預應力碳纖維板加固系統預應力損失的研究進展

林 浩

（山西省交通科技研發有限公司 新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

建國初期建筑了大量的公路橋梁，隨著使用年限的增長、標準提高、荷載增加、環境腐蝕、材料老化、使用功能變更及設計不當等原因，大批橋梁面臨著加固補強或拆除重建，拆除重建不僅給國民經濟帶來極大的經濟負擔，而且封閉交通時間較長，加劇交通擁堵等問題[1]。

傳統的粘鋼板加固存在的突出問題有工期長、抗腐蝕性差、施工復雜和耐久性差等[2]。表面粘貼碳纖維板加固技術，只能發揮其極限強度的1/5，不能顯著提高被加固結構荷載等級[3]。預應力碳纖維板加固技術是近年新興橋梁加固技術，因其具有耐環境腐蝕、種類輕、強度高、工期短和施工便利等優點而備受關注[4]。預應力碳纖維板加固技術可以充分發揮碳纖維板的超高抗拉性能，不僅提高被加固結構的剛度和強度，而且有效減小碳纖維板應變滯后，避免碳纖維板剝落現象[5]。

預應力碳纖維板加固系統由錨具、碳纖維板和張拉機具組成，加固系統良好的機械性能保證張拉應力持續穩定發揮作用。預應力碳纖維板張拉后預應力損失程度，是加固技術成功的關鍵因素，并嚴重影響到工程的實際加固可靠性[6-7]。

預應力碳纖維板加固混凝土結構橋梁時，影響預應力損失的因素主要有：a）張拉、錨固、結構膠固化、錨具變形、碳纖維板在錨具中的滑移等加固工藝引起的預應力損失；b）混凝土結構變形引起的預應力損失；c）碳纖維板徐變引起的長期預應力損失；d）溫度、濕度等環境因素引起的預應力損失[8-9]。

1 預應力碳纖維板加固鋼梁預應力損失研究

1.1 短期預應力碳纖維板加固鋼梁預應力損失研究

汪志昊[10]等利用實驗室內10 m長的鋼箱梁進行預應力碳纖維板的應力損失試驗，張拉力控制在碳纖維板極限拉力的30%，每隔20 min記錄碳纖維板的應變數據，持續監測了4 h，4 h的應變損失率為2.45%，且40 min內應變損失最大，占初始應變的2.2%，占4 h后應變損失的88.5%，表明預應力損失主要發生在前40 min。說明預應力損失來自放張后錨具變形及碳纖維板在錨具中的微小變形及滑移。

鄧朗妮[11]對2 m長的HW175×175的Q235型工字鋼梁進行預應力碳纖維板中環氧結構膠固化過程的預應力損失試驗，結果表明環氧結構膠固化后的預應力損失不超過初始預應力的6%，且環氧結構膠固化后，應力損失很小。

1.2 長期預應力碳纖維板加固鋼梁預應力損失研究

尚守平[12]等對12 m的室內H型鋼梁進行了330 d的試驗觀測，其分別對寬度為5 cm和10 cm的碳纖維板粘貼了電阻應變片觀測碳纖維板張拉過程中同一截面長度和寬度方向的應力分布情況，張拉力為拉伸強度的45%，測試結果表明寬為5 cm和10 cm的碳纖維板的初始張拉應變分別為6 447 με、6 486 με；將百分表安裝在錨固支座處觀測碳纖維板錨固端滑移量，結果表明其最大滑移量為0.025 mm，主要滑移發生在前180 d，10 cm和5 cm寬預應力碳纖維板滑移產生的應變分別占預應力碳纖維板初始張拉應變的0.032%、0.035%；其對預應力碳纖維板長期應力作用下的徐變性能觀測是采用沿預應力碳纖維板縱向布設光纖光柵傳感器的方法，并布設了溫度傳感器用以消除預應力碳纖維板外部溫度對應力應變的影響，結果顯示5 cm和10 cm寬預應力碳纖維板最大應變變化占初始應變的值分別為0.22%和0.26%，其應變變化主要發生在張拉錨固后的前60 d，后期變化已經趨于穩定。

尚守平[13]等在溫度、濕度變化較小的封閉廠房內用12 m長的工字形鋼梁上進行預應力碳纖維板的應力損失試驗，所用碳纖維板寬度5 cm，厚度1.2 mm，預應力水平為其實測極限抗拉強度的48.5%。粘貼電阻應變片觀察預應力碳纖維板同一截面長度及寬度的應力分布情況，結果表明千斤頂卸載瞬間的應變損失為初始應變的2.2%，卸載后1 h的應變損失為初始應變的2.3%，引起預應力損失是由于后錨固錨具的壓縮變形和碳纖維板材的彈性回縮導致，且這種情況的預應力損失無法避免；通過在錨固端用百分表測試預應力碳纖維板錨固端滑移產生的預應力損失情況，4 000 h后先錨固端的滑移為0.022 mm，后錨固端的滑移為0.037 mm，后錨固端相對于先錨固端的滑移較大，因為先錨固端張拉過程中碳纖維板和錨具均已經被擠壓，而后錨固端在千斤頂放張后受到擠壓碳纖維板和錨具均產生一定的變形；通過將光纖光柵應變傳感器布設于預應力碳纖維板縱向，檢測預應力碳纖維板在長期預應力下的應變變化情況，結果表明應變變化主要發生在放張后的前2個月，2個月后應變變化較小，且4 000 h后的應變變化僅為初始應變的2%，這其中87.8%的應變變化發生在前2 000 h，也就是說碳纖維板的徐變主要發生在初期階段。

