桥梁加固中自感知预应力碳纤维板的应用

摘要 为评测桥梁加固过程中碳纤维板应力损失程度，推进预应力碳纤维板加固技术在桥梁工程中的应用，文章提出将纤维增强塑料和光纤光栅耦合的设计思路，在分析自感知预应力碳纤维板加固技术原理及监测原理的基础上，展开预应力碳纤维板性能试验过程分析及工程应用探讨。结果表明，自感知预应力碳纤维板具备较好的温度、应力感知性能，监测精度高，可对不规范施工起到较好的监督，还能对桥梁加固材料内部应力变化有效施测，在桥梁加固实践中具有广阔的应用前景。

关键词 桥梁；加固；自感知预应力碳纤维板；光纤光栅

中图分类号 U445.4文献标识码 B文章编号 2096-8949（2024）02-0108-03

0 引言

在桥梁加固中引入预应力碳纤维板这种材料，必定会造成应力持续衰减，相应结构承载力水平必然持续衰退。此外，若此种加固材料恰好长时间保持低频振动，则必定引发材料以及相应部位应力衰减的持续发生、疲劳积累、长期蠕变，十分不利于固件结构稳定。而固件加固施工期间应力损失发生的原因及作用机理相当复杂，所得出的理论结果也会与实际值存在较大差距，无法作为固件运行状况评测的依据。为此，该文尝试使纤维增强处理后的塑料和光纤光栅形成加固体系，在取得加固处治效果的同时引入检测功能，伴随桥梁运行的同时展开预应力损失情况及程度的监测，为桥梁结构良好运行提供判定依据。

1 自感知预应力碳纤维板加固技术概述

1.1 加固原理

借助锚具系统，按照设计张拉力展开该桥梁加固过程中所用到的预应力碳纤维板的张拉施工，从而得到加固后承载力提高的預应力组合体系。以上过程中按照设计要求所施加的预应力主要发挥着平衡和稳定桥梁自重、外部荷载、结构内力以及结构变形等重要作用[1]，从而充分发挥出碳纤维材料自身强度以及加固处治后结构的极限承载力。

按照以上原理所设计出的预应力碳纤维板加固结构体系中板材的两端主要借助锚固系统装置，起到较好的锚固效果，此外还应将胶黏剂均匀涂抹于附近的梁底结构表面，借助千斤顶设备向相应部位施加设计应力。最终保证预应力碳纤维板加固病害桥梁结构的效果得以充分发挥。

1.2 监测过程作用原理

按照以上设计思路，预应力碳纤维板对应力变化的感知和监测，通过碳纤维板内所嵌入的光纤光栅传感器实现。监测开始后，既定数量的光谱光束直接从光纤解调仪的相应探头中发射而出，进而顺着设计路径传递，直至被碳纤维板内部所预设的传感器所接收。这一过程中，特定属性的光波主要表现出反射趋势，其余属性的光波则表现出透射趋势。考虑碳纤维板材料应力应变所表现出的趋势规律，应借助光栅中心波长进行相关过程反应。

2 预应力碳纤维板性能试验

2.1 试验过程

为验证自感知预应力碳纤维板加固性能，结合加固技术原理及工程实际，制备长500 mm、宽100 mm、厚2 mm的碳纤维板试样，对该试样展开温度变化影像传感器运行性能及测值精度的检验，以便为测试结果的准确性提供可靠保证。试验开始后，进行碳纤维板光栅中心波长等基础性数据测值的记录，再将试样置入烘箱持续作用30 min，其间保持对碳纤维板光栅中心波长基础性数据的采集与记录。为便于记录结果的横向比较以及温度影响程度的量化确定，应依次按照30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃的次序调整和改变测试温度。此后，制备一条长3 300 mm、宽100 mm、厚2 mm的三栅点碳纤维板，标定后展开可能的应力损失程度的测算。

