梁简支梁桥采用预应力CFRP板进行加固。

CFRP作为体外预应力筋的形式在桥梁加固中应用尚未见报道，但在新建的桥梁工程中已有采用。在2009年完工的何圩分离式立交桥成为我国首座碳绞线体外预应力桥梁。

2、国内外的研究现状

Deuring[6]对采用非预应力及预应力碳纤维板加固的大比例T形构件的弯曲性能进行了试验研究。得出结论：对于上述试件为发挥碳纤维的强度60％的初始应力是必要的。但即使初始应力水平过低或过高，应用预应力碳纤维板材加固较非预应力碳纤维加固将提高构件的承载力，因为预应力将抑制碳纤维发生剥离破坏。Wight使用自行研发的预应力碳纤维布张拉机具进行了预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁的试验研究。认为碳纤维布施加预应力有许多优点，预应力改变了构件的破坏形式，碳纤维布的锚具在防止碳纤维布的剥离方面发挥了十分有效的作用。Heffernan等人进行了粘贴预应力碳纤维布加固的混凝土板的疲劳性能试验研究。指出与粘贴非预应力碳纤维布加固的试件相比，预应力碳纤维布加固的试件表现出了更为优越的疲劳性能。尚守平等人对预应力碳纤维布材加固混凝土梁构件的性能做了初步的研究，并提出了应用预应力碳纤维布材加固梁构件的施工工艺。李庆伟等人提出观点认为预应力碳纤维布加固混凝土结构技术是一种加固效果明显，应用前景广阔的加固技术，在这项技术中对锚固方式的研究是一个至关重要的问题。张坦贤、吕西林等人对粘贴预应力碳纤维布加固的一次受力及二次受力受弯构件的弯曲性能进行了试验研究。杨勇新等人撰文指出预应力碳纤维加固技术中预应力损失是一个至关重要的问题。裴杰等人对应用体外预应力CFRP筋局部加固混凝土梁进行了研究，给出了加固距离的确定方法。王鹏等人探讨了体外预应力CFRP筋的蠕变、温度膨胀等特性和筋束弯曲的问题及它们在结构设计中的影响；并就采用CFRP筋施加体外预应力的预应力损失做了细致的分析,给出了设计建议。方志等人经过对体外CFRP筋预应力混凝土箱梁长期受力性能试验研究，认为：碳纤维(CFRP)筋具有优异的物理力学性能,可用于替代传统的预应力钢筋。

展望

与传统的非预应力CFRP加固法相比较，预应力CFRP加固法更能充分发挥CFRP高强的材料性能，同时更能提高桥梁结构承载力，又可显著减少结构变形，提高结构刚度。但是，由于目前进行的研究工作严重滞后和不足，阻碍了预应力CFRP加固法在桥梁工程中的广泛应用，因此我们今后在这一领域开展的研究工作应围绕以下几方面进行：

1、锚具及张拉设备的研制

研制可靠的锚具和简便的张拉系统，是预应力CFRP加固法广泛应用于桥梁加固工程急需解决的问题。由于体外预应力CFRP筋的横向抗剪强度较低，传统的预应力钢筋锚具不再适用。目前出现的体外预应力CFRP筋的配套锚具的效果都不理想，这要求我们尽快研制出理想的锚具及简便的张拉系统。

2、预应力碳纤维加固构件的承载性能与延性性能呈现矛盾性，应深入研究，尽快确定这两方面的指标，尽可能同时满足两方面设计目标。

3、张拉控制应力大小的确定

由于CFRP材料的抗拉强度高，但延性较差，这样使得预应力值不能过大；同时考虑不影响桥梁加固效果，张拉控制应力就必须控制在一个合理的范围。目前国内外的研究都没有得出具体数据范围，这也是急需解决的问题之一。

4、预应力损失计算

目前，对于CFRP筋的预应力损失研究较多，但是对预应力CFRP片材在桥梁加固中的预应力损失研究只有杨勇新等人[9]做过。

在预应力CFRP片材的预应力损失中，放张引起的预应力损失是最主要的因素，它与施加的预应力控制值、CFRP的层数、宽度、长度以及弹性模量E均有关。

5、对体外CFRP预应力筋混凝土结构的抗剪性能及长期性能进行更深入和系统的研究。

结语

随着预应力CFRP加固法研究工作的逐步完善，预应力CFRP加固法在桥梁工程中一定会得到更为广阔的应用前景。

参考文献

飞渭,江世永,曾祥蓉.体外预应力FRP片材加固混凝土结构的研究现状及发展. 后勤工程学院学报.2004(4):12-16

韦成龙,朱伟清,刘小燕,张欣.碳纤维布加固桥梁结构的应用与研究现状及展望. 湖南交通科技.2008.34(3):86-89

彭晖.预应力碳纤维片材加固钢筋混凝土受弯构件的性能研究[D].长沙:湖南大学博士论文, 2006.

胡春红,戎涛,张川.预应力CFRP加固混凝土结构的研究现状.煤炭技术.2006.25(12):84-86

彭晖,尚守平,张建仁,李传习.预应力碳纤维板加固T梁的试验与理论研究.公路交通科技.2009.26(10):59-65

6、Deuring,M.,Post-Strengthening of Concrete Structures with Pretensioned

Advanced Composites.published by the EMPA in German as EMPA Research Report No.224,1993:247-313

7、尚守平,彭晖,童桦等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究.建筑结构学报,2003,24(5):24-30