預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力損失的研究進(jìn)展

林 浩

（山西省交通科技研發(fā)有限公司 新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

建國(guó)初期建筑了大量的公路橋梁，隨著使用年限的增長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)提高、荷載增加、環(huán)境腐蝕、材料老化、使用功能變更及設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍?，大批橋梁面臨著加固補(bǔ)強(qiáng)或拆除重建，拆除重建不僅給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且封閉交通時(shí)間較長(zhǎng)，加劇交通擁堵等問(wèn)題[1]。

傳統(tǒng)的粘鋼板加固存在的突出問(wèn)題有工期長(zhǎng)、抗腐蝕性差、施工復(fù)雜和耐久性差等[2]。表面粘貼碳纖維板加固技術(shù)，只能發(fā)揮其極限強(qiáng)度的1/5，不能顯著提高被加固結(jié)構(gòu)荷載等級(jí)[3]。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是近年新興橋梁加固技術(shù)，因其具有耐環(huán)境腐蝕、種類輕、強(qiáng)度高、工期短和施工便利等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[4]。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)可以充分發(fā)揮碳纖維板的超高抗拉性能，不僅提高被加固結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，而且有效減小碳纖維板應(yīng)變滯后，避免碳纖維板剝落現(xiàn)象[5]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固系統(tǒng)由錨具、碳纖維板和張拉機(jī)具組成，加固系統(tǒng)良好的機(jī)械性能保證張拉應(yīng)力持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮作用。預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉后預(yù)應(yīng)力損失程度，是加固技術(shù)成功的關(guān)鍵因素，并嚴(yán)重影響到工程的實(shí)際加固可靠性[6-7]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土結(jié)構(gòu)橋梁時(shí)，影響預(yù)應(yīng)力損失的因素主要有：a）張拉、錨固、結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力損失；b）混凝土結(jié)構(gòu)變形引起的預(yù)應(yīng)力損失；c）碳纖維板徐變引起的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失；d）溫度、濕度等環(huán)境因素引起的預(yù)應(yīng)力損失[8-9]。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁預(yù)應(yīng)力損失研究

1.1 短期預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁預(yù)應(yīng)力損失研究

汪志昊[10]等利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)10 m長(zhǎng)的鋼箱梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板的應(yīng)力損失試驗(yàn)，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(yīng)變數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測(cè)了4 h，4 h的應(yīng)變損失率為2.45%，且40 min內(nèi)應(yīng)變損失最大，占初始應(yīng)變的2.2%，占4 h后應(yīng)變損失的88.5%，表明預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在前40 min。說(shuō)明預(yù)應(yīng)力損失來(lái)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?yán)誓輀11]對(duì)2 m長(zhǎng)的HW175×175的Q235型工字鋼梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板中環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠固化過(guò)程的預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)，結(jié)果表明環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠固化后的預(yù)應(yīng)力損失不超過(guò)初始預(yù)應(yīng)力的6%，且環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠固化后，應(yīng)力損失很小。

1.2 長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁預(yù)應(yīng)力損失研究

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

尚守平[13]等在溫度、濕度變化較小的封閉廠房?jī)?nèi)用12 m長(zhǎng)的工字形鋼梁上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板的應(yīng)力損失試驗(yàn)，所用碳纖維板寬度5 cm，厚度1.2 mm，預(yù)應(yīng)力水平為其實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度的48.5%。粘貼電阻應(yīng)變片觀察預(yù)應(yīng)力碳纖維板同一截面長(zhǎng)度及寬度的應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明千斤頂卸載瞬間的應(yīng)變損失為初始應(yīng)變的2.2%，卸載后1 h的應(yīng)變損失為初始應(yīng)變的2.3%，引起預(yù)應(yīng)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(dǎo)致，且這種情況的預(yù)應(yīng)力損失無(wú)法避免；通過(guò)在錨固端用百分表測(cè)試預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固端滑移產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)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(duì)于先錨固端的滑移較大，因?yàn)橄儒^固端張拉過(guò)程中碳纖維板和錨具均已經(jīng)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(chǎn)生一定的變形；通過(guò)將光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板縱向，檢測(cè)預(yù)應(yīng)力碳纖維板在長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力下的應(yīng)變變化情況，結(jié)果表明應(yīng)變變化主要發(fā)生在放張后的前2個(gè)月，2個(gè)月后應(yīng)變變化較小，且4 000 h后的應(yīng)變變化僅為初始應(yīng)變的2%，這其中87.8%的應(yīng)變變化發(fā)生在前2 000 h，也就是說(shuō)碳纖維板的徐變主要發(fā)生在初期階段。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失研究

2.1 短期預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失研究

趙少偉[8]等對(duì)長(zhǎng)4 200 mm，截面尺寸400 mm×300 mm鋼筋混凝土試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，并考察了張拉過(guò)程、錨固過(guò)程、放張瞬時(shí)及放張后至結(jié)構(gòu)膠固化過(guò)程在不同程度預(yù)應(yīng)力水平和梁底是否開(kāi)槽情況下的預(yù)應(yīng)力損失情況。研究表明張拉過(guò)程、放張瞬時(shí)及放張后至結(jié)構(gòu)膠固化過(guò)程隨著預(yù)應(yīng)力水平提高，預(yù)應(yīng)力損失率增大；梁底開(kāi)槽比不開(kāi)槽的試件預(yù)應(yīng)力損失率小。監(jiān)測(cè)了放張后的48 h內(nèi)的預(yù)應(yīng)力損失，表明預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在放張后的4 h內(nèi)。

