陕西中霖集团工程设计研究有限公司
摘要：文章概述了预应力碳纤维加固法的优点和发展历程，提出了在预应力碳纤维加固设计过程中重要参数的取值问题，并给出了自己的建议。
关键词：预应力碳纤维；加固法；极限拉应变；张拉控制应力；预应力损失
一、预应力碳纤维加固技术简介
国内外许多学者提出的各种粘贴碳纤维加固法，承载力的计算方法都有一个基本假定，就是碳纤维片材与混凝土之间完全粘结，无滑移，不考虑剥离破坏形态[1]。而实际上发生剥离破坏是不可避免的。剥离破坏很突然，属于脆性破坏，发生这种破坏时一般碳纤维布的应力未达到其抗拉强度，有时处在较低的水平上。
传统粘贴碳纤维板材加固技术是在结构受拉区域用化学胶粘剂粘贴碳纤维板材，使其与构件混凝土及内部钢筋共同承受拉应力，由于碳纤维板材的弹性模量较低，一般仅为165～170 GPa，而抗拉强度较高，可达2800 MPa，钢筋的弹性模量一般为200GPa，屈服强度仅为300 MPa左右，钢筋达到屈服强度需要0.15%的拉伸变形，而碳纤维板材要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸变形，较钢筋的屈服变形高了11倍多，也即碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的8.8%。
因此传统的粘贴碳纤维加固技术让人感觉华而不实，碳纤维强虽高，但仅粘贴加固无法发挥其高强度的特点。预应力碳纤维板材加固桥梁结构是近几年展开研究的一项新型加固技术，该技术针对粘贴碳纤维片材加固与体外预应力加固技术的缺陷，结合2种技术的优势，可提高桥梁结构承载力，又可显著减小结构变形，提高结构刚度，充分利用材料性能，节省大量材料和工程造价，长期性能的优势也非常突出，可减小加固系统维护成本。另外，预应力碳纤维板材加固为有粘结预应力，与无粘结的体外预应力钢绞线相比，在抑制裂缝、提高构件抗弯承载力方面也具有更突出的性能。
二、预应力碳纤维加固设计计算参数的取值问题
综上预应力碳纤维加固技术综合了粘贴碳纤维片材加固与体外预应力加固技术的优势，但是在加固设计过程中一些重要计算参数的选取缺少规范规定。主要有以下三个重要计算参数在设计时需要明确：
（一）碳纤维允许极限拉应变的取值
很多研究人员在碳纤维加固混凝土梁受弯承载力计算公式中均考虑了碳纤维的降低系数：对于普通碳纤维加固混凝土构件，吴刚提出碳纤维加固梁的受弯承载力计算公式中，碳纤维承担的弯矩乘碳纤维强度折减系数0.5-0.8；屈文俊等建议碳纤维设计强度取极限抗拉强度0．8倍；《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS 146：2003规定：碳纤维的允许极限拉应变εcfu 的2/3和0．01两者较小者；ACI440建议碳纤维布拉应变的限制为[2]：εfe =0.64εfu（室内环境）；εfe =0.58εfu（室外环境），εfu为碳纤维布设计极限拉应变。
在《钢筋混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）中规定纵向受拉钢筋的极限拉应变为0.01，普通碳纤维布加固由于未进行张拉，从理论上来说碳纤维布极限拉应变也难以突破0.01。但对于用预应力碳纤维布加固混凝土梁来说，可以人为的控制预张拉量，在梁的受拉区建立不同预压应力，可使在钢筋应变未达到0.01时，使碳纤维布的拉应变已超过0.01。
本文收集了彭晖5根、张清海7根、孔琴2根、王云丹4根及本文11根共计30根混凝土梁用预应力碳纤维加固的试验数据，分析可知：其中有19根梁的碳纤维应变超过0.01，占总数的64%，说明预应力的施加使碳纤维布强度得到了充分发挥，克服了普通碳纤维加固利用率低的弊端。分析其原因有：（1）预应力的施加不仅解决普通碳纤维加固存在应力滞后问题，而且能使碳纤维的应变超前；（2）碳纤维经过张拉后，在其内部发生了较充分的应力重分布，应力分布较均匀，减小了应力集中；（3）预应力试件中碳纤维的应变增量小于非预应力试件，相应的胶层剪切变形也较小，从而不易发生粘结破坏。因此可以认为，预应力碳纤维加固受弯承载力计算公式中碳纤维允许极限拉应变应较《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》规定有所提高。建议预应力碳纤维布加固混凝土梁碳纤维允许极限拉应变取[εcfu]=0.1h0/h与0.011中的较小者。
