预应力CFRP片加固技术发展与应用
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摘 要：本文介绍了碳纤维材料的特性及近年来我国及碳纤维预应力加固技术的发展现状。探讨了碳纤维预应力加固技术机理与特点以及该技术在桥梁工程实践的应用实例。对国内预应力CFRP板加固混凝土桥梁不足之处进行简要分析，并对将来的发展趋势进行展望。
关键词：CFRP；预应力；加固
1 前言
近些年来桥梁结构由于结构设计荷载等级偏低、结构构件老化、使用环境恶劣、养护不及时、施工操作不当和严重超载等多方面原因，国内钢筋混凝土桥梁损坏与老化日趋严重，目前而言全国已出现了许多的旧桥危桥。其中，据统计，仅重庆市急需加固大中型旧危桥和承载力不足的桥梁就有数百余座。为了充分发挥已建旧危桥梁在我国国民经济发展中的经济与社会效益，促进国民经济发展，缩减国家对桥梁和交通大规模投资与节省桥梁维护成本。现今亟需寻求可靠而实用的桥梁加固方法以经济、高效、可靠地对这些旧危桥混凝土结构进行加固和补强。笔者通过对近年来新兴CFRP预应力加固技术发展与应用的研究，旨在为桥梁加固指明新的可选方案；浅析该预应力技术发展现状和发展方向， 对将来CFRP预应力技术发展行展望。
2 复合材料及该加固技术发展现状
随着材料学的兴起与发展，20世纪70年代纤维复合材料加固技术在土木工程中便运用而生。纤维增强复合材料或复合材料（Fiber Reinforced Plastic 简称FRP） 是由基体材料和增强材料组分组成，目前国际上常用FRP材料主要由环氧树脂基体的碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、玄武岩纤维（BFRP）、芳纶纤维（AFRP）构成[1]。尤其是CFRP材料力学性能与传统的钢板加固技术相比由于其具有强高度、质轻、耐腐蚀、非磁性、施工方便、工期短等优点而备受国内外关注。碳纤维（CFRP）其极限抗拉强度最大可达3400MPa左右，为普通高强度钢丝强度的三倍左右。如上所述，碳纤维加固技术尽管有着与传统材料加固技术无法比拟的优点，碳纤维片材加固混凝土结构的方法目前得到了学术和工程协会广泛的认可，但其高强特性并没有得到充分发挥，因此采用预应力技术来克服该缺陷，成为目前国内外研究的热点。
3 碳纤维预应力加固技术的机理及关键因素
预应力碳纤维板加固的基本原理就是在碳纤维板承载结构传递的荷载应力之前通过千斤顶预先张拉碳纤维板来施加预应力使其处在较高的应力水平，预先发挥一定的材料强度，从而实现对其高强抗拉性能的有效利用。
预应力碳纤维板加固系统主要由三部分组成：锚具、碳纤维板、碳纤维板材胶。锚具主要功能是实现碳纤维板的张拉和固定、碳板胶使碳纤维板和锚具及被加固的构件形成一个共同受力的整体。在这三个组成部分中锚具是决定混凝土结构其加固效果关键。利用预应力碳纤维材料对梁进行加固能充分发挥纤维材料的高强度特性，提高梁的抗弯刚度、开裂、屈服荷载和极限承载力，提高构件的疲劳寿命等优点。CFRP加固对提高受弯构件的抗弯能力特别有效，抗弯加固时，纤维方向沿着受拉的方向粘贴[2]，已有的试验研究表明，CFRP 加固对既有梁极限抗弯承载力的提高可以达到 60%以上，然而碳纤维材料与钢材相比，由于其横向抗压强度和抗剪能力都较低 致使不能采用传统锚固钢材的方式对其进行锚固， 这也是制约其目前不能得到广泛应用的关键因素之一[3]。
在预应力片材锚固系统内，预应力筋同时受到纵向拉力和横向压力效果以及摩擦力作用。且主应力超过CFRP 筋的临界值发生破断时， 预应力系统过早失效， 使CFRP 筋的抗拉强度得不到充分发挥。因此需要设计新型的锚具， 供锚固CFRP筋使用。由于构成CFRP材料的纤维强度、树脂品种、生产工艺、碳纤维规格很多，很难找到适用于各种类型号碳纤维筋的锚具。因此能否研发出某些高效的锚固系统便成为突破预应力CFRP加固技术瓶颈的关键所在。
目前国内适用于CFRP预应力加固的成套锚具，按其受力机理可大体分为三类锚具：①粘结型锚具②机械夹持型锚具③其他锚具
