碳纤维复合材料具有高强、轻质、耐环境腐蚀等诸多优良的工程特性, 已在土木工程结构加固与改造工程中获得广泛应用。普通粘贴碳纤维片材需要结构在更大荷载作用下发生进一步的变形时才能参与工作, 属于被动受力。在挠度、裂缝等与使用性能相关的因素以及碳纤维复合材料与混凝土之间剥离破坏现象的影响下, 碳纤维材料的高强度很难得到有效发挥, 于是对预应力碳纤维技术的研究应运而生。

　　 许多试验研究成果^[1,2,3,4,5]展示了预应力碳纤维片材加固混凝土受弯构件的优越性, 证明其能显著提高碳纤维材料的抗拉强度利用率, 提高构件承载力, 限制裂缝宽度及挠度发展, 明显改善构件的工作性能。

　　 在施工现场对在用结构构件进行预应力碳纤维加固远比在实验室条件下对碳纤维材料施加预应力复杂, 尽管如此, 也已经出现了一些针对实际工程应用开发的预应力碳纤维布加固体系的研究报道。叶列平等^[6]采用自行开发的张拉设备对T形梁进行受弯加固, 实现了碳纤维布的纵向张拉、转向、抬升粘贴等操作, 并能逐层张拉粘贴实现多层碳纤维布的预应力加固。田安国等^[7]在梁底两端事先粘贴固定碳纤维布, 在跨内不同位置安装固定多组由两排辊轴组成的夹紧装置, 碳纤维布从两排辊轴间穿过, 收紧螺栓迫使碳纤维布绕辊轴缠绕增长, 实现对碳纤维布的张拉, 这是一种横向张拉方法。Zhuo等^[8]采用了原理与文献[7]的方法大致相同的张拉体系, 在梁底两端使用WSGG (Wave-shaped-geargrip) 夹具 (即两块波形吻合的钢板) 固定碳纤维布, 并在跨内不同位置安装WSGG夹具, 螺栓收紧钢板时迫使碳纤维布绕波形面缠绕增长, 完成对碳纤维布的张拉。

　　 虽然预应力碳纤维布加固梁受弯承载力具有很多优势, 但实际工程中却很少采用, 据统计, 在数量上碳纤维布几乎还全部以普通粘贴方式使用, 表明碳纤维布预应力加固技术尚未达到成熟应用的程度, 仍有研究的必要。

　　 由于预应力碳纤维之间缺乏强劲的连接, 碳纤维布张拉很难保证受力的均匀性, 因此一次张拉碳纤维布的宽度应受到限制, 且张拉层数应以单层为宜, 这实际上限制了预应力碳纤维布加固技术的应用范围, 本文提出的加固系统旨在针对受力相对较小的板类构件。从实用角度出发, 加固系统应满足体系可靠、经济适用、操作简便、施工安全等基本要求。基于这一理念, 作者设计了一套新型实用的预应力碳纤维布加固体系^[9], 该碳纤维布加固体系具有以下主要特征:1) 碳纤维布采用直接张拉方法, 准确控制张拉应力;2) 碳纤维布端部使用薄钢板锚具, 成本低廉, 锚固可靠;3) 碳纤维布端部采用浸渍方法预先制作环氧树脂楔形夹持体, 配合专门设计的张拉夹具, 确保了张拉过程中的施工安全;4) 张拉系统重量轻, 安装方便, 易于实现涂胶、粘贴等操作, 完全符合现场施工要求。

　　 图1为该新型实用加固系统原理图。所有操作均在构件底面进行, 上一楼层的使用功能完全不受影响。两端张拉设备各采用一根锚栓固定在被加固构件上, 安装简便, 不受被加固构件两端支承条件的限制;该锚栓设计成只承担剪力作用, 因此锚栓埋置深度较小, 即使对较薄的混凝土板也可使用;碳纤维布柔软, 方便转向;两端张拉设备基本上处于与构件垂直状态, 如此可在跨度方向减少施工空间, 尽量保留更长的有效加固长度;两端的薄钢板锚具所在的位置事先在混凝土面上开出浅坑 (5~6mm深) , 涂胶后安装钢板锚具底板, 再采用两根小直径的锚栓固定, 安装完成的锚具底板板面与混凝土底面齐平;需要张拉的碳纤维布事先在工厂条件下批量裁剪, 并制作完成端部的环氧树脂楔形夹持体, 现场直接使用;张拉完成后涂胶, 转动张拉设备抬升碳纤维布完成粘贴, 盖上涂胶后的锚具外层薄钢板并予以固定。锚具部分可采用升温加速固化, 提前拆除张拉设备, 两端锚具之间的碳纤维布则自然固化。

