橋梁加固中自感知預應力碳纖維板的應用

摘要 為評測橋梁加固過程中碳纖維板應力損失程度，推進預應力碳纖維板加固技術在橋梁工程中的應用，文章提出將纖維增強塑料和光纖光柵耦合的設計思路，在分析自感知預應力碳纖維板加固技術原理及監測原理的基礎上，展開預應力碳纖維板性能試驗過程分析及工程應用探討。結果表明，自感知預應力碳纖維板具備較好的溫度、應力感知性能，監測精度高，可對不規范施工起到較好的監督，還能對橋梁加固材料內部應力變化有效施測，在橋梁加固實踐中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 橋梁；加固；自感知預應力碳纖維板；光纖光柵

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）02-0108-03

0 引言

在橋梁加固中引入預應力碳纖維板這種材料，必定會造成應力持續衰減，相應結構承載力水平必然持續衰退。此外，若此種加固材料恰好長時間保持低頻振動，則必定引發材料以及相應部位應力衰減的持續發生、疲勞積累、長期蠕變，十分不利于固件結構穩定。而固件加固施工期間應力損失發生的原因及作用機理相當復雜，所得出的理論結果也會與實際值存在較大差距，無法作為固件運行狀況評測的依據。為此，該文嘗試使纖維增強處理后的塑料和光纖光柵形成加固體系，在取得加固處治效果的同時引入檢測功能，伴隨橋梁運行的同時展開預應力損失情況及程度的監測，為橋梁結構良好運行提供判定依據。

1 自感知預應力碳纖維板加固技術概述

1.1 加固原理

借助錨具系統，按照設計張拉力展開該橋梁加固過程中所用到的預應力碳纖維板的張拉施工，從而得到加固后承載力提高的預應力組合體系。以上過程中按照設計要求所施加的預應力主要發揮著平衡和穩定橋梁自重、外部荷載、結構內力以及結構變形等重要作用[1]，從而充分發揮出碳纖維材料自身強度以及加固處治后結構的極限承載力。

按照以上原理所設計出的預應力碳纖維板加固結構體系中板材的兩端主要借助錨固系統裝置，起到較好的錨固效果，此外還應將膠黏劑均勻涂抹于附近的梁底結構表面，借助千斤頂設備向相應部位施加設計應力。最終保證預應力碳纖維板加固病害橋梁結構的效果得以充分發揮。

1.2 監測過程作用原理

按照以上設計思路，預應力碳纖維板對應力變化的感知和監測，通過碳纖維板內所嵌入的光纖光柵傳感器實現。監測開始后，既定數量的光譜光束直接從光纖解調儀的相應探頭中發射而出，進而順著設計路徑傳遞，直至被碳纖維板內部所預設的傳感器所接收。這一過程中，特定屬性的光波主要表現出反射趨勢，其余屬性的光波則表現出透射趨勢。考慮碳纖維板材料應力應變所表現出的趨勢規律，應借助光柵中心波長進行相關過程反應。

2 預應力碳纖維板性能試驗

2.1 試驗過程

為驗證自感知預應力碳纖維板加固性能，結合加固技術原理及工程實際，制備長500 mm、寬100 mm、厚2 mm的碳纖維板試樣，對該試樣展開溫度變化影像傳感器運行性能及測值精度的檢驗，以便為測試結果的準確性提供可靠保證。試驗開始后，進行碳纖維板光柵中心波長等基礎性數據測值的記錄，再將試樣置入烘箱持續作用30 min，其間保持對碳纖維板光柵中心波長基礎性數據的采集與記錄。為便于記錄結果的橫向比較以及溫度影響程度的量化確定，應依次按照30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃的次序調整和改變測試溫度。此后，制備一條長3 300 mm、寬100 mm、厚2 mm的三柵點碳纖維板，標定后展開可能的應力損失程度的測算。

2.2 試驗結果分析

根據試驗結果，將光柵中心波長和溫度值進行擬合，所得出的兩個變量的關系見圖1。由圖1可知，光柵中心波長隨著溫度的升高而不斷增加，兩變量的關系方程為y=0.008 08x+1 540.319，相關系數R2=0.999 7，具備較好的相關性[2]。根據光纖光柵中心波長變化與應力和溫度的關系可以推求出耦合光柵傳感器碳纖維板溫度系數為808 nm/℃，說明溫度每變化1 ℃，傳感器波長變動808 nm。