（1）粘结型锚具。粘结型锚具主要通过粘结介质、套筒、端堵等结构通过界面的粘结力、咬合力、摩擦力来传递剪力。其优点在于能够避免咬坏碳纤维板片材，锚固效果可靠，适应范围较广。不足在于，灌胶工艺难控制，对粘结介质的性能要求较高，固化时间也较长。
（2）机械夹持型锚具。即通过机械咬合力与摩擦力对碳纤维筋进行锚固，其机理与粘结型锚具作用机理类似。常见种类有CFRP片材波形齿锚具、CFRP棒材锚具。其优点在于能够灵活地调整锚固的片材或棒材的锚固长度。缺点在于容易产生受力不均、偏心的张拉情况，以致于产生局部受力不均破坏。
（3）其他锚具。除上述锚具外，还有机械夹持-粘结型锚具、CFRP筋并式-复合型锚具，国外学者研究开发的其他锚具系统， 例如， Reda Taha 等新近开发了一种非金属锚具， 这种锚具由抗压强度高达200MPa 以上的特制超高性能混凝土制成锚环及夹片， 代替了钢制锚环及夹片[4]。这些锚具具有上述锚具的部分功能或不具有的独特功能，能够适应于不同要求或有特殊要求的工作环境下可靠工作。
4 碳纤维优越性与预应力加固工程实例
普通钢筋的弹模一般为200GPa，抗拉强度为320MP左右，要发挥抗拉强度需要0.15%的拉伸变形。而碳纤维一般强度板材弹模为160-170GPa左右，其抗拉强度可达2700MPa，要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸变形；当碳纤维板材与构件内部钢筋协同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的8.8% ；而在让碳纤维发挥全部强度所需要的1.7%的应变下，混凝土结构会产生很大的变形及裂缝，且碳纤维片材两端的剥离破坏也限制了作用的发挥。
由此可见，碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、但抗拉强度却是钢筋的5 倍，因此碳纤维材料发挥其强度时变形较大，钢筋屈服或混凝土破坏时，碳纤维的强度还没有充分发挥出来，预应力碳纤维加固技术可较好的解决这个问题，从而充分发挥了碳纤维的抗拉强度，而且大大提高碳纤维材料的有效利用率。2013年11月汉十高速养护部门采用预应力碳纤维板技术对孝南互通匝道桥塔柱有索面进行了加固处理，这是预应力碳纤维板技术在汉十高速乃至湖北省高速公路行业的首次应用。目前碳纤维预应力加固技术发展迅速，近年该技术在不少旧桥危桥上也得到了广泛的应用，如表1所示。随着技术的推广，该技术已经在工程上已产生了巨大的国民经济效益与社会公共效益。
5 结语
CFRP 预应力技术在国内外虽取得了较大的进步与发展但是当今其仍存在着许多技术问题和必须攻克的难关。如碳纤维板锚具的松弛，疲劳。再如碳纤维板锚具的张拉设备、张拉工艺和预紧工艺也是影响预应力加固技术的十分重要的因素。并且就目前而言由于国内CFRP材料生产技术还不够成熟，产能有限，因此用于工程实践时其成本问题也是亟待解决的重要问题之一。再如CFRP材料本身特点表现为各向异性，抗剪强度低，不耐冲击荷载，弹性模量低，需要材料学或工程学科技攻关者们在材料领域转移或克服材料自身的缺陷与不足。相信今后随着科学技术的提高与成熟，CFRP预应力技术将会得到稳步与长远发展。
参考文献
[1]孙衍英，刘伊琳，胡海涛. 玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究[J].青岛理工大学学报， 2010，31（ 1） ： 29 - 32.
[2] 任慧韬，胡安妮，赵国藩，等. 玻璃纤维- 芳纶纤维复合材料加固桥梁试验研究[J]. 公路交通科技，2003，20（ 4） ： 47 - 51.
[3]- [4] 詹界东，杜修力，邓宗才. 预应力FRP 筋锚具的研究与发展[J].工业建筑2006 年第36 卷第12 期
作者简介：
李龙（1988-）、男，湖南省、长沙市人，重庆交通大学硕士研究生、工学硕士，主要从事桥梁与隧道工程方向FRP预应力加固的研究。
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