预应力碳纤维板的应用

陌路

碳纤维被称为新材料之王，应用非常广泛。在我国，既有铁路上大量采用了钢筋混凝土梁。随着使用年限增长、车辆轴重增大、运营速度提高和运量的快速增加，钢筋混凝土梁尤其是低高度板梁的病害日益突出，如梁体钢筋应力增大、应力幅值超限、挠度偏大、梁底开裂严重、裂缝宽度超限等，从而导致结构承载力下降、耐久性降低。
通常对钢筋混凝土梁采用的加固方法有增大截面法、粘贴钢板法、改变结构受力体系法以及施加体外预应力法等。在诸多加固方法中，体外预应力加固法作为一种主动加固法，通过张拉布置于结构本体之外的预应力筋对结构施加预应力，使结构产生负向弯矩，从而有效、主动地改善结构受力性能，提高结构极限承载能力。但因作为加固体系主要受力构件的预应力筋，如钢绞线、钢筋（棒）、钢丝绳等，通常置于加固构件外侧，容易受到环境影响而腐蚀破坏；致使一种能够有效替代预应力筋的体外束材料———碳纤维应运而生，并以其质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀、耐久性能好等优点备受亲睐。
在梁体结构表面粘贴碳纤维布或片材的加固方法在工程应用中较为常见，但粘贴的碳纤维材料产生的抵抗弯矩较小，不能消除结构初始变形和减小初始裂缝，碳纤维的高强性能也只有在钢筋屈服后才能得到利用。大量试验证明，将预应力技术和碳纤维板材相结合，采用体外预应力碳纤维板加固技术能有效解决这些问题。但采用碳纤维板加固铁路钢筋混凝土梁的应用实例较少，加固效果有待进一步研究。
简支梁属静定结构，
采用体外预应力加固后变为带柔性拉杆的一次超静定混合体系，但加固过程并未改变结构的支撑和约束体系，故加固后的结构体系仍为简支静定结构。桥梁加固一般在原桥位进行，施加预应力时梁体仍承受恒载（自重、二期恒载）作用，预应力施加完成后，梁体在恒载及预加力共同作用下处于平衡状态。
采用体外预应力加固的钢筋混凝土梁，因选取的预应力度不同，在设计荷载作用下属于不同类型的结构。若所选预应力度较大，在设计荷载作用下梁体下缘不出现拉应力或不开裂，结构属于全预应力或部分预应力混凝土A类构件；若所选预应力度较小，梁体下缘出现裂缝，则结构属于部分预应力混凝土B类构件。对于重载铁路的低高度钢筋混凝土梁，为适应重载运输的要求，通过在梁体下缘张拉、锚固预应力碳纤维板对其进行加固，将钢筋混凝土梁变为部分预应力混凝土B类梁，从而达到降低恒载应力、改善活载应力的目的。
碳纤维板材抗拉强度高，抗弯折强度较低，直线配束更利于碳纤维板的受力；低高度板梁梁高较矮，预应力体系布置在梁体底面，可最大限度地提高加固效率；碳纤维板锚固点与支座间需预留一定距离作为张拉空间。