建国以来，我国经历了基本建设飞速发展时期，修建了大量的桥梁和房屋。随着使用年限的增长，许多建国初期建造的桥梁由于标准提高、设计施工不当、荷载增加、材料老化、环境腐蚀、使用功能变更等众多原因，面临着或拆除重建或加固补强，若拆除重建，势必会给国家社会带来很大的经济负担，但传统的加固方法存在施工困难、工期较长、抗腐蚀性差、耐久性差的缺点。使用预应力碳纤维板材加固桥梁技术是近年来在国内外快速发展的加固技术之一，对碳纤维板材施加预应力，可以充分利用碳纤维板材的高强性能，同时还可以改善碳纤维板材与混凝土接触处的界面黏结应力分布，进而延缓碳纤维剥离破坏。由于碳纤维板材抗拉强度高，耐腐蚀性强，设计方便、施工简单高效等优点，使得预应力碳纤维板材加固钢筋混凝土构件的研究近年来在国内外深受重视，并取得了大量的研究成果^{[1, 2, 3, 4]}。

预应力碳纤维板加固系统是由碳纤维板材及相应的张拉机和锚具组成，它能够将碳板有效张拉至控制应力并长期稳定锚固。加固技术机械性能的好坏关系到预应力损失的大小，进而影响到实际工程的加固效果。在长期荷载作用下，碳纤维板材的徐变亦会引起预应力损失，对加固的长期效果产生一定影响。在美国混凝土协会(ACI)制定的《外贴FRP加固混凝土结构设计和施工指导规程》中指出，FRP存在时间依

赖性和徐变断裂性能^[5]。Yamaguchi在1997年进行的试验中指出，对于各种应力水平，徐变断裂强度与荷载持续的时间呈对数线性关系，并指出在相当于50 a的持续时间下，GFRP、AFRP、CFRP的最终强度只能推断为初始强度的30%，47%，91%^[6]。Ferry 在 1980 年进行了纤维复合材料的徐变试验，并得出了纤维复合材料在单向应力状态下典型的徐变-时间曲线^[7]。任慧韬，赵国藩等人对碳纤维片材的徐变性能进行了试验研究^[8]，研究表明，碳纤维片材具有徐变特性，并近似满足指数函数关系；在对CFRP施加60%的应力作用下，碳纤维片材的徐变在500 h后基本已经稳定；长时间受荷的碳纤维片材卸载后会发生不可恢复的残余变形；对碳纤维施加的应力不超过一定的限值，就不会发生徐变断裂；采用预张拉粘贴CFRP加固混凝土结构时，碳纤维片材的松弛特性会引起碳纤维片材的应力损失。韩小雷等人^[9]在关于FRP的应用中指出：在正常预应力大小范围内(为FRP束极限强度的50%～60%)，FRP的松弛及徐变与应力大小没什么关系，但它们都受周围环境湿度的影响。CFRP的长期特性，如松弛、徐变及断裂应力等，对预应力构件的影响是很小的。湖南大学在浏阳金刚头桥加固完成后对碳纤维板进行了近3 a的监测，监测结果为预应力碳纤维板的徐变最大值不到初始预应变的0.4%。

本文在国内外学者已取得预应力碳纤维板加固技术研究成果的基础上，采用自主研发的一套预应力碳纤维板(CFRP Plate)张拉和锚固机械装置，通过室内加固模拟试验和室外实体工程应用对预应力碳纤维板加固梁桥长期徐变性能进行了试验研究，同时对锚固装置的稳定性进行了检验。

试验采用的是国内某厂家生产的碳纤维板材。其规格分别为100 mm×1.2 mm和5 mm×1.2 mm两种板材，生产厂商提供的材料参数如表 1所示。

试验中采用自主研制的一套已获得国家专利的预应力碳板张拉和锚固装置^{[10, 11]}对碳纤维板进行了张拉和锚固，该装置已经成功地运用于湖南省浏阳市金刚头桥的预应力碳纤维板加固工程中。

本试验将预应力碳纤维板张拉和锚固装置都安置在12 m长的H型钢梁上进行，见图 1。试验在较为封闭的厂房内进行，温、湿度变化相对较小。试验时，先将碳纤维板一端锚固，并确保对中，以使碳纤维板均匀受力，避免不对称张拉造成对碳纤维板的破坏。沿碳纤维板长度方向和宽度方向间隔布设电阻应变片，以观测碳纤维板在张拉过程中沿长度方向和同一截面的应力分布状况。在锚固支座处安装百分表，通过对百分表的读数进行长期观测，记录碳纤维板锚固端滑移量，检验碳板锚具的长期锚固稳定性。采用光纤光栅传感器FBG(Fiber Bragg Grating)对碳纤维板的应变进行长期监测，研究预应力碳纤维板在长期预应力作用下的徐变性能^[12]。

1—H型钢梁；2—光纤光栅应变传感器；3—光纤光栅温度传感器；4—碳纤维板材；5—锚具；6—百分表；7—张拉机具 图 1 成型方法对ATB-30混合料体积参数-油石比关系的影响 Fig. 1 Effect of compaction methods on between volumetric parameters and asphalt-aggregate ratio of ATB-30 mixture