　　 对碳纤维布进行张拉必须首先解决碳纤维布在两端的固定问题。已经公开报道的碳纤维布固定方法主要包括三种:1) 第一种方法是将碳纤维布粘贴在钢板上, 胶体固化后获得抗剪强度, 实现对碳纤维布的夹持^[5];2) 第二种方法是将碳纤维布粘贴在钢质圆轴上, 再使碳纤维布绕轴缠绕, 实现碳纤维布的固定^[1];3) 第三种方法是采用WSGG锚具固定碳纤维布^[8]。

　　 在钢板上粘贴碳纤维布和在钢质滚轴上粘贴缠绕碳纤维布的方法不适合加固工程批量生产的要求。钢板和辊轴需要重复使用才经济, 但清除固化胶体很麻烦, 一般采取加热或燃烧方式处理, 这会带来环境问题甚至有可能导致火灾事故。

　　 本文提出一种碳纤维布的新型夹持方式, 即首先采用模具在碳纤维布两端浇筑成型锐角形状的环氧树脂楔形夹持体, 再将其装入配套的钢质夹具内, 即可实现对碳纤维布的固定和张拉, 如图2所示。采用环氧树脂楔形夹持体时, 能够在工厂内根据设计长度批量制作用于张拉的碳纤维布条, 易于包装运输, 需要张拉时现场及时安装, 最大限度保证碳纤维布不受污染或损坏。张拉完成后回收环氧树脂楔形夹持体, 破碎后可作为轻混凝土填充料使用, 方便而且环保。

　　 为了验证采用环氧树脂楔形夹持体的有效性, 制作了一批共6个净长度250mm的碳纤维布拉伸试件, 编号为试件1~6。碳纤维布采用《混凝土结构加固设计规范》 (GB 50367—2006) ^[10] (简称加固规范) 的I级布, 宽度100mm, 名义截面面积16.67mm², 抗拉强度标准值3 400MPa;浸渍胶采用国产双组份胶, 抗压强度不低于70MPa。图3为固化期中的碳纤维布拉伸试件。

　　 拉伸试验在万能试验机上进行, 测试精度0.1kN, 图4为拉伸试验实景。每个拉伸试件在受拉试验的绝大部分进程中, 从表观上看碳纤维丝受力均匀。但接近极限荷载时, 少量纤维丝发生断裂, 试件承载力下降, 标志着试件发生破坏, 并迅速出现各部分碳纤维丝受力明显不均匀、大量纤维丝松弛的现象。由于破坏过程并不剧烈, 观察不到碳纤维丝的脆性断裂, 明显的变化是拉力迅速下降, 同时碳纤维布看起来变得蓬松, 如图5所示。试验后对碳纤维布端部的环氧树脂楔形夹持体进行了仔细检查, 未发现任何开裂、挤碎现象, 柱状金属夹具本身无任何可见变形。

　　 表1列出了各碳纤维布拉伸试件的试验结果, 表明各试件碳纤维布强度发挥水平相当接近, 且极限应力均能达到2 000MPa以上。对比文献[1]张拉控制应力为200MPa, 文献[2]张拉控制应力在588~1 438MPa之间, 文献[6]张拉控制应力在425~960MPa之间, 说明环氧树脂楔形夹持体夹具具有稳定的夹持能力, 且夹持力完全能满足张拉控制应力的需求。不过该试验结果也说明, 对碳纤维布直接张拉, 均匀受力是个大问题, 需要合理确定张拉控制应力。张拉控制应力过低没有实际意义, 但张拉控制应力过高不仅增加施工风险, 也使受力过高的碳纤维布在加固后的构件中缺乏安全储备。

　　 对实际构件采用预应力碳纤维布加固时, 将张拉至控制应力的碳纤维布粘贴到构件的受拉面后, 胶体固化过程中碳纤维布中的拉力必须继续由张拉系统保持, 直至胶体固化获得可靠锚固后, 张拉系统才得以退出。这一过程中, 需要张拉系统具有很好的荷载保持能力和尽量低的应力损失, 否则只能靠提高张拉控制应力的方式来补偿应力损失, 但这种做法是有风险的, 因为过高的张拉控制应力提高了对张拉系统的要求, 性能不稳定的张拉系统可能导致碳纤维布在张拉过程中发生断裂。

