引言

混凝土结构是20世纪建筑领域中应用最广泛的结构形式，但受建筑物使用功能变化、火灾、地震灾害等因素的影响，混凝土结构在使用年限内会发生不同程度的损伤。随着经济的发展，新建建筑物安全度不断提高，相比之下，既有建筑物安全性能与现行标准的要求差距越来越大。为更好地满足安全性、适用性及耐久性要求，须对既有建筑物进行维修、加固（张鑫等，2011）。

传统的加固方法包括增大截面法、粘钢法、外包钢法、置换混凝土法等，这些加固法往往由于加固材料与原构件存在应力滞后效应而影响加固效果（卢亦焱，2016）。横向预应力约束加固技术能对混凝土构件施加横向力，使构件获得主动横向约束力，使混凝土变形能力和承载力得到改善，充分发挥材料力学性能，进而大幅度提高构件承载力和变形能力。国内外学者对该加固技术进行了大量试验和理论研究，本文主要总结预应力钢板箍加固技术、预应力纤维片材加固技术、预应力钢绞线（钢丝绳）加固技术、形状记忆合金加固技术等横向约束加固方法在提高混凝土构件抗震性能方面的研究进展。

1.   预应力钢板箍加固技术

郭子雄等(2006, 2009, 2010, 2012)提出了预应力钢板箍（PSJ）加固方法，通过在U形钢板箍两端头预先设置对拉装置，将高强螺栓穿过预留螺孔并张紧，钢板箍达到预拉应变后焊接连接板，同时卸下对拉装置（图 1）。先后完成了30根方柱构件试验，包括6根PSJ加固RC短柱轴压性能试验、15根PSJ加固RC短柱抗震性能试验、9根PSJ加固RC短柱抗剪性能试验。

图 1  钢板箍构造

Figure 1.  Details of steel jackets

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轴压性能试验结果表明，随着预应力度及配箍特征值的提高，钢板箍对混凝土的约束作用不断增强，加固试件混凝土竖向裂缝的产生和发展受到有效抑制。通过抗震性能试验验证了预应力钢板箍加固RC短柱的有效性，并研究了预应力水平、轴压比、箍板特征值和纵筋配筋率等参数对RC短柱加固后抗震性能的影响。研究结果表明，横向预应力钢板箍能提供良好的主动横向约束，有效抑制斜裂缝的开展，试件破坏形态由剪切破坏转变为具有良好延性的柱端塑性铰压弯破坏，加固试件抗震性能得到很大提升。进一步给出预应力钢板箍加固RC短柱的工程建议，当设计轴压比＜0.7时，钢板箍体积配箍率为1.8%抗震性能较好；当设计轴压比＞0.9时，钢板箍体积配箍率宜＞2.5%；当预应力水平为0.35时，钢板箍对构件产生良好的约束作用，RC短柱抗震性能较好，但对于高轴压比试件，预应力水平应适当提高。抗剪性能试验结果表明，通过预应力钢板箍加固可大幅度提高RC短柱抗剪承载力，且试件抗剪承载力随着箍板配置和预应力度等参数的增大逐渐提高，并定量给出了预应力钢板箍加固RC短柱抗剪承载力计算公式。

洪艺超（2012）进行了8根改进钢板箍加固RC圆形墩柱试件抗震性能试验，试验结果表明，通过焊接连接的预应力钢板箍可对RC圆柱形成良好的横向约束作用，使圆柱抗震性能得到明显改善。基于试验结果和理论分析，提出了预应力钢板箍加固RC圆柱的三线型恢复力模型，并给出了该模型滞回规则及路径。郭子雄等（2015）进一步开展7根改进钢板箍加固RC圆形墩柱试件轴压性能试验，试验结果表明，加固试件轴向受压承载力可显著提高，且轴向受压承载力和变形能力随着箍板配箍特征值和预应力度的增加而提高，预应力度为0.35时加固效果最优，并给出了作为设计依据的PSJ加固RC桥墩柱轴心受压承载力计算公式。

Hussain等（2004）提出了在隔墙位置处增设钢板及与之配套的预应力钢管约束柱加固方法，将钢管两端沿45°方向切割，在与切面垂直的钢管表面开孔并焊接短钢管，2根钢管沿45°方向对接后，再将螺杆穿过短钢管，并用螺栓旋紧进而施加预应力。完成了11个试件轴压性能试验及9个试件低周反复荷载试验，试验结果表明，加固试件轴压承载力及极限压应变均得到大幅度提升。在大震作用下，加固试件表现出良好的抗震性能；在同等条件下，随着剪跨比的减小，加固试件延性变差，随着轴压比的增大，延性变差但耗能增强，当预应力钢管间距增大时，试件变形能力和耗能能力均变差。Gamble等（1996）通过张拉钢条带对足尺圆柱进行加固，研究基底钢筋搭接区性能，试验结果表明，施加横向预应力加固的试件基底钢筋搭接区性能得到有效改善。

