1.前言
長期以來,使用混凝土和鋼材建造的工業(yè)與民用建筑和橋梁由于設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)、運(yùn)營條件的改變、災(zāi)害荷載和環(huán)境作用等原因,許多在役的結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了病害,危及交通運(yùn)輸和人身安全,需要進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)和加固。傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)加固方法技術(shù)相對成熟,卻也有著不同的缺陷或應(yīng)用范圍局限,一般的外部粘帖碳纖維加固技術(shù)無法充分的發(fā)揮碳纖維的各項(xiàng)性能，對受彎結(jié)構(gòu)的加固僅在結(jié)構(gòu)鋼筋屈服以后，才能有效的利用碳纖維的強(qiáng)度。對于此問題，預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究與實(shí)際工作,并取得了良好的成果。
2.預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)與碳纖維復(fù)合材料的性能與介紹
2.1 預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的介紹
預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)的技術(shù)是自20世紀(jì)末開始研究的一項(xiàng)新型補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，在傳統(tǒng)粘貼加固技術(shù)上取得了重大突破，它能充分利用碳纖維復(fù)合材料的高抗拉強(qiáng)度，避免碳纖維過早剝離的現(xiàn)象，有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)原有裂縫寬度和限制裂縫的形成與發(fā)展的效果，顯著提高結(jié)構(gòu)的工作性能。其原理與粘貼鋼板加固相似，均是在結(jié)構(gòu)的受拉側(cè)粘貼抗拉材料，以起到與結(jié)構(gòu)共同受力，增強(qiáng)配筋的作用。
2.2碳纖維復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力加固
預(yù)應(yīng)力碳纖維板：碳纖維板彈性模量低而拉伸強(qiáng)度高，充分發(fā)揮需要1.5%以上的拉伸變形，而通常構(gòu)件的變形限制所允許的表面應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這一便寧，當(dāng)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)這一缺陷更加明顯著：鋼筋的屈服變形僅為0.18%，即使在不考慮鋼筋初始變形的條件下鋼筋屈服時(shí)碳纖維所發(fā)揮的強(qiáng)度也不到12%,因此，采用傳統(tǒng)粘貼方式進(jìn)行碳纖維加固時(shí)，碳纖維的高強(qiáng)性能僅能被利用到很少的一部分，大部分的材料強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)內(nèi)都無法正常發(fā)揮[i]預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可使碳纖維在承擔(dān)結(jié)構(gòu)傳遞的荷載應(yīng)力之前就已經(jīng)處于較高的應(yīng)力水平，預(yù)先發(fā)揮了一定的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了其高強(qiáng)性能的充分利用。碳纖維加固預(yù)應(yīng)力碳纖維板即碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)單向板材，采用優(yōu)質(zhì)碳纖維原料與良好基本樹脂，碳纖維板材具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能，預(yù)應(yīng)力碳纖維板在前者已有的特性上提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載，改善使用荷載下的性能。
表一 碳纖維板性能指標(biāo)
產(chǎn)品名稱
抗拉強(qiáng)度（MPA）
彈性模量（GPA）
伸長率（%）
碳纖維板
≥2400
≥160
≥1.6
2.3預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢
非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)是在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)域用膠粘劑粘貼碳纖維板材，使其與結(jié)構(gòu)混凝土及內(nèi)部鋼筋共同受力。此工藝效率特別低，因?yàn)樘祭w維板材的彈性模量較底，僅為160~165Gpa，而抗拉強(qiáng)度特別高，可達(dá)2600Mpa左右，鋼筋的彈性模量一般為205Gpa左右,屈服強(qiáng)度僅為305Mpa左右，鋼筋發(fā)揮屈服強(qiáng)度需要0.0014的拉伸變形，而碳纖維板材要發(fā)揮抗拉強(qiáng)度需要0.017的拉伸變形，較鋼筋的屈服變形高了11倍多,由此可以說明碳纖維板材與構(gòu)件內(nèi)部鋼筋共同工作，不管鋼筋原有的初始應(yīng)變，鋼筋屈服時(shí)碳纖維所能發(fā)揮的強(qiáng)度僅為抗拉強(qiáng)度的8.8%,并且在碳纖維發(fā)揮全部強(qiáng)度所需要的0.017應(yīng)變下，混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大的變形和明顯的裂縫。使用非預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固，碳纖維板材所能提供的抗拉能力極低。因此需要對碳纖維板材施加預(yù)應(yīng)力,使其預(yù)先發(fā)揮一定的強(qiáng)度才能有效的發(fā)揮它的高強(qiáng)度。
同時(shí)碳纖維板材是當(dāng)前建筑材料中耐腐蝕性最好的材料之一，所以在野外暴露的環(huán)境下，預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。
預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料加固在減小裂縫、提高構(gòu)件抗彎、承受力方面也有顯著的性能。從而可以表明預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)擁有傳統(tǒng)的非預(yù)應(yīng)力纖維加固技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，并具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。
3.預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料在加固中的應(yīng)用案例
位于江蘇省南通市如皋市石莊鎮(zhèn)的石莊立交橋，由于年限已久、車流量大出現(xiàn)了底板大量橫向裂縫、腹板大量豎向裂縫；個別支座老化開裂；墩身破損、伸縮縫縱向開裂的現(xiàn)象。南通市公路管理處委托蘇交科集團(tuán)股份有限公司對橋梁進(jìn)行橋梁維修加固設(shè)計(jì)，由某加固公司承接了此項(xiàng)目的加固，海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)了此項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力碳纖維板和預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具材料的供應(yīng)及技術(shù)支持。
橋面對預(yù)留槽混凝土進(jìn)行注膠處理；2、對空心橋裂縫根據(jù)寬度分別進(jìn)行裂縫注膠開表面封閉處理后，對1-4#底格采用粘貼鋼板處理；對5-9#底板采用粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維布處理；對15-18#底板采用粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板處理；3、更換全橋支座。
2016年12月如皋石莊立橋開始了維修加固，首先對梁底的裂縫進(jìn)行灌縫處理，然后采用厚度為3.0MM，寬度為5CM，抗拉強(qiáng)度不低2400MPA，彈性模量不低于160GPA的預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固，每條預(yù)應(yīng)力碳纖維板長度為15.4米，每條張拉噸位達(dá)到17噸，共張拉52條。主要施工工藝為：底板劃線切槽、鉆孔植筋、安裝支撐底座→混凝土表面打磨清潔→碳纖維錨具組裝→調(diào)制碳纖維板膠并涂抹→碳纖維板分級張拉→表面防護(hù)。
4.總結(jié)
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛，使用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)可提高受彎構(gòu)件的承載力,顯著減小結(jié)構(gòu)變形,延緩梁開裂,充分利用材料性能,大大節(jié)省材料及工程造價(jià)，技術(shù)效果要好于傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù),從而減小維護(hù)成本。同時(shí)此項(xiàng)加固技術(shù)與配套設(shè)備具有較強(qiáng)的可操作性。在結(jié)構(gòu)加固過程中，應(yīng)當(dāng)積極采用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固施工技術(shù)，這對提高結(jié)構(gòu)耐久性和工作性，具有非常重要的作用。
