预应力碳纤维板用于桥梁加固是最近十年出现的一项新兴加固技术，因其具有主动加固、耐腐蚀性强、轻质且易于施工等诸多优点而日益受到人们的青睐，越来越多地将其用于各种结构的维修加固中，特别是桥梁的快速抢修加固。对预应力碳纤维板加固技术各方面性能的理论和试验研究^[1,2,3,4]也较多，然而随着预应力碳纤维板用于加固工程案例的增长，一些问题也日渐暴露，如碳纤维板抗冲击能力差，承受张拉力时容易受损突然脆断，安全隐患大，碳纤维板可靠锚固难度大，碳纤维板及配套锚具成本高，推广应用受制约等。

　　 同时，国内学者创造性地将韧性好、成本低的高强钢丝材料应用于桥梁加固，并获得了较好的研究成果。吴刚等^[5]提出一种预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土结构的新方法;丁亚红等^[6,7]提出了一种内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁的新方法;邓滔^[8]通过预应力钢丝绳-聚合物砂浆加固技术在西河大桥的应用，首次将预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固法应用于实际工程加固中并使该桥梁的承载能力得到明显提高。尽管该加固法可降低成本，但同样存在着缺陷:聚合物养护时间长，不适宜快速加固;工程加固时质量要求高等，使得其应用也受到制约。

　　 针对以上问题，本文提出了将高强钢丝耦合进入碳纤维板内部形成加筋碳纤维板，可较好地解决现有加固方法中存在不足的问题。并通过使用加筋碳纤维板与普通碳纤维板对混凝土梁进行加固，比较两者在加固混凝土梁时的极限承载能力、屈服荷载、破坏方式和加固效果的异同，从而验证加筋碳纤维板是否能够满足实际工程加固要求。

　　 共设计6个试件，其中试件L-1为未加固梁;试件CL-0为非预应力碳纤维板加固梁，初始应力为0MPa;试件CL-1为预应力碳纤维板加固梁，初始应力为1 200MPa;试件ZSCL-1,ZSCL-2,ZSCL-3为预应力加筋碳纤维板加固梁，初始应力均为1 200MPa。碳纤维板规格均为50mm×3mm，采用同一套锚固装置进行横向张拉。试件截面尺寸为250mm×400mm，梁长为4 200mm，净跨为4 000mm。其中剪跨区段长为1 600mm。试件尺寸及配筋见图1。混凝土强度等级为C55，所有试件采用相同配筋，底部受拉纵筋为220，箍筋为10@120mm，受压区配有210的架立筋。

　　 试验用混凝土实测强度见表1。碳纤维板由南通某公司生产，结构胶采用莱卡粘结胶。其中SCFRP为加筋碳纤维板，CFRP为普通碳纤维板。碳纤维板性能参数见表2。因受压钢筋是架立筋，计算弯矩值时不考虑其受力，仅考虑受拉钢筋，故本试验仅对受拉钢筋进行拉伸试验，钢筋性能参数见表3。

　　 试件采用两点纯弯加载，使用100T的液压千斤顶通过分配梁将荷载平均分配在试验梁上，加载点间距为800mm，支点间距为4 000mm。在梁的跨中、加载点及支座处布置千分表，记录试验过程中试验梁挠度变化。混凝土梁表面粘贴电阻式应变片，记录试验过程中混凝土的应力变化，通过DH3816型数据采集仪采集应变，使用光纤光栅测量碳纤维板的应变，并使用解调仪进行数据采集。加载制度按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)执行，在加载过程，画出梁裂缝发展图，记录各裂缝出现时的荷载值、裂缝数量、宽度等，记录每个应变箱各个应变片数据并观察其应变变化情况，直至试件破坏，试验加载装置及现场照片见图2。

　　 各构件在荷载作用下，均达到了极限荷载，根据试验加载过程，得出各试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏形态，见表4。对比试件L-1,CL-0,CL-1可以发现，使用碳纤维板对混凝土进行加固时，可明显提高被加固构件的开裂、屈服及极限荷载。对碳纤维板施加预应力后，其加固效果更为明显。目前对普通碳纤维板加固混凝土梁的研究已日趋完善，是否对碳纤维板施加预应力对被加固混凝土梁承载能力的影响已得到众多专家学者的验证，表4中试件CL-0,CL-1的实测数据验证了这一结果。6个试件的主要破坏形态为受压区混凝土压碎和碳板拉断，见图3。