2.2 试验结果分析

根据试验结果，将光栅中心波长和温度值进行拟合，所得出的两个变量的关系见图1。由图1可知，光栅中心波长随着温度的升高而不断增加，两变量的关系方程为y=0.008 08x+1 540.319，相关系数R2=0.999 7，具备较好的相关性[2]。根据光纤光栅中心波长变化与应力和温度的关系可以推求出耦合光栅传感器碳纤维板温度系数为808 nm/℃，说明温度每变化1 ℃，传感器波长变动808 nm。

按照设备配置及设计要求校准好千斤顶设备后，必须对预应力碳纤维板展开相配套的测量标定，根据相应结果绘制出不同栅点处所对应的光栅中心波长与应力关系曲线。据此能够看出，不同栅点中心波长与相对应的应力值之间存在较好的线性相关性；以上相应栅点的斜率依次取0.074 9、0.074 3、0.077 1，取值十分接近，意味着该研究所提出的预应力碳纤维板具备较好的应力传递性能。此外，根据各栅点斜率值的取定情况，能够进一步量化得出光栅中心波长值和碳纤维板应变、环境温度等参数间的相关关系。整个试验过程在60 min内完成，故温度对试验过程及结果的影响可忽略不计。

根据测试结果可知，预应力碳纤维板模量取

160 000 MPa时，根据自感知预应力碳纤维板测试原理，可以求得各栅点处应变系数分别为1.21、1.20和1.23；将该结果与1.2的传感器自身应变系数相比，结果相差并不大。为便于展开工程计算，可直接以传感器自身应变系数值为各栅点处的应变系数。

为展开力值损失计算，以规范中力值损失计算方法为基础，结合工程实际作出以下两种变通，并得出两种力值损失计算方法。方法Ⅰ：根据测量和计算，碳纤维板模量为160 000 MPa，宽100 mm，厚2 mm，截面积为200 mm2，参考相关文献推求力值损失[3]。方法Ⅱ：结合该研究开始前所掌握到的应力值和波长等相关关系及线性相关程度，能够展开波长变幅量化计算以及力值损失程度的推求。

待实际预应力张拉至设计水平时，张拉力施加期间以及卸除之后波长的取值情况见表1。由此可以看出，不同栅点按照设计要求展开相应数量的张拉施工后所对应的波长损失均能够进行量化表示，进而可以推算出不同栅点应力损失。结果显示，方法Ⅰ下各栅点应力损失分别为0.456 kN、0.448 kN、0.466 kN；方法Ⅱ下各栅点应力损失分别为0.458 kN、0.452 kN、0.458 kN。方法Ⅰ所对应的最大、最小力值损失分别达到0.466 kN和0.448 kN；方法Ⅱ所得到的最大、最小力值损失依次取0.458 kN和 0.452 kN。造成这种差异的原因在于所使用的纤维材料模量方面的微小差异。根据以上结果，方法Ⅰ和方法Ⅱ所得到的各栅点应力损失均值分别为0.229%和0.228%，差值非常小。

将预应力碳纤维板持荷14 d，各栅点中心波长均随时间变化的规律基本一致，充分说明不同栅点碳纤维板在遭受温度作用后基本表现出一致的收缩。造成这种情况的原因在于预应力按照设计要求施加后，混凝土材料表现出一定的载荷作用，锚固系统相应表现出一定程度的位移[4]。第3 d时光栅中心波长变为1 538.341 nm，温度增至26 ℃。

3 自感知预应力碳纤维板加固实例

3.1 温度系数标定

该研究主要选用高低温试验箱、温度计、光纤光栅解调仪等作为预应力碳纤维板温度系数标定设备。为确保温度标定结果的可靠性，这一过程对应的测试温度应从20 ℃起步，逐次升高至50 ℃，待达到最高温度水平且基本恒定后，展开以上设备监测结果的读取与记录。具体见表2。

按照统计学原理进行以上值的拟合处理，所测出的温度系数值取890 nm/℃，据此可以写出光栅波长与相关影响因素之间的量化关系，即Δλ=1.2Δε+8.9ΔT，其中Δλ为自感知预应力碳纤维板光栅波长，Δε为碳纤维板应变，ΔT为环境温度。反推出碳纤维板应变值后，根据《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》（GB/T3354—2014）可以计算出自感知预应力碳纤维板力学指标，其规格为50×2 mm，抗拉强度2 400 MPa，弹性模量170 000 MPa，斷裂伸长率为1.6%。