鄧?yán)誓輀14]等觀察了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁環(huán)氧樹脂固化過(guò)程的預(yù)應(yīng)力損失情況，結(jié)構(gòu)膠固化7 d的預(yù)應(yīng)力損失小于初始應(yīng)力的8%，且環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠固化后的預(yù)應(yīng)力損失非常小。

黃金林[15]等對(duì)長(zhǎng)度為1 850 mm的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力水平分別控制在極限抗拉強(qiáng)度的20%和30%，并分別觀測(cè)了張拉過(guò)程、粘貼碳纖維板過(guò)程、結(jié)構(gòu)膠固化過(guò)程、放張過(guò)程和放張后的預(yù)應(yīng)力損失情況。張拉過(guò)程預(yù)應(yīng)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(duì)碳纖維板二次超張拉，結(jié)果表明二次超張拉可補(bǔ)償預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力水平為20%極限強(qiáng)度的試件預(yù)應(yīng)力損失小于預(yù)應(yīng)力水平為30%極限強(qiáng)度的試件；結(jié)構(gòu)膠固化過(guò)程預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在前60 h內(nèi)，預(yù)應(yīng)力水平為20%極限抗拉強(qiáng)度的試件預(yù)應(yīng)力損失大于預(yù)應(yīng)力水平為30%極限抗拉強(qiáng)度的試件；放張過(guò)程預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在放張后的50 s內(nèi)，初始預(yù)應(yīng)力大，則預(yù)應(yīng)力損失大；放張后20 d的預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在放張后的50 h內(nèi)。

2.2 長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失研究

葉建仁[1]通過(guò)預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)一座服役了21年的實(shí)體混凝土T梁加固，張拉控制應(yīng)力為1 000 MPa，是極限抗拉強(qiáng)度的45%，預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在前兩個(gè)月，預(yù)應(yīng)力損失為0.37%，第三個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失很小，也就是說(shuō)碳纖維板在2個(gè)月后預(yù)應(yīng)力已經(jīng)趨于穩(wěn)定，前兩個(gè)月預(yù)應(yīng)力碳纖維板的預(yù)應(yīng)力損失主要來(lái)自錨具的滑移和碳纖維板的徐變。

尚守平[3]等對(duì)南方一座服役了17年的鋼筋混凝土箱梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，監(jiān)測(cè)了3個(gè)月的預(yù)應(yīng)力變化，其中總的預(yù)應(yīng)力損失為0.37%，且94.9%的應(yīng)力損失發(fā)生在前兩個(gè)月，其推測(cè)預(yù)應(yīng)力損失主要來(lái)源于碳纖維板徐變及錨具滑移，并認(rèn)為錨固系統(tǒng)的錨固性能主要是依靠錨具的機(jī)械性能將預(yù)應(yīng)力碳纖維板的應(yīng)力施加傳遞到橋梁上，而非依靠有機(jī)膠黏劑的黏結(jié)性能。也就是說(shuō)有機(jī)膠黏劑的老化對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固性能的影響很小。

湘潭解放橋上部結(jié)構(gòu)為3×6.5 m預(yù)制實(shí)心板橋，加固時(shí)橋梁服役已達(dá)47年之久，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的有效張拉長(zhǎng)度為5 m，通過(guò)420 d的觀測(cè)，結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力碳纖維板的最大應(yīng)變占初始應(yīng)變的0.25%，預(yù)應(yīng)力碳纖維板的最大滑移為0.021 mm，預(yù)應(yīng)力碳纖維板90%應(yīng)變?cè)黾又饕l(fā)生在前90 d[11]。

洙津渡大橋上部結(jié)構(gòu)為2×30 m+2×50 m+4×30 m+20 m混凝土變截面箱梁，加固時(shí)已經(jīng)服役13年，預(yù)應(yīng)力碳纖維板有效張拉長(zhǎng)度為24 m，連續(xù)觀測(cè)5個(gè)月后，最大應(yīng)變?yōu)?1.81με，占初始應(yīng)變的0.37%，最大滑移為0.043 mm，其主要應(yīng)變變化發(fā)生在應(yīng)力釋放后的前兩個(gè)月[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁和鋼筋混凝土梁短期（一周以內(nèi)）和長(zhǎng)期（大于一周）情況下的預(yù)應(yīng)力損失，分別綜述了預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力損失大小及作用時(shí)間,并考察了預(yù)應(yīng)力水平高低和鋼筋混凝土開(kāi)槽情況對(duì)預(yù)應(yīng)力損失率的影響。

結(jié)果表明短期情況下的預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在放張后的1 h內(nèi)，來(lái)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(zhǎng)期情況則詳細(xì)分析了預(yù)應(yīng)力放張瞬間、碳纖維板在錨固端滑移、碳纖維板徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的貢獻(xiàn)程度及作用時(shí)間；放張瞬間的預(yù)應(yīng)力損失較大，且1 h后趨于穩(wěn)定；錨固端滑移產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失較小，且主要發(fā)生在前3個(gè)月；碳纖維板徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失相對(duì)較大，主要發(fā)生在放張后的前2個(gè)月；預(yù)應(yīng)力水平提高，預(yù)應(yīng)力損失增大；預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時(shí)梁底開(kāi)槽的預(yù)應(yīng)力損失小于不開(kāi)槽的情況。