预应力碳纤维板加固系统预应力损失的研究进展

林 浩

（山西省交通科技研发有限公司 新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030032）

0 引言

建国初期建筑了大量的公路桥梁，随着使用年限的增长、标准提高、荷载增加、环境腐蚀、材料老化、使用功能变更及设计不当等原因，大批桥梁面临着加固补强或拆除重建，拆除重建不仅给国民经济带来极大的经济负担，而且封闭交通时间较长，加剧交通拥堵等问题[1]。

传统的粘钢板加固存在的突出问题有工期长、抗腐蚀性差、施工复杂和耐久性差等[2]。表面粘贴碳纤维板加固技术，只能发挥其极限强度的1/5，不能显著提高被加固结构荷载等级[3]。预应力碳纤维板加固技术是近年新兴桥梁加固技术，因其具有耐环境腐蚀、种类轻、强度高、工期短和施工便利等优点而备受关注[4]。预应力碳纤维板加固技术可以充分发挥碳纤维板的超高抗拉性能，不仅提高被加固结构的刚度和强度，而且有效减小碳纤维板应变滞后，避免碳纤维板剥落现象[5]。

预应力碳纤维板加固系统由锚具、碳纤维板和张拉机具组成，加固系统良好的机械性能保证张拉应力持续稳定发挥作用。预应力碳纤维板张拉后预应力损失程度，是加固技术成功的关键因素，并严重影响到工程的实际加固可靠性[6-7]。

预应力碳纤维板加固混凝土结构桥梁时，影响预应力损失的因素主要有：a）张拉、锚固、结构胶固化、锚具变形、碳纤维板在锚具中的滑移等加固工艺引起的预应力损失；b）混凝土结构变形引起的预应力损失；c）碳纤维板徐变引起的长期预应力损失；d）温度、湿度等环境因素引起的预应力损失[8-9]。

1 预应力碳纤维板加固钢梁预应力损失研究

1.1 短期预应力碳纤维板加固钢梁预应力损失研究

汪志昊[10]等利用实验室内10 m长的钢箱梁进行预应力碳纤维板的应力损失试验，张拉力控制在碳纤维板极限拉力的30%，每隔20 min记录碳纤维板的应变数据，持续监测了4 h，4 h的应变损失率为2.45%，且40 min内应变损失最大，占初始应变的2.2%，占4 h后应变损失的88.5%，表明预应力损失主要发生在前40 min。说明预应力损失来自放张后锚具变形及碳纤维板在锚具中的微小变形及滑移。

邓朗妮[11]对2 m长的HW175×175的Q235型工字钢梁进行预应力碳纤维板中环氧结构胶固化过程的预应力损失试验，结果表明环氧结构胶固化后的预应力损失不超过初始预应力的6%，且环氧结构胶固化后，应力损失很小。

1.2 长期预应力碳纤维板加固钢梁预应力损失研究

尚守平[12]等对12 m的室内H型钢梁进行了330 d的试验观测，其分别对宽度为5 cm和10 cm的碳纤维板粘贴了电阻应变片观测碳纤维板张拉过程中同一截面长度和宽度方向的应力分布情况，张拉力为拉伸强度的45%，测试结果表明宽为5 cm和10 cm的碳纤维板的初始张拉应变分别为6 447 με、6 486 με；将百分表安装在锚固支座处观测碳纤维板锚固端滑移量，结果表明其最大滑移量为0.025 mm，主要滑移发生在前180 d，10 cm和5 cm宽预应力碳纤维板滑移产生的应变分别占预应力碳纤维板初始张拉应变的0.032%、0.035%；其对预应力碳纤维板长期应力作用下的徐变性能观测是采用沿预应力碳纤维板纵向布设光纤光栅传感器的方法，并布设了温度传感器用以消除预应力碳纤维板外部温度对应力应变的影响，结果显示5 cm和10 cm宽预应力碳纤维板最大应变变化占初始应变的值分别为0.22%和0.26%，其应变变化主要发生在张拉锚固后的前60 d，后期变化已经趋于稳定。

尚守平[13]等在温度、湿度变化较小的封闭厂房内用12 m长的工字形钢梁上进行预应力碳纤维板的应力损失试验，所用碳纤维板宽度5 cm，厚度1.2 mm，预应力水平为其实测极限抗拉强度的48.5%。粘贴电阻应变片观察预应力碳纤维板同一截面长度及宽度的应力分布情况，结果表明千斤顶卸载瞬间的应变损失为初始应变的2.2%，卸载后1 h的应变损失为初始应变的2.3%，引起预应力损失是由于后锚固锚具的压缩变形和碳纤维板材的弹性回缩导致，且这种情况的预应力损失无法避免；通过在锚固端用百分表测试预应力碳纤维板锚固端滑移产生的预应力损失情况，4 000 h后先锚固端的滑移为0.022 mm，后锚固端的滑移为0.037 mm，后锚固端相对于先锚固端的滑移较大，因为先锚固端张拉过程中碳纤维板和锚具均已经被挤压，而后锚固端在千斤顶放张后受到挤压碳纤维板和锚具均产生一定的变形；通过将光纤光栅应变传感器布设于预应力碳纤维板纵向，检测预应力碳纤维板在长期预应力下的应变变化情况，结果表明应变变化主要发生在放张后的前2个月，2个月后应变变化较小，且4 000 h后的应变变化仅为初始应变的2%，这其中87.8%的应变变化发生在前2 000 h，也就是说碳纤维板的徐变主要发生在初期阶段。