图选项

生产厂商提供的碳纤维板材性参数通常是在实验室标准条件下测得的，实际加固工程中由于受到施工现场环境(温、湿度等)及施工水平等影响因素，特别是预应力碳纤维板加固中采用张拉和锚固机具的差异性，使得碳板的真实材性与实验室标准试验下的有一定差异，所以必须使用与实体工程加固相匹配的张拉机具和锚具去做碳板的材性试验，检测其材料参数。碳纤维板材性试验结果见表 2，碳板在张拉至断裂前应力应变曲线基本是符合线性的，如图 2所示，在加固设计时可以近似认为是线弹性材料。

图 2 碳纤维板应力-应变曲线 Fig. 2 Stress-strain curves of CFRP plates

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根据美国《外贴FRP加固混凝土结构设计和施工指导规程》，考虑碳纤维片材的徐变断裂性能，限定了在加固设计中，碳纤维片材的最大张拉应力不超过极限强度的55%。在本次试验中综合考虑了碳板张拉可能存在小偏心等因素导致碳纤维板强度没有完全发挥的情况，选取10 cm和5 cm宽碳纤维板张拉控制应力分别为1 026 MPa和1 013 MPa，为实测极限拉伸强度的45%，预应力碳纤维板张拉至控制应力后，用电阻应变计实测碳板初始张拉应变：10 cm宽碳板为6 486 με；5 cm宽碳板为6 447 με，室内碳板张拉试验装置及张拉应变实测见图 3。

图 3 室内碳板张拉试验装置及张拉应变实测照 Fig. 3 Indoor tensioning device and tension strain measurement of CFRP plate

图选项

(1)碳板锚固端滑移长期监测结果及分析

碳纤维板在预应力张拉锚固后，每隔一定的时间通过观测固定在碳纤维板锚具两端的百分表读数来分析其滑移情况，试验观测结果见表 3、表 4。从长达330 d的试验观测结果可以看出，本次试验所采用的

锚固装置锚固效果较好，其最大滑移仅为0.025 mm，且滑移趋于缓和，相对滑移量逐渐减少。根据公式ε=ΔL/L，张拉有效长度取11.2 m，则由碳板滑移产生的应变为：10 cm宽碳板为2.05 με，5 cm 宽碳板为2.23 με，仅为初始张拉应变的0.032％和0.035％。由此可见碳纤维板材在长期预应力状态下，该预应力碳纤维板锚固装置具有良好的机械锚固性能，能较好地防止碳纤维板由于锚具滑移产生的预应力损失，对碳板的长期徐变性能基本不产生影响，在实际设计时该部分的预应力损失可以忽略。

(2)碳板长期徐变监测结果及分析

碳板张拉锚固后，沿碳板纵向布设光纤光栅应变传感器，监测其在长期预应力状态下的应变变化，同时布设光纤光栅温度传感器以消除碳板受外部温度等环境因素的影响。数据的采集和分析采用LC-FBG-DS400型光栅光纤解调仪，见图 4。光线光栅测试系统在整个试验过程中工作正常，监测历时330 d。

图 4 光纤光栅传感器及碳板长期应变监测 Fig. 4 FBG sensor and long-term strain monitoring of CFRP plate

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碳纤维板在长期预应力作用下的应变观测结果如表 5和表 6所示：5 cm宽碳板最大应变实测值为14.49 με，占初始应变(6 447 με)的0.22%；10 cm 宽碳板最大应变实测值为16.80 με，占初始应变(6 486 με)的0.26%。

由图 5碳纤维板应力-应变曲线可看出：碳板在张拉锚固后前两个月，应变随时间基本成直线变化，增幅最快，随后逐渐放缓，成曲线变化，4个月后，应变变化已经很小，在1 με以内，随后碳板徐变趋于稳定，应变变化量极小。

图 5 碳纤维板长期徐变曲线 Fig. 5 Long-term creep curves of CFRP plates

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从室内碳纤维板长期徐变试验结果可以得出：碳板在张拉锚固后初期阶段，应变上升较为明显，随后趋于稳定，说明碳板具有长期徐变特性，其徐变主要发生在初期阶段。

解放桥地处湖南省湘潭县砂易线上，该桥于1965年8月竣工通车。桥梁全场21.5 m，上部结构形式采用3×6.5 m预制实心板桥；下部结构采用排架墩，如图 6所示。由于桥梁使用年代较长，梁板混凝土碳化严重，需对桥梁结构进行加固。经研究决定采用预应力碳纤维板对桥梁梁板进行结构加固，高性能复合砂浆网对桥梁基础加固。加固后的桥梁经检测满足公路-Ⅱ级荷载标准。

图 6 桥梁加固前 Fig. 6 Bridge before strengthening

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课题研究小组在碳板张拉锚固后，选取了4块梁板作为观测对象(标号为1号~4号梁板)，在碳板表面粘贴光纤光栅应变和温度传感器，在锚具端固定百分表观测碳板滑移情况。桥梁加固工程于2012年10月完工通车，本研究在前半年每隔1个月观测1次碳板应变和滑移，以后每两个月观测一次，观测结果见表 7。