2 預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預應力損失研究

2.1 短期預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預應力損失研究

趙少偉[8]等對長4 200 mm，截面尺寸400 mm×300 mm鋼筋混凝土試驗梁進行預應力碳纖維板加固，并考察了張拉過程、錨固過程、放張瞬時及放張后至結構膠固化過程在不同程度預應力水平和梁底是否開槽情況下的預應力損失情況。研究表明張拉過程、放張瞬時及放張后至結構膠固化過程隨著預應力水平提高，預應力損失率增大；梁底開槽比不開槽的試件預應力損失率小。監測了放張后的48 h內的預應力損失，表明預應力損失主要發生在放張后的4 h內。

鄧朗妮[14]等觀察了預應力碳纖維板加固混凝土梁環氧樹脂固化過程的預應力損失情況，結構膠固化7 d的預應力損失小于初始應力的8%，且環氧結構膠固化后的預應力損失非常小。

黃金林[15]等對長度為1 850 mm的鋼筋混凝土梁進行了預應力損失試驗，預應力水平分別控制在極限抗拉強度的20%和30%，并分別觀測了張拉過程、粘貼碳纖維板過程、結構膠固化過程、放張過程和放張后的預應力損失情況。張拉過程預應力損失分別考察了一次超張拉和二次超張拉，二次超張拉是在張拉完成后10 min對碳纖維板二次超張拉，結果表明二次超張拉可補償預應力損失，預應力水平為20%極限強度的試件預應力損失小于預應力水平為30%極限強度的試件；結構膠固化過程預應力損失主要發生在前60 h內，預應力水平為20%極限抗拉強度的試件預應力損失大于預應力水平為30%極限抗拉強度的試件；放張過程預應力損失主要發生在放張后的50 s內，初始預應力大，則預應力損失大；放張后20 d的預應力損失主要發生在放張后的50 h內。

2.2 長期預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預應力損失研究

葉建仁[1]通過預應力碳纖維板對一座服役了21年的實體混凝土T梁加固，張拉控制應力為1 000 MPa，是極限抗拉強度的45%，預應力損失主要發生在前兩個月，預應力損失為0.37%，第三個月的預應力損失很小，也就是說碳纖維板在2個月后預應力已經趨于穩定，前兩個月預應力碳纖維板的預應力損失主要來自錨具的滑移和碳纖維板的徐變。

尚守平[3]等對南方一座服役了17年的鋼筋混凝土箱梁進行預應力碳纖維板加固，監測了3個月的預應力變化，其中總的預應力損失為0.37%，且94.9%的應力損失發生在前兩個月，其推測預應力損失主要來源于碳纖維板徐變及錨具滑移，并認為錨固系統的錨固性能主要是依靠錨具的機械性能將預應力碳纖維板的應力施加傳遞到橋梁上，而非依靠有機膠黏劑的黏結性能。也就是說有機膠黏劑的老化對預應力碳纖維板加固性能的影響很小。

湘潭解放橋上部結構為3×6.5 m預制實心板橋，加固時橋梁服役已達47年之久，預應力碳纖維板加固的有效張拉長度為5 m，通過420 d的觀測，結果顯示預應力碳纖維板的最大應變占初始應變的0.25%，預應力碳纖維板的最大滑移為0.021 mm，預應力碳纖維板90%應變增加主要發生在前90 d[11]。

洙津渡大橋上部結構為2×30 m+2×50 m+4×30 m+20 m混凝土變截面箱梁，加固時已經服役13年，預應力碳纖維板有效張拉長度為24 m，連續觀測5個月后，最大應變為21.81με，占初始應變的0.37%，最大滑移為0.043 mm，其主要應變變化發生在應力釋放后的前兩個月[11]。

3 結語

本文綜述了預應力碳纖維板加固鋼梁和鋼筋混凝土梁短期（一周以內）和長期（大于一周）情況下的預應力損失，分別綜述了預應力碳纖維板放張瞬間、錨固端滑移、碳纖維板徐變等情況下預應力損失大小及作用時間,并考察了預應力水平高低和鋼筋混凝土開槽情況對預應力損失率的影響。

結果表明短期情況下的預應力損失主要發生在放張后的1 h內，來自放張瞬間的錨具的擠壓變形和碳纖維板在錨具中的滑移。長期情況則詳細分析了預應力放張瞬間、碳纖維板在錨固端滑移、碳纖維板徐變對預應力損失的貢獻程度及作用時間；放張瞬間的預應力損失較大，且1 h后趨于穩定；錨固端滑移產生的預應力損失較小，且主要發生在前3個月；碳纖維板徐變產生的預應力損失相對較大，主要發生在放張后的前2個月；預應力水平提高，預應力損失增大；預應力碳纖維板加固時梁底開槽的預應力損失小于不開槽的情況。