李保军
广西交科集团有限公司，广西，南宁，530007
摘要：介绍了FRP片材施加预应力加固技术的优点，及叙述了预应力施加的方法，并结合实际加固工程，采用有限元软件ANSYS对预应力FRP加固工字梁进行受力计算，计算结果表明，预应力FRP加固技术能有效改善桥梁结构受力性能，提高桥梁整体抗弯刚度。
关键词：预应力FRP加固技术，有限元，结构受力性能，抗弯刚度
0、引言
近年来，纤维增强复合材料FRP（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）加固桥梁的方法，以其重量轻、刚度和强度高、抗腐蚀性和疲劳性强等优点，在工程结构中得到了广泛的应用。目前常用的纤维增强复合材料主要有：玻璃纤维复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer简称GFRP），芳纶纤维复合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，简称AFRP）和碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）等。迄今国内外相关研究已证实了FRP片材对各种混凝土构件抗弯、抗剪和抗压加固的有效性[1-3]。然而，目前实际加固工程中的FRP片材粘贴加固技术主要采用的是被动加固技术，加固方法仍然存在一些需要解决的问题：FRP的抗拉强度由于受构件变形的限制及容易出现FRP的剥离破坏而不能得到充分发挥,对结构加固效果不显著。
为了对混凝土结构达到更好的加固效果，更有效地发挥FRP片材高强度的特性，许多研究者提出将预应力技术应用于FRP加固技术中，以发挥两者各自的优势。采用预应力FRP片材的方法对受损结构进行加固，不但可以使FRP片材在二次受力之前就有较大的拉应变，从而有效的减小了甚至消除了应变滞后的现象，可以达到更好的加固效果，而且由于FRP预应力的作用，可以抵消部分初始荷载产生的影响，从而减小原受弯构件的挠度，使构件中裂缝宽度减小甚至达到闭合，并且限制新裂缝的出现，改善受弯构件的使用性能，提高了受弯构件的承载力[4]。同时在提高构件的疲劳寿命、减小材料塑性徐变等方面都有着明显的作用。
1 、FRP预应力施加方法概述
预应力FRP片材加固受弯构件是一项非常新颖的加固技术。预应力FRP技术能否广泛应用于大量工程中，在很大程度上取决于是否有简便实用的张拉设备和锚固工艺。根据现有的研究成果，目前预应力FRP的张拉锚固体系可分为三种：
（1） 间接法。间接法包括反拱法和预压法。反拱法是在受弯构件起反拱后再粘贴FRP，或在粘贴FRP后树脂固化前将构件顶起，待树脂固化后去除顶升装置，构件回弹使得FRP中产生预应力，如图1-1所示。反拱法应用于钢筋混凝土构件时容易出现梁上部开裂，所以采用该方法时需要控制装置的顶升幅度，导致构件的反拱幅度较小，在FRP产生的预应力水平较低。预压法是先对构件进行预压，然后粘贴FRP于构件的受拉面，粘贴胶固结后放张预压力使FRP获得预应力，如图1-2所示。预压法操作简单，装置设备要求不高，便于室内外施工。
.png)
图1-2 预压法
（2）直接张拉法。该方法是在与待加固构件无关的外部反力架上固定张拉设备后预先张拉FRP片材，然后将FRP粘贴到加固构件的外表面，待树脂固化养护完毕后，卸去张拉设备，在构件端部剪断FRP片材进行放张，如图1-3所示。该方法直接张拉FRP，可施加较大的预应力值，但需要设计锚具固定片材两端，装置设备要求较高，在实际工程中操作较为麻烦。
.png)
图1-3 直接张拉法
（3）固定锚具法。该方法是直接在待加固构件上固定张拉装置后，张拉FRP同时使得加固件反拱。固定张拉装置可分为固定于梁上的永久性和暂行性张拉装置。固定锚具法常用的施加装置设备如图1-4所示。该方法为了利用加固构件本身作为反力架，通常需要在加固构件端部弯剪区打孔来固定张拉设备，此方法缺点是在构件端部弯剪区打孔时，对加固构件本身会造成比较大的损伤。
