陈静波1，陈哲飞1
(1.海宁安捷复合材料有限责任公司，浙江，海宁 314400）
摘要：随着社会的进步及建筑加固业的发展，同时也伴随着已有建筑结构的老化，加固、修复工作的增加，使得外部粘贴碳纤维加固技术的应用范围越来越广泛。从以往的研究与工程应用中可以看出，一般的外部粘帖碳纤维加固技术无法充分的发挥碳纤维的各项性能，对受弯结构的加固仅在结构钢筋屈服以后，才能有效的利用碳纤维的强度。对于此问题，预应力碳纤维加固技术已经开展了相关的研究与实际工作,并取得了良好的成果。
关键词：预应力 碳纤维板 加固
1. 前言
长期以来,使用混凝土和钢材建造的工业与民用建筑和桥梁由于设计和施工不当、运营条件的改变、灾害荷载和环境作用等原因,许多在役的结构都出现了病害,危及交通运输和人身安全,需要进行修复、补强和加固。传统的补强加固方法技术相对成熟,却也有着不同的缺陷或应用范围局限,一般的外部粘帖碳纤维加固技术无法充分的发挥碳纤维的各项性能，对受弯结构的加固仅在结构钢筋屈服以后，才能有效的利用碳纤维的强度。对于此问题，预应力碳纤维加固技术已经开展了相关的研究与实际工作,并取得了良好的成果。
预应力加固是近年来新兴的一项新型加固技术，市场上采用的张拉碳纤维板加固方法大多是单层碳纤维，这种方法也有局限性。当建筑采用预应力碳纤维复合材料加固时，若要显著提高其承载力，所施加的预应力值就越高，因碳纤维板的抗拉强度较高施加高预应力是没问题的，这就要选择可夹持碳纤维板并提供大吨位预应力的锚具，但局限于建筑施工空间有限，张大较多单条碳纤维板在施工上会存在问题，因此，这就需要能提供大吨位预应力，且能夹持多层碳纤维板的锚具系统。本文将着重介绍预应力加固的原理，介绍了预应力碳纤维材料的基本性能，对双层预应力碳纤维板加固建筑进行了研究,探为后续的实际应用开展有针对的研究。
2. 预应力加固技术与碳纤维复合材料的性能与介绍
2.1 预应力加固技术的介绍
预应力加固结构的技术是自20世纪末开始研究的一项新型补强技术，在传统粘贴加固技术上取得了重大突破，它能充分利用碳纤维复合材料的高抗拉强度，避免碳纤维过早剥离的现象，有效地提高结构的强度与刚度，达到减小结构原有裂缝宽度和限制裂缝的形成与发展的效果，显著提高结构的工作性能。其原理与粘贴钢板加固相似，均是在结构的受拉侧粘贴抗拉材料，以起到与结构共同受力，增强配筋的作用。
2.2预应力加固的定义
预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点是通过预应力手段强迫后加部分一拉杆或撑杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，因此，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高。
2.3预应力加固碳纤维复合材料
（1）预应力碳纤维板：碳纤维板弹性模量低而拉伸强度高，充分发挥需要1.5%以上的拉伸变形，而通常构件的变形限制所允许的表面应变远远小于这一便宁，当加固钢筋混凝土结构时这一缺陷更加明显著：钢筋的屈服变形仅为0.18%，即使在不考虑钢筋初始变形的条件下钢筋屈服时碳纤维所发挥的强度也不到12%,因此，采用传统粘贴方式进行碳纤维加固时，碳纤维的高强性能仅能被利用到很少的一部分，大部分的材料强度在结构的正常使用极限状态内都无法正常发挥[]预应力加固技术可使碳纤维在承担结构传递的荷载应力之前就已经处于较高的应力水平，预先发挥了一定的强度，从而实现了其高强性能的充分利用。碳纤维加固预应力碳纤维板即碳纤维加固补强单向板材，采用优质碳纤维原料与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能，预应力碳纤维板在前者已有的特性上提高了结构构件的开裂荷载、屈服荷载，改善使用荷载下的性能。
2.4预应力碳纤维复合材料的优势
非预应力碳纤维加固技术是在结构受拉区域用胶粘剂粘贴碳纤维板材，使其与结构混凝土及内部钢筋共同受力。此工艺效率特别低，因为碳纤维板材的弹性模量脚底，仅为160~165Gpa，而抗拉强度特别高，可达2600Mpa左右，钢筋的弹性模量一般为205Gpa左右,屈服强度仅为305Mpa左右，钢筋发挥屈服强度需要0.0014的拉伸变形，而碳纤维板材要发挥抗拉强度需要0.017的拉伸变形，较钢筋的屈服变形高了11倍多,由此可以说明碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作，不管钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳纤维所能发挥的强度仅为抗拉强度的8.8%,并且在碳纤维发挥全部强度所需要的0.017应变下，混凝土结构会产生大的变形和明显的裂缝。使用非预应力碳纤维板材加固，碳纤维板材所能提供的抗拉能力极低。因此需要对碳纤维板材施加预应力,使其预先发挥一定的强度才能有效的发挥它的高强度。