（二）张拉控制应力的取值
碳纤维布的张拉控制应力（σcon）是指碳纤维布张拉后达到的最大应力值，也就是碳纤维布张拉后总的预拉力值除以碳纤维布的截面面积所得的应力值。预张拉应力大小直接影响加固梁的加固效果和最终破坏模式，当预张拉应力太高时，由于碳纤维布本身的不均匀性，可能会出现断丝、脱丝和起毛等现象，预应变越大，剩余的变形能力就越少，会导致钢筋还未屈服，碳纤维布就先达到极限拉应变而发生脆性破坏；当预张拉应力太低时，在考虑预应力损失后，加固构件受到的预压应力太小，挠度过大或裂缝过宽，不能满足使用要求，或发挥不了碳纤维布的高强性能的优势，从而达不到预期的加固效果。
在实际工程中，选择合适的预应力水平非常关键，合适的张拉力可以使碳纤维布各点应力得到调整，应力的分布更加均匀，能够有效地提高构件的承载能力。U．Meier等研究认为，在完全卸荷的梁上，碳纤维布的预张拉力只有达到25%，梁的刚度和承载力才有可能上升；达到50%后才能避免剥离破坏，实现最大受弯承载力；达到50%～57%时，由于剩余变形能力较小，容易出现碳纤维布的较早断裂，承载力反而可能下降。分析上述30根预应力碳纤维加固混凝土梁的试验数据可知，当预应力水平超过碳纤维设计极限拉应变40%时，碳纤维的发挥不稳定。30根梁中有24个试件的预应力水平在30%以下，占总数的80%，试验结果表明他们中的大部分可充分发挥碳纤维的高强性能，克服普通碳纤维加固应力滞后的现象，大大提高了混凝土梁的抗裂性能，提高了构件的抗弯刚度，减小了剥离破坏发生的可能性，其承载力也有一定的提高。
（三）碳纤维的预应力损失的取值
在预应力碳纤维加固技术中，一个非常重要的问题是预应力损失。预应力损失是指将碳纤维布粘贴张拉至设计值时，随着时间的推移，由于张拉装置变形、材料特性及施工工艺等因素的影响使碳纤维布中的预应力逐渐减小的现象。预应力损失不可避免，其取值问题关系到设计的预应力水平能否实现，影响到加固效果。用预应力碳纤维加固混凝土梁的预应力损失的产生主要有：（1）装置变形造成的预应力损失σl1；（2）粘贴碳纤维布过程中的损失σl2；（3）放张碳纤维布时预应力损失σl3；（4）材料特性造成的长期损失σl4。
预应力碳纤维布的有效预应力定义为：张拉设计值扣除掉各阶段相应的预应力损失后，纤维布中仍存在的预拉应力。有效预应力值随不同的受力阶段而变，根据目前的张拉装置和施工工艺，预应力损失可分两个阶段：预应力施加阶段，碳纤维布有效预应力为：σl1=σcon-σl1-σl2-σl3；使用荷载阶段，碳纤维布有效预应力为：σl1=σcon-σl1-σl2-σl3-σl4。武汉大学的王云丹对7根梁的预应力损失进行了测量，预应力损失为张拉控制应变和损失后的应变值之差与张拉控制应变的比值，各试件的预应力损失为17.7%、4.0%、4.9%、19.3%、3.8%、19.4%、2%，平均为10.1%。用预应力碳纤维加固混凝土梁时，对碳纤维施加预应力的装置不同、使用的锚具不同，预应力损失有较大差异。如使用文献[12]张拉机具，建议预应力损失取σl =0．2σcon。
三、结论与建议
1）用预应力碳纤维布加固梁并设合适的附加锚固可以减少剥离破坏的发生，充分发挥碳纤维的高强作用。
2）预应力碳纤维加固混凝土梁碳纤维布的允许极限拉应变的上限建议取[εcfu]=0.1h0/h与0.011的较小者。
3）建议在实际工程中碳纤维的预应力水平取碳纤维设计极限拉应变的20％～30％，可达到较好的加固效果。
4）预应力损失影响因素非常复杂，很难准确计算，使用文献[11]的张拉机具，建议预应力损失取σl =0.2σcon。
参考文献：
[1]杨勇新，岳清瑞，叶列平．碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯剥离承载力计算[J]．土木工程学报，2004，37（2）：23—27．
[2]Guide for the design and construction of externally bonded FRP system for strengthening concrete structures[S]．ACI Committee 440，2000，5．
[3]彭晖．预应力碳纤维布加固混凝土受弯构件的试验研究[D]．长沙：湖南大学，2002．