.png)
图1-4 固定锚具法
2、预应力FRP加固工字梁受力分析
以广东省某高速路段的某一梁桥维修加固工程为背景，该桥设计荷载为汽车—超20级，挂车—120，设计时速为120km/h，加固前主要病害为：工字梁跨中段腹板出现竖向裂缝，墩顶连续现浇段出现斜向及竖向裂缝。出现病害的主要原因是现运行汽车荷载较原设计荷载有所增长，对此采取粘贴预应力FRP加固20米工字梁腹板底及粘贴斜向碳纤维板加固梁端部，采用顶升反拱法使FRP获得预拉应力。本文用有限元软件ANSYS对20米PC工字梁跨中粘贴预应力FRP片材加固前后的受力与变形进行计算。
2.1预应力CFL增强20米工字梁ANSYS有限元模型
实际工程中混凝土强度为C50，力学性能取值参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵规范》[5]，预应力FRP片材为碳纤维板，弹性模量为240GPa，抗拉强度为3500MPa，计算厚度为0.5mm，表观密度为530（g/m2）。有限元模型混凝土采用solid65单元，预应力钢筋采用link8单元，碳纤维片材FRP采用solid45单元进行模拟。预应力的施加采用降温法进行施加。模型的荷载考虑横向分布系数后按04规范公路一级荷载进行施加，计算模型见图2-1。
.png)
图2-1 20米工字梁有限元模型
2.2计算结果
（1）加固前结果
未加固前20米工字梁在公路一级荷载作用下，跨中最大挠度为12.4mm。梁的变形如图2-2所示
.png)
（2）FRP施加20%预应力进行加固
将碳纤维片材FRP施加20%预应力对工字梁加固后，在公路—Ⅰ级荷载作用下跨中最大挠度为9.1mm。梁的变形如图2-4所示。
.png)
比较预应力FRP加固前后的计算结果可知：工字梁跨中腹板底面拉应力由加固前的4.33 MPa降低到加固后的1.88MPa，跨中挠度由加固前的12.4mm降低到加固后的9.1mm,可见预应力FRP加固技术能有效改善桥梁结构受力，提高桥梁整体抗弯刚度。
但FRP加固技术易出现端部混凝土出现应力集中的现象，从而出现端部的截面剥离破坏，工程应用中需要采用有效锚固措施解决端部应力集中的问题。
3、结论
文中简要介绍了预应力FRP加固技术，及叙述了这一加固技术预应力施加的方法，并结合实际加固工程，对预应力FRP加固工字梁进行受力计算，计算结果表明，预应力FRP加固技术能有效改善桥梁结构受力，提高桥梁整体抗弯刚度，但端部混凝土出现应力集中的问题，这有待工程应用中有效的解决处理。
参考文献：
[1]滕锦光, 陈建飞, 史密斯 S. T., 等. FRP加固混凝土结构 [M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2005.
[2]黄培彦, 罗立峰, 张桂森. 碳纤维加固砼缺口梁承载力试验研究［J］. 实验力学, 2001, 16(3): 250-255.
[3]刘沐宇, 刘其卓, 骆志红, 等. CFRP加固不同损伤度钢筋砼梁的抗弯试验［J］. 华中科技大学学报(自然科学版) , 2005, 33(3): 24-28.
[4] Ehsani. M. R., Saadatmanesh. H. Fiber composite plate for strengthening bridge beams[J].International Journal of composite structures,1990,15(4):343-355
[5] 中交公路规划设计院有限公司,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[M]..北京：人民交通出版社，2018.
作者简介：李保军（1982.08-），男，广西桂林，桥梁与隧道工程专业全日制硕士毕业，主要从事桥梁设计工作。