　　 由表4可以知道，使用预应力加筋碳纤维板进行加固的试件ZSCL-1,ZSCL-2,ZSCL-3，其开裂荷载分别提高为试件L-1的2.933,2.918,2.918倍;使用普通预应力碳纤维板进行加固的试件CL-0,CL-1，其开裂荷载分别提高为试件L-1的1.947,2.918倍。使用加筋碳纤维板对混凝土梁进行加固的试件ZSCL-1,ZSCL-2,ZSCL-3，其屈服荷载分别提高为试件L-1的2.00,2.385,2.265倍;使用普通预应力碳纤维板进行加固的试件CL-0,CL-1，其屈服荷载分别提高为试件L-1的2.00,1.546倍。此外，使用预应力加筋碳纤维板加固的3个试件的极限荷载平均值为286.7kN，与普通预应力碳纤维板加固的试件CL-1的极限荷载平均值270kN相差不大。

　　 通过对混凝土梁的几个代表性数据进行对比可以得出，使用预应力加筋碳纤维板对混凝土梁进行加固时，其加固效果与普通预应力碳纤维板的加固效果基本相同，碳纤维板中碳纤维含量的减少及高强钢丝的加入并没有改变其对构件的加固效果。

　　 对本试验中碳纤维板、钢筋及混凝土的应变进行分析。碳纤维板和钢筋应变测点位于试件跨中下部，混凝土应变值取试件跨中一侧5个测点的应变平均值。图4为各试件碳纤维板、钢筋及混凝土的应力-应变曲线。由图4可以看出，对于未使用任何加固措施的试件L-1，由于裂缝的产生，受拉区混凝土很快退出工作，其应变均由钢筋承担，试件的钢筋与混凝土应变很快产生较大的差距。而对于使用碳纤维板进行加固的试件，由于碳纤维板的存在，一方面限制了混凝土裂缝的产生，另一方面碳纤维板分担了受拉区部分应变，使得碳纤维板、钢筋、混凝土三者之间的应变差距的变化趋势变缓，差距也明显变小。在平截面假定成立的前提下，碳纤维板、钢筋及混凝土应变之间应为线性相关。随着应变的逐渐增大，其数值上的差值也越来越大。

　　 对于试件CL-0,CL-1，由于试件CL-1的碳纤维板施加了1 200MPa的预应力，该预应力的存在使得梁受拉区的变形受到了限制。在荷载为150kN时，试件CL-0的碳纤维板与钢筋的应变分别为2 824.6,1 842.2με，而此时试件CL-1的碳纤维板与钢筋的应变分别为841.7,680με。由此可见，试件CL-0碳纤维板应变约为试件CL-1碳纤维板应变的3.36倍。同理，试件CL-0钢筋应变约为试件CL-1钢筋应变的2.71倍。

　　 对于试件CL-1与试件ZSCL-1,ZSCL-2,ZSCL-3均施加相同程度的预应力1 200MPa。不同的是碳纤维板中耦合高强钢丝。由图4可以发现，在相同荷载作用下，使用预应力加筋碳纤维板的试件ZSCL-1,ZSCL-2,ZSCL-3，其受拉区应变大于使用普通预应力碳纤维板进行加固的试件CL-1。例如在荷载为250kN时，使用预应力加筋碳纤维板进行加固的3个试件的碳纤维板与钢筋平均应变分别为3 027.9,2 297.6με。而试件CL-1的碳纤维板与钢筋的应变分别为2 121.2,1 654.5με。试验表明，预应力加筋碳纤维板应变的增值并没有使得受拉区混凝土过早退出工作而影响加固效果，反而使得混凝土梁在破坏前有更多的变形来释放能量，从而延缓混凝土开裂，提高混凝土梁的承载能力。

　　 体外预应力加固混凝土梁进行正截面受弯承载力计算，可参照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2013)^[9]中普通钢筋混凝土梁的计算方法进行。