同时碳纤维板材是当前建筑材料中耐腐蚀性极好的材料之一，所以在野外暴露的环境下，预应力碳纤维板材加固结构更有优势。
预应力碳纤维复合材料加固是有粘结预应力加固，在减小裂缝、提高构件抗弯曲承受力方面也有显著的性能。从而可以表明预应力碳纤维加固技术拥有传统的非预应力纤维加固技术无法比拟的优势，并具有较大的工程实用价值。
3.双层预应力碳纤维板加固施工工艺
3.1双层预应力碳纤维板加固
预应力碳纤维板加固系统由三部分组成：锚具、碳纤维板、结构胶。锚具实现碳纤维板的张拉和固定、结构胶使碳纤维板和被加固的构件形成一个共同受力的整体。用预应力加固技术的碳纤维板能使板材内部的碳纤维在承担结构传递荷载应力之前处于较高的应力水平，预先支配了一定程度上的强度，进而实现高强性能的发挥[]
（1）安装锚固底座
本加固方法需要在梁底安装锚固底座，用于固定碳纤维板张拉系统。本试验浇筑试验梁时，在锚固底座对应位置埋入配套的高强螺栓，在试验准备阶段，将锚固底座安装上去并用配套螺母固定。在实际加固工程中应先确定底座位置，再埋入相应的高强螺栓。
（2）梁底混凝土表面处理
在锚固块安装完全后，在混凝土表面上划出2个锚固块的中心位置连线，连线左右各30mm范围内为预应力碳纤维板粘帖位置，对这些粘帖位置的混凝土表面处理利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不沾物清除干净，使混凝土表面平整、干燥无粉尘。
（3）加固用碳纤维板系统的制作
在碳纤维板系统制作之前，量测两锚固端之间的距离，确定碳纤维板的下料长度；用丙酮擦拭锚固用的波形锚，并将锚固范围内的碳纤维板也擦拭干净；配置碳纤维板专用粘胶剂，涂抹在碳纤维板指定范围内，将2层碳纤维板一层一层放入锚具内，在放置的过程中注意碳纤维板的中线应与波形锚的中线相对应；然后用电动扳手均匀拧紧螺母，即完成碳纤维板系统的制作。
（4）加固用碳纤维板系统的安装
加固用碳纤维板系统通过高强螺杆及弧形转向块与锚具底座相连接，孤形转向块能使碳纤维板受力在同一直线上。安装时应轻拿轻放，尽量不要使碳纤维板受到碰撞，以免损坏碳纤维板。
（5）涂抹碳纤维板专用胶
用酒精擦拭粘帖用碳纤维板的表面，在两层碳纤维板之间及上层碳纤维表面涂抹粘帖碳纤维板专用胶。
（6）张拉预应力碳纤维板系统
将张拉用千斤顶及反力板安装在张拉端，在碳纤维板专用胶涂抹好后，按照0%-10%-20%-50%-100%的程序进行预应力张拉，每张拉一级后进行伸长位移测量，并计算实际伸长量，误差控制在6%以内。
（7）粘帖碳纤维板系统
在张拉完成后，紧固张拉端螺母，卸掉千斤顶，通过自反力装置将压板顶至梁底，使碳纤维板与梁底紧密贴合，拧紧压板螺母，完成碳纤维板的粘帖
4.预应力碳纤维复合材料在建筑加固中的应用案例
云阳汤溪大桥位于重庆市云阳县省道S103渝巴路K419+885处，是一座16m+130m+16m+16m组合式桥梁。桥面净—8+2x0.75安全带栏杆。现桥设计荷载等级：汽车-20级，挂-100级；桥面纵坡0%，桥面横坡双向2.0%。
本桥建于2003年，在2014年该桥经常性检查中发现，靠近云阳侧引桥梁底存在多条横向贯通裂缝，裂缝宽度最大达到0.35mm，经分析属于桥梁结构裂缝，桥梁裂缝宽度已超过规范规定范围限制，经现场调查，通行于该桥的交通量较大，且重型车较多，桥梁已遭受不同程度的损坏，在长期荷载作用下，会影响桥梁结构的使用性和耐久性。因此，综合考虑经济及社会效益，决定对该桥进行加固改造。
由于汤溪大桥的梁底板质量较差，采用在腹板位置设置锚固座，并采用双层碳纤维板加固，在梁底施加2000KN的预应力，加固汤溪大桥提高其承载能力，结合有限元分析软件对加固前后桥梁受力性能的研究，经分析可知：经过加固后桥梁抗弯承载能力得到相应的提高，平均提高7.4%-11.8%；加固后裂缝宽度明显减小，平均减小幅度为6.1%-15.4%；主梁挠度明显有所减小，且挠度提高幅度达到12.2%-12.8%，说明加固后桥梁的整体承载力及刚度得到提高。
5.总结
碳纤维增强复合材料在土木工程中的应用越来越广泛，使用预应力碳纤维加固技术可提高受弯构件的承载力,显著减小结构变形,延缓梁开裂,充分利用材料性能,大大节省材料及工程造价，技术效果要好于传统体外预应力加固技术,从而减小维护成本。双层预应力碳纤维板加固技术因其可靠性及独到的施工工艺在加固方面有很大的优势和广阔的发展空间，对梁桥及施工空间有限的建筑加固能有效的提高其刚度及抗弯性能。