按照設備配置及設計要求校準好千斤頂設備后，必須對預應力碳纖維板展開相配套的測量標定，根據相應結果繪制出不同柵點處所對應的光柵中心波長與應力關系曲線。據此能夠看出，不同柵點中心波長與相對應的應力值之間存在較好的線性相關性；以上相應柵點的斜率依次取0.074 9、0.074 3、0.077 1，取值十分接近，意味著該研究所提出的預應力碳纖維板具備較好的應力傳遞性能。此外，根據各柵點斜率值的取定情況，能夠進一步量化得出光柵中心波長值和碳纖維板應變、環境溫度等參數間的相關關系。整個試驗過程在60 min內完成，故溫度對試驗過程及結果的影響可忽略不計。

根據測試結果可知，預應力碳纖維板模量取

160 000 MPa時，根據自感知預應力碳纖維板測試原理，可以求得各柵點處應變系數分別為1.21、1.20和1.23；將該結果與1.2的傳感器自身應變系數相比，結果相差并不大。為便于展開工程計算，可直接以傳感器自身應變系數值為各柵點處的應變系數。

為展開力值損失計算，以規范中力值損失計算方法為基礎，結合工程實際作出以下兩種變通，并得出兩種力值損失計算方法。方法Ⅰ：根據測量和計算，碳纖維板模量為160 000 MPa，寬100 mm，厚2 mm，截面積為200 mm2，參考相關文獻推求力值損失[3]。方法Ⅱ：結合該研究開始前所掌握到的應力值和波長等相關關系及線性相關程度，能夠展開波長變幅量化計算以及力值損失程度的推求。

待實際預應力張拉至設計水平時，張拉力施加期間以及卸除之后波長的取值情況見表1。由此可以看出，不同柵點按照設計要求展開相應數量的張拉施工后所對應的波長損失均能夠進行量化表示，進而可以推算出不同柵點應力損失。結果顯示，方法Ⅰ下各柵點應力損失分別為0.456 kN、0.448 kN、0.466 kN；方法Ⅱ下各柵點應力損失分別為0.458 kN、0.452 kN、0.458 kN。方法Ⅰ所對應的最大、最小力值損失分別達到0.466 kN和0.448 kN；方法Ⅱ所得到的最大、最小力值損失依次取0.458 kN和 0.452 kN。造成這種差異的原因在于所使用的纖維材料模量方面的微小差異。根據以上結果，方法Ⅰ和方法Ⅱ所得到的各柵點應力損失均值分別為0.229%和0.228%，差值非常小。

將預應力碳纖維板持荷14 d，各柵點中心波長均隨時間變化的規律基本一致，充分說明不同柵點碳纖維板在遭受溫度作用后基本表現出一致的收縮。造成這種情況的原因在于預應力按照設計要求施加后，混凝土材料表現出一定的載荷作用，錨固系統相應表現出一定程度的位移[4]。第3 d時光柵中心波長變為1 538.341 nm，溫度增至26 ℃。

3 自感知預應力碳纖維板加固實例

3.1 溫度系數標定

該研究主要選用高低溫試驗箱、溫度計、光纖光柵解調儀等作為預應力碳纖維板溫度系數標定設備。為確保溫度標定結果的可靠性，這一過程對應的測試溫度應從20 ℃起步，逐次升高至50 ℃，待達到最高溫度水平且基本恒定后，展開以上設備監測結果的讀取與記錄。具體見表2。

按照統計學原理進行以上值的擬合處理，所測出的溫度系數值取890 nm/℃，據此可以寫出光柵波長與相關影響因素之間的量化關系，即Δλ=1.2Δε+8.9ΔT，其中Δλ為自感知預應力碳纖維板光柵波長，Δε為碳纖維板應變，ΔT為環境溫度。反推出碳纖維板應變值后，根據《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》（GB/T3354—2014）可以計算出自感知預應力碳纖維板力學指標，其規格為50×2 mm，抗拉強度2 400 MPa，彈性模量170 000 MPa，斷裂伸長率為1.6%。

