1.前言

長期以來,使用混凝土和鋼材建造的工業(yè)與民用建筑和橋梁由于設計和施工不當、運營條件的改變、災害荷載和環(huán)境作用等原因,許多在役的結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了病害,危及交通運輸和人身安全,需要進行修復、補強和加固。傳統(tǒng)的補強加固方法技術(shù)相對成熟,卻也有著不同的缺陷或應用范圍局限,一般的外部粘帖碳纖維加固技術(shù)無法充分的發(fā)揮碳纖維的各項性能，對受彎結(jié)構(gòu)的加固僅在結(jié)構(gòu)鋼筋屈服以后，才能有效的利用碳纖維的強度。對于此問題，預應力碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究與實際工作,并取得了良好的成果。

2.預應力加固技術(shù)與碳纖維復合材料的性能與介紹

2.1 預應力加固技術(shù)的介紹

預應力加固結(jié)構(gòu)的技術(shù)是自20世紀末開始研究的一項新型補強技術(shù)，在傳統(tǒng)粘貼加固技術(shù)上取得了重大突破，它能充分利用碳纖維復合材料的高抗拉強度，避免碳纖維過早剝離的現(xiàn)象，有效地提高結(jié)構(gòu)的強度與剛度，達到減小結(jié)構(gòu)原有裂縫寬度和限制裂縫的形成與發(fā)展的效果，顯著提高結(jié)構(gòu)的工作性能。其原理與粘貼鋼板加固相似，均是在結(jié)構(gòu)的受拉側(cè)粘貼抗拉材料，以起到與結(jié)構(gòu)共同受力，增強配筋的作用。

2.2碳纖維復合材料預應力加固

預應力碳纖維板：碳纖維板彈性模量低而拉伸強度高，充分發(fā)揮需要1.5%以上的拉伸變形，而通常構(gòu)件的變形限制所允許的表面應變遠遠小于這一便寧，當加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時這一缺陷更加明顯著：鋼筋的屈服變形僅為0.18%，即使在不考慮鋼筋初始變形的條件下鋼筋屈服時碳纖維所發(fā)揮的強度也不到12%,因此，采用傳統(tǒng)粘貼方式進行碳纖維加固時，碳纖維的高強性能僅能被利用到很少的一部分，大部分的材料強度在結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)內(nèi)都無法正常發(fā)揮[i]預應力加固技術(shù)可使碳纖維在承擔結(jié)構(gòu)傳遞的荷載應力之前就已經(jīng)處于較高的應力水平，預先發(fā)揮了一定的強度，從而實現(xiàn)了其高強性能的充分利用。碳纖維加固預應力碳纖維板即碳纖維加固補強單向板材，采用優(yōu)質(zhì)碳纖維原料與良好基本樹脂，碳纖維板材具有拉伸強度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能，預應力碳纖維板在前者已有的特性上提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。

表一 碳纖維板性能指標

產(chǎn)品名稱

抗拉強度（MPA）

彈性模量（GPA）

伸長率（%）

碳纖維板

≥2400

≥160

≥1.6

2.3預應力碳纖維復合材料的優(yōu)勢

非預應力碳纖維加固技術(shù)是在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)域用膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與結(jié)構(gòu)混凝土及內(nèi)部鋼筋共同受力。此工藝效率特別低，因為碳纖維板材的彈性模量較底，僅為160~165Gpa，而抗拉強度特別高，可達2600Mpa左右，鋼筋的彈性模量一般為205Gpa左右,屈服強度僅為305Mpa左右，鋼筋發(fā)揮屈服強度需要0.0014的拉伸變形，而碳纖維板材要發(fā)揮抗拉強度需要0.017的拉伸變形，較鋼筋的屈服變形高了11倍多,由此可以說明碳纖維板材與構(gòu)件內(nèi)部鋼筋共同工作，不管鋼筋原有的初始應變，鋼筋屈服時碳纖維所能發(fā)揮的強度僅為抗拉強度的8.8%,并且在碳纖維發(fā)揮全部強度所需要的0.017應變下，混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大的變形和明顯的裂縫。使用非預應力碳纖維板材加固，碳纖維板材所能提供的抗拉能力極低。因此需要對碳纖維板材施加預應力,使其預先發(fā)揮一定的強度才能有效的發(fā)揮它的高強度。

同時碳纖維板材是當前建筑材料中耐腐蝕性最好的材料之一，所以在野外暴露的環(huán)境下，預應力碳纖維板材加固結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。

預應力碳纖維復合材料加固在減小裂縫、提高構(gòu)件抗彎、承受力方面也有顯著的性能。從而可以表明預應力碳纖維加固技術(shù)擁有傳統(tǒng)的非預應力纖維加固技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，并具有較大的工程實用價值。

3.預應力碳纖維復合材料在加固中的應用案例

位于江蘇省南通市如皋市石莊鎮(zhèn)的石莊立交橋，由于年限已久、車流量大出現(xiàn)了底板大量橫向裂縫、腹板大量豎向裂縫；個別支座老化開裂；墩身破損、伸縮縫縱向開裂的現(xiàn)象。南通市公路管理處委托蘇交科集團股份有限公司對橋梁進行橋梁維修加固設計，由某加固公司承接了此項目的加固，海寧安捷復合材料有限責任公司負責了此項目預應力碳纖維板和預應力碳纖維板錨具材料的供應及技術(shù)支持。

橋面對預留槽混凝土進行注膠處理；2、對空心橋裂縫根據(jù)寬度分別進行裂縫注膠開表面封閉處理后，對1-4#底格采用粘貼鋼板處理；對5-9#底板采用粘貼預應力碳纖維布處理；對15-18#底板采用粘貼預應力碳纖維板處理；3、更換全橋支座。

2016年12月如皋石莊立橋開始了維修加固，首先對梁底的裂縫進行灌縫處理，然后采用厚度為3.0MM，寬度為5CM，抗拉強度不低2400MPA，彈性模量不低于160GPA的預應力碳纖維板進行加固，每條預應力碳纖維板長度為15.4米，每條張拉噸位達到17噸，共張拉52條。主要施工工藝為：底板劃線切槽、鉆孔植筋、安裝支撐底座→混凝土表面打磨清潔→碳纖維錨具組裝→調(diào)制碳纖維板膠并涂抹→碳纖維板分級張拉→表面防護。

4.總結(jié)

碳纖維增強復合材料在土木工程中的應用越來越廣泛，使用預應力碳纖維加固技術(shù)可提高受彎構(gòu)件的承載力,顯著減小結(jié)構(gòu)變形,延緩梁開裂,充分利用材料性能,大大節(jié)省材料及工程造價，技術(shù)效果要好于傳統(tǒng)體外預應力加固技術(shù),從而減小維護成本。同時此項加固技術(shù)與配套設備具有較強的可操作性。在結(jié)構(gòu)加固過程中，應當積極采用預應力碳纖維加固施工技術(shù)，這對提高結(jié)構(gòu)耐久性和工作性，具有非常重要的作用。