　　 为了验证环氧树脂楔形夹持体夹具的持荷能力, 设计了图6所示的持荷性能试验装置。将夹具两端固定在一根刚性梁上, 固定端安装有荷载传感器, 张拉过程中碳纤维布中的拉力可以得到准确反映。张拉到规定拉力水平后, 拧紧张拉端的螺帽, 卸除张拉千斤顶, 开始计时并读取各时间间隔点荷载传感器中的读数, 即可获得在规定时间范围内碳纤维布中的预应力变化, 并掌握预应力损失情况。

　　 共进行了三个环氧树脂楔形夹持体夹具试件 (编号试件一至试件三) 的持荷试验, 碳纤维布净长度为2.0m, 张拉控制应力设定为1 500MPa, 实际操作时略高于该值。图7为三个试件碳纤维布应力随时间变化的规律, 考虑对锚固区采用加热加速固化, 而这种工艺所需时间一般为5h, 本试验将时间区间设定为10h。对试验结果的计算分析表明, 三个环氧树脂楔形夹持体夹具试件的预应力损失分别为1.7%, 2.5%, 1.3%, 基本上可以忽略不计。

　　 不少预应力碳纤维片材加固试验研究报道指出有必要在碳纤维片材端部使用锚具, 否则容易过早出现端部的剥离破坏。Kim等^[5]、叶列平等^[6]以及尚守平等^[2]使用U形碳纤维布箍条作为锚固措施;Pellegrino等^[4]在碳纤维板端部使用单层钢板锚具, 先把碳纤维板粘贴在梁底面, 再粘贴覆盖钢板, 并用锚栓固定钢板, 试验过程中碳纤维板最终从钢板与混凝土之间滑出。

　　 采用预应力碳纤维布对板类构件进行抗弯加固时无法使用U形碳纤维布箍条。采用锚栓固定的薄钢板作为预应力碳纤维布的锚具是恰当的, 但应当使用双层板, 因为胶体与钢质基层之间的抗剪强度远高于胶体与混凝土之间的抗剪强度, 因此钢板能很好地锚固张拉后的碳纤维布, 而钢板锚具本身可以通过锚栓牢固地进行固定。

　　 本系统针对100mm宽碳纤维布设计的钢板锚具如图8所示, 钢板平面尺寸为80mm×150mm, 厚度为4mm, 两块钢板总质量为0.75kg, 用料较省, 经济性较好。

　　 梁底两端分别安装固定设备和张拉设备, 将两端带环氧树脂楔形夹持体的碳纤维布绕设备上的圆轴装入固定端夹具和张拉端夹具, 固定端安装有荷载传感器监测碳纤维布中的拉应力。固定端和张拉端设备设计相同, 因此既可一端张拉, 也可以两端张拉, 以适应较大跨度的情况。

　　 张拉设备通过一根化学锚栓固定在被加固构件底面 (图1) 。张拉设备可以绕基座转轴转动, 张拉时碳纤维布的位置会自动调节, 使碳纤维布中的拉力通过基座转轴中心, 张拉结束后转动张拉设备转向调节螺杆迫使张拉设备绕基座转轴转动, 抬升碳纤维布与构件底面接触, 完成粘贴操作。

　　 经称量, 每端张拉设备组件的总质量为10.5kg (不含后期安装步骤中的千斤顶及夹具) , 轻便且易于安装。

　　 为了验证加固系统的有效性, 本文设计了3个混凝土板试件 (试件B-1~B-3) , 各试件设计完全相同, 并采用同一罐车预拌混凝土浇筑。各试件的轴线跨度均为2 500mm, 板宽300mm, 板厚度80mm, 板底配置2根直径12mm钢筋 (HRB335级) , 钢筋保护层厚度15mm, 混凝土强度设计等级C30。实测钢筋屈服强度348.61MPa, 混凝土立方抗压强度32.87MPa。其中试件B-1为不加固的对比试件, 试件B-2为普通粘贴碳纤维布加固试件, 试件B-3为预应力碳纤维布加固试件。试验装置及试件截面如图9所示。