2 预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁预应力损失研究

2.1 短期预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁预应力损失研究

赵少伟[8]等对长4 200 mm，截面尺寸400 mm×300 mm钢筋混凝土试验梁进行预应力碳纤维板加固，并考察了张拉过程、锚固过程、放张瞬时及放张后至结构胶固化过程在不同程度预应力水平和梁底是否开槽情况下的预应力损失情况。研究表明张拉过程、放张瞬时及放张后至结构胶固化过程随着预应力水平提高，预应力损失率增大；梁底开槽比不开槽的试件预应力损失率小。监测了放张后的48 h内的预应力损失，表明预应力损失主要发生在放张后的4 h内。

邓朗妮[14]等观察了预应力碳纤维板加固混凝土梁环氧树脂固化过程的预应力损失情况，结构胶固化7 d的预应力损失小于初始应力的8%，且环氧结构胶固化后的预应力损失非常小。

黄金林[15]等对长度为1 850 mm的钢筋混凝土梁进行了预应力损失试验，预应力水平分别控制在极限抗拉强度的20%和30%，并分别观测了张拉过程、粘贴碳纤维板过程、结构胶固化过程、放张过程和放张后的预应力损失情况。张拉过程预应力损失分别考察了一次超张拉和二次超张拉，二次超张拉是在张拉完成后10 min对碳纤维板二次超张拉，结果表明二次超张拉可补偿预应力损失，预应力水平为20%极限强度的试件预应力损失小于预应力水平为30%极限强度的试件；结构胶固化过程预应力损失主要发生在前60 h内，预应力水平为20%极限抗拉强度的试件预应力损失大于预应力水平为30%极限抗拉强度的试件；放张过程预应力损失主要发生在放张后的50 s内，初始预应力大，则预应力损失大；放张后20 d的预应力损失主要发生在放张后的50 h内。

2.2 长期预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁预应力损失研究

叶建仁[1]通过预应力碳纤维板对一座服役了21年的实体混凝土T梁加固，张拉控制应力为1 000 MPa，是极限抗拉强度的45%，预应力损失主要发生在前两个月，预应力损失为0.37%，第三个月的预应力损失很小，也就是说碳纤维板在2个月后预应力已经趋于稳定，前两个月预应力碳纤维板的预应力损失主要来自锚具的滑移和碳纤维板的徐变。

尚守平[3]等对南方一座服役了17年的钢筋混凝土箱梁进行预应力碳纤维板加固，监测了3个月的预应力变化，其中总的预应力损失为0.37%，且94.9%的应力损失发生在前两个月，其推测预应力损失主要来源于碳纤维板徐变及锚具滑移，并认为锚固系统的锚固性能主要是依靠锚具的机械性能将预应力碳纤维板的应力施加传递到桥梁上，而非依靠有机胶黏剂的黏结性能。也就是说有机胶黏剂的老化对预应力碳纤维板加固性能的影响很小。

湘潭解放桥上部结构为3×6.5 m预制实心板桥，加固时桥梁服役已达47年之久，预应力碳纤维板加固的有效张拉长度为5 m，通过420 d的观测，结果显示预应力碳纤维板的最大应变占初始应变的0.25%，预应力碳纤维板的最大滑移为0.021 mm，预应力碳纤维板90%应变增加主要发生在前90 d[11]。

洙津渡大桥上部结构为2×30 m+2×50 m+4×30 m+20 m混凝土变截面箱梁，加固时已经服役13年，预应力碳纤维板有效张拉长度为24 m，连续观测5个月后，最大应变为21.81με，占初始应变的0.37%，最大滑移为0.043 mm，其主要应变变化发生在应力释放后的前两个月[11]。

3 结语

本文综述了预应力碳纤维板加固钢梁和钢筋混凝土梁短期（一周以内）和长期（大于一周）情况下的预应力损失，分别综述了预应力碳纤维板放张瞬间、锚固端滑移、碳纤维板徐变等情况下预应力损失大小及作用时间,并考察了预应力水平高低和钢筋混凝土开槽情况对预应力损失率的影响。

结果表明短期情况下的预应力损失主要发生在放张后的1 h内，来自放张瞬间的锚具的挤压变形和碳纤维板在锚具中的滑移。长期情况则详细分析了预应力放张瞬间、碳纤维板在锚固端滑移、碳纤维板徐变对预应力损失的贡献程度及作用时间；放张瞬间的预应力损失较大，且1 h后趋于稳定；锚固端滑移产生的预应力损失较小，且主要发生在前3个月；碳纤维板徐变产生的预应力损失相对较大，主要发生在放张后的前2个月；预应力水平提高，预应力损失增大；预应力碳纤维板加固时梁底开槽的预应力损失小于不开槽的情况。