摘要： 为促进碳纤维增强复合材料（CFRP）索加固桥梁技术工程应用，本文开展了碳纤维增强复合材料（CFRP）索加固桥梁理论和实践研究。通过理论分析建立了CFRP索加固混凝土梁计算理论，获得了CFRP索体合理用量、梁底应变和挠度理论评估方法；利用上述方法对一实际桥梁工程进行了加固设计，通过荷载试验对该实际工程的加固效果进行检测，并利用预埋的监测系统对CFRP索的预应力损失进行了监测。结果表明，预应力CFRP索加固可大幅减少主梁跨中梁底应变和挠度，本文加固效果评估理论经试验验证是准确的；加固28天后，CFRP索的预应力损失仅为2.47%。预应力CFRP索加固桥梁可取得良好的加固效果。

公路桥梁作为我国公路网络中重要的一环，以健康的状态保持交通畅通可带来重要的社会经济效益。

与此同时，有关规范对于汽车荷载等级也进行了提升，随之带来的是对于梁体的冲击振动加剧，加上外部环境因素的影响，使得很大一部分既有桥梁在服役过程中出现各种病害问题，导致桥梁的承载能力逐渐下降。截止到2020年，我国仅公路系统有加固需要的桥梁高达6万座，且此数据还程快速增长的趋势。

目前，国内外学者在预应力碳纤维增强复合材料（CFRP）加固桥梁方面进行了较为广泛的研究。陆伟等采用碳纤维布结合体外预应力筋对桥梁进行加固，加固后最大主拉应力大幅下降，裂缝宽度减小41%；徐礼华等用CFRP筋对铁路桥梁进行加固设计并进行了现场加固试验，桥梁受力性能得到明显改善；杨自全采用碳纤维筋喷浆法对桥梁进行加固，提升全桥整体刚度的同时较大提高了桥梁承载能力，王兴国对混凝土模型梁进行了无粘结预应力CFRP板加固试验，试验梁极限承载能力有较大提升。

目前，有关预应力碳纤维加固研究的对象主要集中在碳纤维板或筋加固技术方面，有关碳纤维索加固技术研究还较为缺乏。在设计计算理论研究方面，加固所须合理CFRP材料用量的理论研究也还有待开展。当CFRP加固量过小时，无法达到加固效果；当CFRP加固量过大时，极限状态下，容易导致超筋破坏。以上两种破坏模式均无法达到预期的设计要求。因此，在分析梁截面破坏形式、了解CFRP加固材料与被加固梁应力应变关系的基础上，提出一种能够克服以上缺点的CFRP界限加固面积计算理论尤为必要。

本文以预应力CFRP索加固混凝土空心板梁为研究对象，提出CFRP索合理用量区间的计算理论，将计算方法应用于实际工程加固，并通过荷载试验对该工程加固后的桥梁正常使用指标进行检测，最终实现实际工程案例加固效果的有效评估。

本文对预应力CFRP索加固混凝土梁的力学模型进行分析，建立预应力CFRP索用量评估方法，获得CFRP索合理用量区间计算公式。

以某20m跨空心板梁桥为例，将建立的相关计算理论用于该桥的加固计算，并实现该工程的加固效果分析。

(一)  加固计算力学模型

本文所提出的计算公式仅适用于混凝土空心板梁，截面形式如图 1 所示。在等面积、等惯性 矩的情况下将截面转换为等效工字形截面进行计算，根据混凝土、受拉钢筋和 CFRP 索的应力应变关系 提出 CFRP 加固界限面积的计算公式。

图 1 待加固混凝土空心板梁横截面

图 2 平截面时的应力应变分布图

图 3 待加固桥混凝土空心板跨中断面

（一）试验方案说明

加固桥梁为混凝土空心板梁桥，桥梁过火后承载能力下降，考虑火灾后混凝土和预应力钢束材料性能的降低，对梁的正截面进行加固，提高其抗弯承载能力。

提出了一种体外预应力CFRP索加固方式，如图 4所示。体外加固系统由反力架、锚具和CFRP索三部分组成。反力架由两片角钢和一块钢板组成，角钢通过螺栓锚固于梁底，将中间钻孔的钢板焊接于角钢端部用于锚固。进行预应力张拉前先用连接螺杆将CFRP索连接在两侧钢板上，使用千斤顶进行张拉，通过油压表、CFRP索伸长量、力传感器三者读数控制预拉力。为确保加固效果，可在张拉阶段进行超张拉以抵消后期产生的预应力损失。

