1、预应力 CFRP 加固法在桥梁工程中的研究与展望摘 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 中图分类号：TU997 文献标识码： A 前言 碳纤维增强材料(CFRP)乃英文 Carbon Fibre Reinforcement Polymer 的首字母缩写,意为碳纤维增强材料。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
2、,布状材料使用量最大,每年达近 200 万 m2,折合碳纤维约51056105kg,且技术最成熟1。 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2：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；环氧树脂层传递的剪力有限；CFRP 在受拉的同时还承受一个由曲率带来的剥离应力；延性不足；耐火性与耐高温性能差。
3、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。 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，文献3中共总结了前 5 种施工方法： 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)
4、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 先将波形齿夹具锚的下波形齿板以一定间距
5、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，再先两端后中间地逐步地将 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。 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
6、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 CF
7、RP 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 加固法在国内外的研究现状 1、国内外的研究现状 Deuring4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。 Wight5使用自行研发的预应力碳纤维布张拉
8、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。得出的结论：对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，由粘贴表面混凝土的撕裂剥离破坏变成了 CFRP 的拉断，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。 Garden 提出报告称：为了显著提高构件的刚度及承载能力，较高的预应力对预应力碳纤维来说是必要的。预应力水平至少要达到碳纤维极限强度的 25%。 李庆伟等人8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
9、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。 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
10、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
11、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
12、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 岳清瑞.我国碳纤维(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望.工业建筑 2000.30(10):23-26 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 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 Deuring,M.,Post-Strengthe
13、ning of Concrete Structures with Pretensioned Advanced Composites.published by the EMPA in German as EMPA Research Report No.224,1993:247-313 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