　　 试件B-2和试件B-3加固使用的碳纤维布为满足加固规范的Ⅰ级布, 单层, 宽度100mm, 名义厚度0.167mm, 抗拉强度标准值3 400MPa, 受拉弹性模量240GPa。粘贴胶采用某国产双组份胶, 生产商提供的抗压强度标准值70MPa, 受拉弹性模量不低于2.5GPa。

　　 试件B-2和试件B-3的粘贴面均采用机械砂轮进行打磨, 表层浮浆全部清除, 暴露出坚固混凝土基层。

　　 图10 (a) 为张拉过程中张拉端的实景, 此时张紧的碳纤维布与混凝土表面尚有一定间距, 这一间距能满足底面涂胶等操作, 也能避免碳纤维布张拉过程中与混凝土底面摩擦造成损伤。图10 (b) 为张拉设备转向、抬升后的张拉端实景, 此时碳纤维布已经紧贴试件B-3混凝土板底面。根据荷载传感器数据, 忽略碳纤维布与辊轴之间的摩擦力, 则转向装置之间加固段碳纤维布的初始预张拉应力为1 100MPa。试件B-3从张拉到完成锚固, 共计耗时大约10min。

　　 荷载P通过钢梁等量分配至试件跨内对称两点, 并单调加载至试件破坏。表2为荷载试验有关实测结果, 其中开裂弯矩M_cr和破坏弯矩M_u已将自重和加载装置导入的重量计算在内。图11为实测外加荷载P与跨中挠度的关系曲线。

　　 试件B-1的开裂弯矩为0.85kN·m, 极限弯矩为4.85kN·m。该试件最终因跨中挠度过大而终止试验, 最大挠度约90mm, 受压区混凝土并未发生压溃破坏, 如图12所示。

　　 试件B-2的开裂弯矩为1.1kN·m, 极限弯矩为7.45kN·m。试件B-2在外加荷载P为11kN时开始在跨中区段出现碳纤维布的剥离现象, 当外加荷载P为14kN时, 跨中纯弯区段碳纤维布完全剥离, 并向两端发展, 最终发生碳纤维布的全面剥离, 如图13所示。

　　 试件B-3的开裂弯矩为2.85kN·m, 明显高于未加固试件B-1和普通粘贴碳纤维加固试件B-2。由图11可以看出, 试件B-3开裂前的线性最大荷载达到试件B-1和试件B-2对应荷载的4倍, 明显改善了构件的工作性能。当外加荷载达到18.0kN时, 试件左侧加载点处混凝土板出现斜裂缝并产生明显剪切错动, 造成碳纤维布在该点剥离并向支座方向的剪弯区段发展, 如图14所示。

　　 由于钢板锚具的锚固作用, 试件B-3剥离后的碳纤维布能继续承担拉力, 试件并未破坏, 充分说明碳纤维布端部机械锚具的重要性。当外加荷载达到18.7kN时, 试件B-3碳纤维布在跨中纯弯区段发生部分断裂, 标志着试件的破坏。断裂前在跨中区段布置的电阻应变片测得的碳纤维布在外加荷载下的新增应变达到11 000με, 应力增量达到2 640MPa, 这一测试结果表明, 只要张拉控制应力恰当, 张拉阶段的受力不均匀现象就不明显, 不致对碳纤维布后期受力产生不利影响, 碳纤维布的强度能得到充分发挥。经计算, 试件B-3破坏时截面的极限弯矩为9.85kN·m, 与未加固试件B-1和普通粘贴碳纤维加固试件B-2相比, 分别提高了103%和32%。

　　 本文介绍了预应力碳纤维布加固混凝土板受弯承载力的系统, 该系统包含首次提出的环氧树脂楔形夹持体夹具, 可实现对碳纤维布张拉、转向的张拉设备, 以及双层薄钢板组成的锚具。张拉设备轻便, 操作简单。通过张拉系统的相关性能试验和混凝土板的承载力试验, 可以得出以下结论:

　　 (1) 环氧树脂楔形夹持体夹具夹持力强, 性能稳定可靠, 极限破断应力可达2 000MPa。

　　 (2) 环氧树脂楔形夹持体夹具保持荷载的能力强, 10h保持荷载时间段内, 预应力损失在3%以内。

　　 (3) 混凝土简支板的承载力对比试验表明, 预应力碳纤维布加固板开裂前的线性最大荷载达到对应不加固板和普通粘贴碳纤维布加固板的4倍;抗弯承载力比不加固板提高103%, 比普通粘贴碳纤维布加固板提高32%, 表现出了良好的加固效果。