1 項(xiàng)目概況
岳潛高速公路01標(biāo)棋盤(pán)嶺大橋位于岳西縣黃尾鎮(zhèn)嚴(yán)家村北側(cè)，走向與黃尾河基本平行，橋下被交路為縣道X084，主線(xiàn)與被交路在此段多次相交，由于被交路外鍘邊坡地勢(shì)陡峻，在盡量減少對(duì)自然山體破壞的指導(dǎo)思想下，該路段采用橋梁跨越，通過(guò)調(diào)整跨徑減少對(duì)被交路的干擾。該橋采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，左幅橋縱向布置為4×30m；右幅橋縱向布置為6×25m+20m+4×30m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，柱式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。
2009年3月3日，因長(zhǎng)達(dá)三周的陰雨惡劣氣候?qū)е略摌蛩幝肪€(xiàn)左側(cè)山體頂面的數(shù)顆巨石失穩(wěn)，并相繼從約65m高度的山頂沿坡面（坡度約70º）墜落，對(duì)路線(xiàn)左幅路基、右幅箱梁、內(nèi)側(cè)波型梁護(hù)欄底座、外側(cè)防撞護(hù)欄造成重大沖擊損傷。
左幅為路基，墜落到路基上的較大墜石共有4個(gè)，其中最大一塊呈圓柱體，周長(zhǎng)約18m，高度約150cm，水平距離內(nèi)側(cè)波型梁護(hù)欄底座1.20m，因墜石自重及其巨大沖擊造成路基沉陷深度最大達(dá)55cm，路基外側(cè)擋墻開(kāi)裂，局部塌陷。
 圖1 墜石山坡山體概貌
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圖2 橋面墜石分布現(xiàn)場(chǎng)
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右幅棋盤(pán)嶺大橋墜石散落于第5跨橋面，其中較大的共有三塊，其中最大一塊重約90t（圖2中A墜石）。
2 橋梁病害分析
箱梁是橋梁重要承重構(gòu)件，也是本次地質(zhì)災(zāi)害中受損最為嚴(yán)重的受力構(gòu)件。經(jīng)調(diào)查，受損箱梁為第5跨內(nèi)側(cè)兩個(gè)梁體（即第3、4號(hào)梁），其中第3號(hào)梁病害最嚴(yán)重，受損部位主要位于頂板、腹板，以及箱梁第3、4號(hào)梁間的濕接縫處。
?。?）濕接縫
A墜石在橋面上第一撞擊點(diǎn)位于第5跨第3、4號(hào)箱梁跨中區(qū)的頂板與濕接縫接縫處，該處已經(jīng)砸穿，雨天有漏水現(xiàn)象（見(jiàn)圖3）。
（2）腹板
第5跨第3、4號(hào)箱梁的腹板損傷嚴(yán)重，3號(hào)梁出現(xiàn)大量發(fā)散裂縫，裂縫形狀有水平向、豎向、斜向，斜向裂縫最長(zhǎng)達(dá)296cm，裂縫最大寬度為0.9mm，均為墜石產(chǎn)生的受力裂縫（見(jiàn)圖4）。
 圖3 墜石在第一撞擊區(qū)濕接縫病害
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 圖4 內(nèi)側(cè)第二片箱梁腹板斜向裂縫
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?。?）橋面
右幅橋面尚未攤鋪瀝青面層，第5跨橋面鋪裝受墜石撞擊后損傷嚴(yán)重，撞擊損傷概貌如圖5、6所示。
 圖5 橋面鋪裝撞擊損傷現(xiàn)場(chǎng)
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圖6 濕接縫處橋面鋪裝及頂板砸穿
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3 荷載試驗(yàn)
為了了解結(jié)構(gòu)體系在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，為科學(xué)地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在受損后使用階段的工作狀況提供強(qiáng)度、剛度和變形等方面的資料，本次對(duì)比荷載試驗(yàn)選擇受損的第5跨和相鄰未受損的第4跨進(jìn)行了對(duì)比荷載試驗(yàn)，為下一階段的加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本橋在試驗(yàn)荷載作用下?lián)p傷跨第5跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最高為1.2，撓度校驗(yàn)系數(shù)最高為0.95，而相鄰跨第4跨跨中截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最高為0.9，撓度校驗(yàn)系數(shù)最高為0.87。
預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)一般為0.7～0.9，但不得超過(guò)1.05。本橋損傷跨結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常值范圍，橋梁實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)偏離理論設(shè)計(jì)，承載力已經(jīng)沒(méi)有安全儲(chǔ)備。橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)也較高，橋梁實(shí)際剛度小于理論設(shè)計(jì)剛度，存在安全隱患。
建議盡快采用主動(dòng)加固方式對(duì)本橋進(jìn)行加固處理，以改善受力狀態(tài)并滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。
4 橋梁加固設(shè)計(jì)方案
橋梁加固設(shè)計(jì)工作根據(jù)上述病害情況、靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，將本次加固分為上部主體結(jié)構(gòu)加固、現(xiàn)澆及預(yù)制橋面板及橫梁加固三部分。
（1）病害：箱梁腹板出現(xiàn)較多斜向裂縫，現(xiàn)澆及預(yù)制橋面大面積損傷。
?。?）病害及結(jié)構(gòu)分析：通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，原箱梁結(jié)構(gòu)承載能力可以滿(mǎn)足要求，但由于箱梁受到突然沖擊后，腹板出現(xiàn)較多比較寬的斜向受力裂縫，且部分濕接縫連接處發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)實(shí)際的承載力及應(yīng)力狀況發(fā)生變化。在結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)第4跨和第5跨相同工況下結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)結(jié)構(gòu)受損程度考慮將右幅第5跨3號(hào)箱梁鋼束張拉控制力按0.85系數(shù)折減，右幅第5跨4號(hào)箱梁鋼束張拉控制力按0.9系數(shù)折減；由于部分濕接縫和箱梁連接處開(kāi)裂、混凝土破碎，特別是右幅第5跨第3、4號(hào)梁之間濕接縫破壞較嚴(yán)重，梁間橫向聯(lián)系薄弱，形成局部單板效應(yīng)，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的最大橫向分布系數(shù)計(jì)算，橋梁的的承載力根據(jù)箱梁的病害程度3號(hào)梁按0.85的系數(shù)折減，4號(hào)梁按0.9的系數(shù)折減，計(jì)算結(jié)果如下表所示:
表1 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算
驗(yàn)算內(nèi)容
荷載等級(jí)
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3號(hào)梁跨中下緣正應(yīng)力
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4號(hào)梁下緣正應(yīng)力
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折減前
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折減0.85后
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折減前
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折減0.9后