3.2 張拉裝置及結構膠

試驗過程中主要采用的是設計思路新穎、張拉過程中施力以及受力兩方面均較為均勻、錨固效果良好的ZX-PC-502型楔形擠壓錨具。為取得理想的加固處治效果，必須將其靜載期間對應的錨固效率控制在90%及以上；為確保達到規范要求的應幅，應當展開200×104次的疲勞試驗。此試驗還應當配置相應型號的碳纖維板結構膠，其性能參數值見表3。

3.3 預應力監測

3.3.1 初始數據采集

某病害橋梁自感知預應力碳纖維板凈長12.8 m，每條碳纖維板均在其1/4和1/2處各布設1個測點，相應展開加固梁1/4跨和1/2跨加固效果的監測。兩塊預應力碳纖維板設計張拉力分別為12 t和9 t，設置于2片不同的板梁底部。

3.3.2 預應力測試

使預應力碳纖維板處于水平狀態，使相應部位的相關測點保持在既不受拉也不受壓的狀態，借助該研究所提出的光纖光柵解調儀以及溫度傳感器展開碳纖維板初始波長值和溫度值的檢測。得出的此類加固材料所對應的張拉數據、加固板材安裝并持續受力24 h后的結果見表4。

按照設計要求，在待處治橋梁梁底展開測量放樣，同時植入相應數量的加固錨栓，錨具結構支座完全按照要求進行安裝，預應力碳纖維板也結合設計展開組裝。此后按照張拉力設計值的0%→10%→30%→50%→80%→100%依次展開張拉。根據測試結果可以計算出碳纖維板張拉結束且張拉工裝拆除后的預應力值，2-Ⅰ、2-Ⅱ、3-Ⅰ、3-Ⅱ測點預應力分別取100 kN、107 kN、73 kN和72 kN；與設計力值相比，損失程度均不超出20%的限值。造成這種現象的原因在于千斤頂卸載過程中，進一步壓緊了錨具裝配件間的機械孔隙，使預應力瞬時損失增大，此類情況較好克服，說明以上力值損失存在很大的改進空間。

3.3.3 應力損失監測

根據碳纖維板張拉初始數據、碳纖維板安裝24 h及60 d后的數據波長可以計算出預應力損失值，見表5。3#碳纖維板各測點預應力較為一致，加固24 h后預應力損失較小，此后隨著橋面荷載的增大，加固2個月后預應力損失增大至42.07 kN，也說明自感知預應力碳纖維板后期強度得到充分發揮。

4 結論

工程應用結果表明，自感知預應力碳纖維板能快速、便捷、高效地對碳纖維板應力展開檢測，并能為后期加固效果的評價提供數據資料。待將碳纖維板張拉到位后通過不同錨固件錨固程度的提升以及相應螺栓等附件復擰后，再進行與安裝相反的操作卸除千斤頂，確保相應部件所對應的瞬時應力損失快速降低并得到較好控制。如果說安裝過程是造成橋梁結構加固中碳纖維板預應力損失的主要原因，則構件溫度變形、錨栓蠕變等便是引發病害橋梁結構應用碳纖維板加固后預應力損失的主要方面。通過加強以上環節的控制，取得了較好的加固效果。

參考文獻

[1]王子強. 空心板梁橋張拉預應力碳纖維板加固設計及效果分析[J]. 北方交通， 2023（3）： 5-8.

[2]何勁， 徐溫， 宋丹青， 等. FBG自感知預應力碳纖維板在橋梁加固中的應用[J]. 公路， 2023（1）： 129-134.

[3]何林， 肖開乾， 席曉卿， 等. 自感知碳纖維板在加固工程中的應用[J]. 公路， 2020（11）： 149-154.

[4]魏東海， 夏風波. 智能預應力碳纖維板在舊橋加固中的應用[J]. 工程建設與設計， 2018（5）： 136-138.

收稿日期：2023-11-28

作者簡介：王宇龍（1974—），男，本科，高級工程師，從事公路建設工作。