　　 梁在极限状态时，体内受拉钢筋屈服。对于碳纤维板加固梁，由于碳纤维极限应变较大，破坏状态为混凝土压碎时，各试验梁的受压区高度较小，受压区的应力图形状态对极限承载力影响不大，计算时忽略梁受压区内钢筋的作用;同理，对于加筋碳纤维板加固梁，因耦合钢丝含量少，计算时可等效于碳纤维板计算。因此，构件正截面受压区的应力图形可简化为等效的矩形应力图。矩形截面体外预应力混凝土梁正截面受弯承载力的计算简图见图5。

　　 由截面平衡方程可得:

　　 其中受弯构件加固后的相对界限受压区高度ξ_b,f可取加固前控制值的0.85倍，即:

　　 式中:M_μ为极限受弯承载力;α₁为计算系数;f_c0为混凝土轴心抗压强度设计值;x为混凝土受压区高度;b和h分别为矩形截面的宽度和高度;f_y0为受拉钢筋的抗拉强度设计值;A_s0为受拉钢筋的截面面积;h₀为构件加固前的截面有效高度;f_f为碳纤维复合板的抗拉强度设计值;A_f为碳纤维复合板的截面面积;α'为受压钢筋合力点到混凝土受压区边缘距离;ξ_b,f为相对界限受压区高度。

　　 对于预应力加筋碳纤维加固梁，破坏状态为碳纤维拉断时，由于碳纤维极限应变较大，此时混凝土受压区高度较小，受压区的应力图形状态对极限承载力影响不大，因此，也可简化为等效的矩形应力图。梁极限状态时，各试验梁的受压区高度较小，计算时忽略梁受压区内钢筋的作用。由截面平衡方程^[9,10,11,12]可得:

　　 式中:A_f为碳纤维板的截面面积;σ_f为碳纤维板的拉应力;h为碳纤维板中心距混凝土受压边缘的距离;M为正截面受弯承载力。

　　 对于未施加预应力的碳纤维板加固试件CL-0而言，碳纤维板初始应变为0，破坏时钢筋屈服且混凝土达到极限应变。根据平截面假设(图6)，可知:

　　 再根据平衡方程可知:

　　 式中:ε_f为破坏碳纤维板应变;E_f为碳纤维板弹性模量;h为碳纤维板中心距混凝土受压边缘的距离。

　　 因加筋碳纤维板含钢丝量较低，可将钢丝等同于碳纤维板并按照式(1)～(9)计算各试验梁的正截面极限受弯承载力。计算截面取加固梁加载点处，该位置梁弯矩与跨中相同，而碳纤维板中心距离混凝土受压边缘的距离小于跨中，计算结果见表5。

　　 由表5可知，各试件的试验值与计算值接近。因此可以认为，虽然本试验中加筋碳纤维板是在普通碳纤维板中耦合7.8%高强钢丝形成的新型加筋碳纤维板，但是其应用于加固工程中的设计理论及方法，目前仍可引用已成熟的普通碳纤维板加固设计规范，且其计算偏差量较小。

　　 预应力加筋碳纤维板的本质是针对普通预应力碳纤维板的纯弹性材料的特点进行改进，其主要材料性能是由占其比重达92.2%的碳纤维丝与环氧树脂胶决定的，高强钢丝的存在对其整体的力学性能影响暂不明显，使用普通预应力碳纤维板的计算公式目前还是合适的。

　　 (1)采用预应力加筋碳纤维板与普通预应力碳纤维板对混凝土梁进行加固，被加固试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的提高程度相近，即预应力加筋碳纤维板与普通预应力碳纤维板对混凝土梁具有相同的加固效果。

　　 (2)在相同大小荷载作用下，使用普通预应力碳纤维板加固混凝土梁对混凝土梁受拉区应变的限制明显大于未施加预应力碳纤维板加固的混凝土梁。

　　 (3)使用预应力加筋碳纤维板进行加固的试件，其抵抗变形能力优于使用普通预应力碳纤维板进行加固的试件。特别在试件屈服至破坏期间，加筋碳纤维板加固试件有更大变形余量进行耗能。

　　 (4)《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)中普通预应力碳纤维板加固混凝土梁极限承载能力的理论计算公式同样也适用于采用预应力加筋碳纤维板加固的混凝土梁。

　　 (5)对预应力加筋碳纤维板加固混凝土梁的试验研究目前获得较好的效果，但需不断探究混杂高强钢丝的新型预应力碳纤维板对梁的加固补强性能。