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公路-Ⅰ級(jí)
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1.51 MPa
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0.48 MPa
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0.50 MPa
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-0.17 MPa
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表2 抗彎承載力驗(yàn)算
荷載等級(jí)、位置
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公路-Ⅰ級(jí)
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計(jì)算參數(shù)
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3號(hào)梁
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4號(hào)梁
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內(nèi)力組合Mj (kN.m)
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4956.3
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5342.6
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極限承載力Mu (kN.m)
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5391.1
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5383.0
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箱梁承載力折減系數(shù)
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4582.4
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4844.7
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承載力驗(yàn)算Mu/Mj(折減前）
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1.09
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1.01
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承載力驗(yàn)算Mu/Mj(折減后）
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0.92
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0.91
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（3）加固處理方案
由于箱梁跨中墜石部位裂縫超限，考慮到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響，本次維修加固設(shè)計(jì)采用兩種主動(dòng)加固方案恢復(fù)箱梁的承載能力
方案一：在箱梁底面張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板。
采用施加預(yù)應(yīng)力后的碳纖維加固，既有效地利用了碳纖維的高強(qiáng)度，節(jié)約碳纖維用量，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。
方案二：在箱梁底面張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束。
由于鋼絞線(xiàn)的強(qiáng)度高，當(dāng)需要拉桿承受較大內(nèi)力時(shí)，材料面積也不需要很大，施工起來(lái)比較方便。鋼絞線(xiàn)的柔性好，很容易形成設(shè)計(jì)形狀，施工起來(lái)方便。鋼絞線(xiàn)的長(zhǎng)度長(zhǎng)，可以采用連續(xù)跨加固，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。由于無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)的防腐性能較好，在外觀要求不高的情況下，可采取簡(jiǎn)單的防腐措施，施工比較方便。
其它共性處理方案
a、裂縫：裂縫寬度≥0.15mm的結(jié)構(gòu)受力裂縫采用壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)；非結(jié)構(gòu)受力裂縫和寬度＜0.15mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)。
b、混凝土局部破損：清理破損區(qū)域，露出堅(jiān)實(shí)界面，用改性聚合物水泥砂漿修補(bǔ)；對(duì)箱梁濕接縫部分采用拆除破損濕接縫、重新澆注混凝土的處理方法。
c、露筋銹蝕：清理露筋區(qū)域，對(duì)鋼筋除銹，用改性聚合物水泥砂漿修補(bǔ)。
d、箱梁跨中腹板粘貼條狀鋼板。
?。?）預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果（方案一）：
表3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算
驗(yàn)算內(nèi)容
荷載等級(jí)
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3號(hào)梁下緣正應(yīng)力
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4號(hào)梁下緣正應(yīng)力
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公路-Ⅰ級(jí)
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1.45 Mpa
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0.44 Mpa
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表4 抗彎承載力驗(yàn)算
荷載等級(jí)、位置
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公路-Ⅰ級(jí)
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計(jì)算參數(shù)
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3號(hào)梁
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4號(hào)梁
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內(nèi)力組合Mj (kN.m)
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4956.3
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5342.592
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加固前極限承載力Mu (kN.m)
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4582.4
|
4844.7
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加固后極限承載力Muu (kN.m)
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5650.1
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5910.3
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承載力驗(yàn)算Mu/Mj(加固前）