采用预应力钢板箍加固时，具有构造简单、构件拆除方便、预应力水平控制方便等特点，施工过程中无须使用结构胶粘贴，也无须湿作业，具有节能环保的优点。但该方法具有钢板箍强度低、钢板截面尺寸大、预应力程度偏低等缺点，适用于环向预应力要求不高、中等截面尺寸柱的加固。

2.   预应力纤维片材加固技术

周长东等（2013b）提出了预应力纤维布加固方法，该方法采用自锁式锚具施加预应力，锚具由锚头、螺栓、螺母和高强纤维布组成，如图 2（a）所示。锚头由2个夹片组成，合在一起组成两端为长方体、中间为圆柱体的装置，长方体上面布有螺孔和安装孔，如图 2（b）所示。锚具安装分为锚头固定式和锚头活动式2种。预应力施工时首先根据设计的片材层数、尺寸及锚具安装形式制作锚具，并保证胶体固化，然后用扭矩扳手给螺母施加扭矩，片材应力增至满足设计要求后卸下扭矩扳手即可。

图 2  自锚式锚具结构示意

Figure 2.  Details of system-self-locking anchor

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周长东等(2012a, 2012b, 2012c, 2013a)先后完成了53个构件试验，其中9根预应力纤维带加固圆柱的低周反复荷载试验结果表明，预应力纤维条带可提供环向主动约束力，有效延缓了加固试件混凝土裂缝的开展和发育，加固试件破坏形态发生了变化，由剪切脆性破坏转变为延性较好的弯剪破坏和弯曲破坏。7根不同高轴压比下的预应力碳纤维条带加固圆柱的低周反复荷载试验结果表明，预应力度为0.10—0.25时，对加固试件承载力的影响较小，在持荷条件下对试件进行加固，试件延性和耗能能力得到大幅度提高，但承载力提高不大。通过12根预应力碳纤维条带加固圆柱（包括3根震损柱）的低周反复荷载试验分析了预损程度、纤维种类、表面处理方式对加固圆柱抗震性能的影响，研究结果表明，不同预损程度试件加固后的抗震性能变化较大，轻微和中等预损试件加固后的承载力、变形能力和耗能能力均得到较大幅度提高，严重预损试件加固后的承载力、变形能力和耗能能力在一定程度上得到恢复，基本达到未加固试件的水准；对试件进行表面处理，如表面打磨或对纤维条带刷胶，单一处理方法对加固试件承载力、延性及耗能能力的影响较小，进行试件表面打磨并对纤维条带刷胶可大幅度提高加固试件抗震性能。25根预应力纤维布加固圆形截面短柱轴压性能试验结果表明，施加预应力可有效避免非预应力纤维条带加固试件的应力滞后问题，加固试件承载力及变形能力均得到大幅度提升；预应力度为0—0.2时，随着预应力度的增大，试件承载力及变形能力提高，当预应力度为0.25时，加固效果反而降低，因此建议实际工程中将预应力度控制为0—0.20。

1995年日本关西地区阪神地震（M7.3）给日本工业及民用建筑造成大面积破坏，在恢复重建及加固维修过程中，Yamakawa等（2005）提出采用预应力纤维布进行应急加固，该方法首先沿受损构件长度方向按设计间距锚固薄钢带，然后在构件转角处钢带上粘贴弧形转角部件，最后采用对拉螺栓装置对纤维片材施加预拉力，箍紧薄钢带。4个不同程度受损试件加固试验研究结果表明，由于施加了横向预应力，可使剪切裂缝闭合、剪切强度提高、轴向承载力恢复，可将该方法应用于地震受损构件加固中。当受损构件剩余轴向承载力仅为损伤前的0.2—0.6倍时，采用该方法加固后的混凝土圆柱体抗压强度可恢复到损伤前的60%—100%，在高轴压比条件下，该方法加固效果更好。Taleie等（2007）利用夹钳式方法张拉CFRP和AFRP片材对RC柱进行加固，并对加固试件抗震性能展开研究，试验结果表明，加固试件承载力、延性及耗能均得到显著提高。