3.2 张拉装置及结构胶

试验过程中主要采用的是设计思路新颖、张拉过程中施力以及受力两方面均较为均匀、锚固效果良好的ZX-PC-502型楔形挤压锚具。为取得理想的加固处治效果，必须将其静载期间对应的锚固效率控制在90%及以上；为确保达到规范要求的应幅，应当展开200×104次的疲劳试验。此试验还应当配置相应型号的碳纤维板结构胶，其性能参数值见表3。

3.3 预应力监测

3.3.1 初始数据采集

某病害桥梁自感知预应力碳纤维板净长12.8 m，每条碳纤维板均在其1/4和1/2处各布设1个测点，相应展开加固梁1/4跨和1/2跨加固效果的监测。两块预应力碳纤维板设计张拉力分别为12 t和9 t，设置于2片不同的板梁底部。

3.3.2 预应力测试

使预应力碳纤维板处于水平状态，使相应部位的相关测点保持在既不受拉也不受压的状态，借助该研究所提出的光纤光栅解调仪以及温度传感器展开碳纤维板初始波长值和温度值的检测。得出的此类加固材料所对应的张拉数据、加固板材安装并持续受力24 h后的结果见表4。

按照设计要求，在待处治桥梁梁底展开测量放样，同时植入相应数量的加固锚栓，锚具结构支座完全按照要求进行安装，预应力碳纤维板也结合设计展开组装。此后按照张拉力设计值的0%→10%→30%→50%→80%→100%依次展开张拉。根据测试结果可以计算出碳纤维板张拉结束且张拉工装拆除后的预应力值，2-Ⅰ、2-Ⅱ、3-Ⅰ、3-Ⅱ测点预应力分别取100 kN、107 kN、73 kN和72 kN；与设计力值相比，损失程度均不超出20%的限值。造成这种现象的原因在于千斤顶卸载过程中，进一步压紧了锚具装配件间的机械孔隙，使预应力瞬时损失增大，此类情况较好克服，说明以上力值损失存在很大的改进空间。

3.3.3 应力损失监测

根据碳纤维板张拉初始数据、碳纤维板安装24 h及60 d后的数据波长可以计算出预应力损失值，见表5。3#碳纤维板各测点预应力较为一致，加固24 h后预应力损失较小，此后随着桥面荷载的增大，加固2个月后预应力损失增大至42.07 kN，也说明自感知预应力碳纤维板后期强度得到充分发挥。

4 结论

工程应用结果表明，自感知预应力碳纤维板能快速、便捷、高效地对碳纤维板应力展开检测，并能为后期加固效果的评价提供数据资料。待将碳纤维板张拉到位后通过不同锚固件锚固程度的提升以及相应螺栓等附件复拧后，再进行与安装相反的操作卸除千斤顶，确保相应部件所对应的瞬时应力损失快速降低并得到较好控制。如果说安装过程是造成桥梁结构加固中碳纤维板预应力损失的主要原因，则构件温度变形、锚栓蠕变等便是引发病害桥梁结构应用碳纤维板加固后预应力损失的主要方面。通过加强以上环节的控制，取得了较好的加固效果。

参考文献

[1]王子强. 空心板梁桥张拉预应力碳纤维板加固设计及效果分析[J]. 北方交通， 2023（3）： 5-8.

[2]何劲， 徐温， 宋丹青， 等. FBG自感知预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用[J]. 公路， 2023（1）： 129-134.

[3]何林， 肖开乾， 席晓卿， 等. 自感知碳纤维板在加固工程中的应用[J]. 公路， 2020（11）： 149-154.

[4]魏东海， 夏风波. 智能预应力碳纤维板在旧桥加固中的应用[J]. 工程建设与设计， 2018（5）： 136-138.

收稿日期：2023-11-28

作者简介：王宇龙（1974—），男，本科，高级工程师，从事公路建设工作。