从长期实测结果看出：碳板最大应变为16.16 με，碳板最大滑移为0.021 mm，分别在3号梁和1号梁上，3号梁和1号梁实测初始应变分别为6 557 με和6 379 με，碳板有效张拉长度为5 m，分别计算求出占初始应变的0.25%和0.066%。由碳纤维板徐变曲线图，如图 7所示，可以看出，碳板在前3个月应变增加较为明显，约占实测最大应变的90%左右，3个月以后应变趋于缓和，增长较小。

图 7 解放桥碳纤维板徐变曲线 Fig. 7 Creep curves of CFRP plates of Jiefang bridge

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湘潭市洙津渡大桥地处湘乡市境内，系 320 国道汽车专用线工程，建成于1999年。桥梁全长306.24 m，上部结构形式为：2×30 m+2×50 m+4×30 m+20 m 预应力混凝土连续变截面箱梁；下部结构采用多柱式桥墩。基础均采用钻孔灌注桩基础。设计荷载：汽—20，挂—100。见图 8。

图 8 洙津渡大桥加固前 Fig. 8 Zhujindu bridge before strengthening

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2012年5月，湘潭市公路局委托相关检测单位对该桥进行了全面检测，主要检测结果为该桥现有状况的承载能力不能满足公路-Ⅱ级荷载标准的要求，须进行加固处治或重建。本研究根据桥梁检测结果，采用了预应力碳纤维板加固设计：(1)跨中弯矩加固，等截面箱梁在跨中底板上进行预应力碳纤维板张拉加固；变截面箱梁在跨中箱内腹板侧面进行预应力碳纤维板张拉加固。(2)支座负弯矩加固，采用在箱梁顶板表面预应力碳纤维板张拉加固。

2013年7月，该桥梁加固完毕以后，课题组对桥梁的加固效果做了动静载试验检测，得出结论主要为：加固效果良好，能够满足公路-Ⅱ级荷载标准的要求。

本研究在碳板张拉锚固后，对碳板应变和滑移进行了长期观测试验，试验方案如下：选取代表性的碳板(等截面箱梁底板碳板、变截面腹板碳板和支座负弯矩碳板，对应各选取2片碳板作为观测对象，每块碳板上粘贴一片光纤光栅传感器共6组观测对象，并在碳板锚固端固定百分表，对应的编号分别为①~⑥)作为观测对象，由此来观测碳板在长期荷载作用下的徐变和锚具处碳板的滑移。

从表 8和表 9长期实测结果可看出：经过5个月的观测，最大应变出现在1^#梁上，为21.81 με，碳板最大滑移出现在5^#梁上，为0.043 mm，1^#号梁和5^#号梁实测初始应变分别为5 824 με和5 947 με，碳板有效张拉长度为24 m，分别计算求出占初始应变的0.37%和0.03%。由图 9碳纤维板时间—应变曲线可看出，碳纤维板在张拉至控制应力释放后开始两个月内有少量的应变变化，应变曲线呈上升趋势，之后的1个月内应变变化较小，应变曲线趋于缓和。

图 9 洙津渡大桥碳板徐变曲线 Fig. 9 Creep curves of CFRP plate of Zhujindu bridge

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从湘潭解放桥和洙津渡大桥预应力碳纤维板长期徐变和碳板锚固处滑移观测结果可以看出：碳板具有徐变特性，徐变主要发生在桥梁加固完后的初期阶段，徐变较小，不足初始应变的0.40%；碳板锚固端产生小量滑移，最大为0.043 mm，占初始应变的0.066%，对加固设计不产生影响。由此可见，

由湖南大学研制的锚具能较好地防止碳纤维板由于锚具滑移引起的预应力损失^[13]。从另一方面可看出，本套预应力碳板加固技术不是依靠常温固化有机胶将碳板黏结于被加固构件上，而是靠锚具将碳板锚固于被加固构件上。这样就大大减少了常温固化有机胶老化而引起的耐久性问题。

本文对预应力碳纤维板加固梁桥的长期徐变性能进行了室内模拟试验研究，并结合实体桥梁加固工程对其长期徐变和碳板锚固处滑移进行了观测和分析，主要结论如下：

(1)碳纤维板在长期预应力和外界荷载作用下具有徐变特性，徐变主要发生在张拉锚固后的前3个月内，后期徐变趋于稳定，经过对加固完的两座桥梁进行长期观测，其最大应变为21.81 με，不足初始应变的0.40%，对桥梁长期加固效果不产生影响。

(2)试验中采用的预应力碳纤维板张拉锚固装置具有良好的机械性能。张拉机在张拉过程中能够有效地保证碳纤维板均匀受力。碳板锚具具有良好的锚固效果，经过对实体桥梁加固工程进行长期观测，其最大滑移仅为0.043 mm，对加固效果基本不产生影响，在加固设计时该部分预应力损失可以忽略。