采用预应力纤维片材加固时，具有加固材料强度高、厚度偏小、耐久性好等优点，但该方法具有成本高、施工较复杂等缺点，适用于耐久性要求高、大截面尺寸的构件加固。

3.   预应力钢绞线（钢丝绳）加固技术

Saatcioglu等（2000，2003，2004）提出并研究了横向预应力钢绞线（钢丝绳）加固技术，其中钢绞线通过扭环锚进行锚固。施加预应力时首先将扭环锚通过水泥钉固定在被加固试件上，将钢绞线一端穿过锚孔并用夹片夹紧，另一端绕试件一周并穿过扭环锚的另一个锚孔，利用液压千斤顶进行张拉，达到控制应力后用夹片锚固钢绞线。共进行7个足尺试件低周反复荷载试验，包括2根方形墩柱试验和5根圆形墩柱试验，为防止方形截面柱角部应力集中，同时保证柱每个侧面能受到均匀的压应力，在钢绞线加固位置预先布置方钢管，并在每根方钢管上焊接3个半圆盘，其中靠近中间的半圆盘直径最大，两端略小，在加固试件角部布置半圆盘，其规格和布置与方钢管两端相同。5根圆形墩柱试验中包括1个采用高强打包带加固试件，钢带横截面面积为21.3mm²，极限抗拉强度为1000MPa，预拉应力为50MPa，每根钢绞线直径为9.53mm，公称面积为54.8mm²，极限抗拉强度为2000MPa，预拉应力分别为50MPa和300MPa。试验结果表明，未加固试件均发生了剪切脆性破坏，当位移角为1/50时失效，加固试件破坏形态由剪切破坏变为延性更好的弯曲及弯剪破坏，随着钢绞线初始预应力度的提高及钢绞线间距的减小，采用钢绞线加固的试件变形能力得到大幅度提升，承载力也在一定程度上有所提高，采用高强打包带加固的试件在位移角为3/100时，柱根部的高强钢带被拉断，导致试件失去约束进而失效破坏，其变形能力劣于预应力钢绞线加固试件；考虑桥墩所处环境，加固后的桥墩需进行防腐处理，因此建议采用纤维混凝土进行保护，当位移角为1/20时，保护层仍为整体，未发生剥落。

Budek等（2006）采用预应力钢绞线对RC柱进行加固，加固效果明显。Yang等（2009，2011）和Kim等（2007）采用预应力钢绞线对RC梁进行加固，加固装置端头为螺杆钢丝绳，有2种施工工艺：第1种施工工艺首先在加固位置楼板开孔，穿过钢绞线绕梁一周，钢绞线两端螺杆从板面上预先加工好的钢垫板螺孔中穿过，用扭矩扳手旋紧螺栓达到预拉应力，钢丝绳和钢垫板形成闭合的加固形状；第2种施工工艺首先在梁腹板上锚固预先加工好的角钢，带螺杆的钢绞线从梁底绕过形成U形，两端螺杆穿过角钢上的预留孔，最后用扭矩扳手张紧螺栓达到预拉应力。先后共完成了25根梁试件单调加载试验，其中15根矩形梁加载试验采用第1种施工工艺，重点分析剪跨比、预应力度、钢绞线方向及钢绞线间距的影响。研究结果表明，加固试件开裂承载力及极限承载力均有大幅度提高，变形能力也有大幅度改善；随着预应力度的提高，梁抗剪承载力逐渐增大，钢绞线斜向布置的加固效果优于竖向布置，钢绞线间距越小梁承载力越高。10根双跨T形梁加载试验结果表明，采用第1种施工工艺加固的试件承载力及变形能力均随着预应力度的增大而提高，而采用第2种施工工艺加固的试件承载力及变形性能提高不明显，建议在实际施工过程中采用第1种施工工艺。

杨军民(2011a, 2011b)开发了波浪形夹板锚具，并用该锚具和普通卡头反向对接锚具对钢丝绳施加预应力，进行了6根RC梁抗剪加固试验，预应力张拉装置如图 3，发现加固梁抗剪承载力随着配绳率的增大而提高，随着预应力水平的增大先提高后降低，并提出了闭合预应力钢丝绳加固RC梁抗剪承载力计算公式。于天来等（2012）采用与Yang等（2009，2011）相似的加固方法对梁进行了试验研究，试验结果表明，抗剪加固可明显提高梁斜截面抗剪承载力，闭合U形加固效果优于非闭合U形加固，并对相应预应力钢丝绳加固RC梁抗剪承载力进行了探讨。