本次试验依托桥梁加固工程，从实际加固要求、现场试验条件、本次试验目的以及课题组所研发锚具装置的性能等方面考虑，对该桥某跨的3片梁进行加固试验，每片梁设置2根CFRP索，具体如图 5所示，CFRP索张拉控制应力为930MPa。由于加固段桥梁位于高速出口处，无法封闭车道进行荷载试验，加固效果检测所需荷载采用高速公路上正常行驶的大型车辆荷载。

图 4 加固方案简图

图 5 现场加固图示

(二)  测点布置

该桥梁为先张法预应力混凝土空心板梁，本次现场试验所加固的梁为该桥第0跨左幅17片梁中靠近边跨的3根梁，梁间横向联系状态良好。在3片梁的梁底跨中分别粘贴3根纵向应变片，架设2处位移传感器，如图 7所示。本次现场加固试验的动应变与动位移数据采集分为CFRP索张拉前、张拉到50%和100%三个阶段。监测时间为1分钟，采集频率为4Hz。

图 6 测点布置简图

图 7 应变片和位移计布设图

(三)  试验数据分析

1. 梁底动应变监测

张拉过程中的梁受拉区边缘应变时程曲线如图 8所示。由动应变时程曲线可知，随着张拉的进行，梁受拉区边缘收到的拉应变逐渐减小。

三片梁张拉完成后，梁底拉应变减小量达到18 ，相当于梁底混凝土压应力增加约0.621MPa，体外预应力CFRP索加固对桥梁抗裂能力有较高的提升。由此可知，本文所提出的加固方法对桥梁起到了明显的加固效果。

图 8 加固前后梁底动应变时程图

2. 梁底动挠度监测

梁底动挠度时程图如图 9所示，随着CFRP索张拉的进行，三根梁底挠度均出现了一定程度的减小。观察图中较稳定的数据曲线可知，梁底挠度由加固前的0mm变化至加固后的-0.7~-0.8mm。现场观测到的大型车辆经过时，主梁的最大挠度约为0.6mm。可知，CFRP索加固后，桥梁抵抗活载的能力得到了较大的提升，桥梁的正常使用性能得到大幅改善，若对整跨桥所有梁体进行加固，则加固效果更好。

图 9 加固前后梁底动位移时程图

3. 预应力损失监测

本文所提体外预应力CFRP索加固技术还配套有无线智能检测技术，该技术可远程对加固效果的维持情况进行长期无线智能检测。如图 10所示，由预应力无线监测系统所显示的碳索放张结束后的力-时间曲线可知，预应力在放张时发生较大损失，约为1.34%，主要是由于放张时锚具回缩所引起的预应力损失。在张拉结束第8天左右，碳索预应力出现明显波动，是由于当天降温幅度达10℃，温度剧烈变化导致混凝土梁收缩，预应力出现损失，损失量约为2.3%，且后期升温时预应力有所增加，该部分损失量可忽略不计。经过约28天的监测，预应力损失率均小于2.5%，损失率很小。监测结果显示，放张完成后各碳纤维索的预应力基本维持稳定。

图 10 预应力无线监测数据

结论

本文对预应力CFRP索加固混凝土梁进行了理论和工程实践研究，得出如下结论：

1. 本文所提出的加固用CFRP索合理用量计算理论，经实际工程案例荷载试验验证是准确的。

2. 预应力CFRP索加固混凝土梁的效果非常明显，文中20m跨空心板梁实际工程案例加固后跨中梁底应力增加约0.621MPa，挠度减少约1mm。

3. CFRP索加固混凝土梁预应力损失较小，加固完成后28天内，其预应力损失仅为2.5%，且应力损失的1.5%发生在前3天内。