|
0.92
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0.91
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承載力驗(yàn)算Muu/Mj(加固后）
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1.14
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1.11
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?。?）體外預(yù)應(yīng)力加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果（方案二）
表5 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算
驗(yàn)算內(nèi)容
荷載等級(jí)
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3號(hào)梁下緣正應(yīng)力
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4號(hào)梁下緣正應(yīng)力
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公路-Ⅰ級(jí)
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1.50 Mpa
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0.48 Mpa
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表6 抗彎承載力驗(yàn)算
荷載等級(jí)、位置
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公路-Ⅰ級(jí)
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計(jì)算參數(shù)
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3號(hào)梁
|
4號(hào)梁
|
內(nèi)力組合Mj (kN.m)
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4956.3
|
5342.592
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加固前極限承載力Mu (kN.m)
|
4582.4
|
4844.7
|
加固后極限承載力Muu (kN.m)
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5510.5
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5771.5
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承載力驗(yàn)算Mu/Mj(加固前）
|
0.92
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0.91
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承載力驗(yàn)算Muu/Mj(加固后）
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1.11
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1.08
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?。?）方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
表7 方案比選表
方案
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優(yōu) 點(diǎn)
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缺 點(diǎn)
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方
案
一
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1、耐腐蝕（氣候）性能較好；
2、采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，有效地利用了碳纖維的高強(qiáng)度；
3、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固可顯著改善受彎構(gòu)件開(kāi)裂及屈服荷載，應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)加固能有效抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，充分利用碳纖維材料性能。
4、可拆換，方便更換，碳纖維板面積較小，緊貼梁底，充分利用材料。
5、固定端和張拉端采用成品鋼齒板，鋼齒板尺寸較小，外觀較好。
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對(duì)碳纖維施加預(yù)應(yīng)力將伴隨產(chǎn)生初始應(yīng)變,碳纖維的剩余變形更少，對(duì)加固結(jié)構(gòu)延性有影響。
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方
案
二
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1、采用成品體外索，索體外有PE套管防護(hù)。
2、體外索安裝在箱內(nèi)，其它梁相比協(xié)調(diào)性較好。
3、加固費(fèi)用花費(fèi)較少。
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1、需要種植較多鋼筋澆筑齒板，對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷較大。
2、預(yù)應(yīng)力布置在箱內(nèi)，施工空間較小，種植鋼筋等施工較困難。
3、齒板較小，混凝土澆筑困難。
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經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較將方案一：預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案作為推薦方案。
5 項(xiàng)目實(shí)施情況
本橋加固設(shè)計(jì)方案在專(zhuān)家及業(yè)主的一再堅(jiān)持下，施工時(shí)沒(méi)有選擇主動(dòng)加固設(shè)計(jì)方案，最終處理措施如下：
（1）對(duì)該橋右幅第五跨受損箱梁的裂縫進(jìn)行注漿及封閉。
?。?）在受損箱梁箱室內(nèi)粘貼整體鋼板，箱室外粘貼條狀鋼板。
（3）鑿除該橋右幅第五跨原橋面鋪裝和受損濕接縫的砼，取消鋪裝中面層。已鑿除的濕接縫、橋面鋪裝和取消的中面層采用砼整體澆筑，并設(shè)置雙層鋼筋以提高橋梁橫向聯(lián)系。
6 結(jié) 語(yǔ)
本文通過(guò)棋盤(pán)嶺大橋受墜石破壞所造成的病害情況進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合荷載試驗(yàn)結(jié)論有針對(duì)性地提出兩種加固設(shè)計(jì)方案供比選，最終選擇處理方案，從以上橋梁事故及加固案例，提出以下建議供參考：
1、在設(shè)計(jì)和施工中，避免使用不合理的高陡邊坡，避免大挖大切，以維持山體的平衡穩(wěn)定。在巖體松散或構(gòu)造破碎地段，不宜使用大爆破施工，避免因工程技術(shù)上的失誤而引起崩塌。較陡斜坡上的巖土體應(yīng)及時(shí)采取清除坡面危石、遮擋、攔截 、支擋、坡面加固等措施避免災(zāi)害的發(fā)生。
2、施加預(yù)應(yīng)力后的碳纖維加固，既有效地利用了碳纖維的高強(qiáng)度，節(jié)約碳纖維用量，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，國(guó)內(nèi)外許多研究人員及工程師對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，以期使預(yù)應(yīng)力碳纖維加固成為傳統(tǒng)碳纖維加固及其他加固技術(shù)的良好替代技術(shù)，加固施工中值得推廣。