图 3  预应力张拉装置

Figure 3.  Prestress tension setup

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邓宗才等（2010）和郭俊平等(2014a, 2014b)提出了新型预应力钢绞线网加固混凝土柱体的方法（图 4），先后完成44个试件加固试验，其中24根预应力钢绞线网加固混凝土圆柱、2根未加固对比柱轴压试验结果表明，预应力钢绞线加固柱轴向峰值应力和应变最大提高幅度分别为83%和95%，加固效果随着预应力水平的提高及钢绞线间距的减小而提高，并建立了2种应力-应变全曲线关系模型，与试验吻合较好；16根钢筋混凝土圆形截面加固柱、2根未加固对比柱试件在不同轴压比下的水平反复加载试验结果表明，高轴压比加固试件在屈服荷载、极限荷载、位移延性系数等方面的提高幅度均大于低轴压比加固试件，累积耗能提高幅度小于低轴压比加固试件，刚度退化较未加固低轴压比试件严重。郭俊平等(2012, 2013)和林劲松（2009）采用北京羿射旭科技有限公司YS-09型预应力锚固体系完成了11个梁、板的加固，加固梁如图 5，通过7根预应力钢绞线U形抗剪加固梁和1根未加固对比梁的试验研究，分析了预应力水平、剪跨比对加固效果的影响，结果表明，预应力水平＜0.3时，截面刚度、承载力、钢绞线利用率随着预应力水平的提高而提高，预应力水平＞0.3时，承载力随着预应力水平的提高而降低，并建立了抗剪加固梁承载力计算公式。通过3块预应力加固板、1块非预应力加固板和1块对比板的抗弯试验研究，分析了预应力水平对板加固效果的影响，试验结果表明，预应力加固板相比对比板裂缝宽度明显减小，承载力、截面刚度大幅度提高；开裂荷载较非预应力加固板显著提高，且屈服荷载、极限荷载、截面刚度均有所提高，裂缝宽度减小；加固效果、钢绞线强度利用率随着预应力水平的提高明显提升。

图 4  预应力钢绞线网加固柱

Figure 4.  Column strengthened with prestressed steel wire mesh

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图 5  预应力钢绞线网加固梁

Figure 5.  Beam strengthened with prestressed steel wire mesh

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刘灿等(2008, 2010, 2012a, 2012b)和吴波等（2007）将桥梁工程中应用的预应力技术应用于建筑结构中，采用预应力高强螺栓代替桥梁中的横向预应力钢筋，进而改善梁抗裂及抗剪承载力，从而减小梁截面尺寸。通过4根加固梁试件和1根未加固梁试件进行对比试验，研究结果表明，经预应力高强螺栓加固后试件的抗裂及抗剪承载力均得到明显提高，在保证横向预应力高强螺栓螺杆总截面面积一定的条件下，采用直径较小的螺杆（对应的间距同时变小）加固效果更优；通过2个阶梯形试件研究了预应力损失情况，并给出了预应力损失计算方法。

采用预应力钢绞线加固时，具有加固材料强度高、预应力程度高、加固效果好等优点，但具有成本高、施工复杂等缺点，适用于大截面尺寸构件及筒仓、水塔、水池等环形结构的加固。

4.   形状记忆合金加固技术

形状记忆合金（SMA）由于其超弹性和形状恢复功能得到较多研究，该材料在分子层级上的前后两个状态的变化，即奥氏体和马氏体所占比重不同，在一定温度范围内，合金经拉伸后可产生较大的塑性变形，但温度超过临界值后，塑性变形可完全恢复（Vokoun等，2003；Hartl等，2006）。Andrawes等（2007，2010）和Shin等（2011）将该技术应用到桥梁墩柱修复中，采用NiTiNb形状记忆合金（该材料具有宽滞后性），将合金丝按设计间距缠绕在试件上，2个自由端锚固在试件上，然后通电对合金丝进行升温，升温至108℃时，丝中应力达565MPa，然后撤去升温装置，温度降至室温16℃时，丝中应力维持在460MPa。圆柱体轴压性能试验研究表明，采用SMA加固后的轴压试件承载力提高约15%，极限应变提高310%。采用该方法对4根框架柱进行加固，包括1根未加固框架柱、1根采用玻璃纤维加固的框架柱、1根采用SMA加固的框架柱、1根采用SMA和玻璃纤维复合加固的框架柱，加固材料对试件约束力大致相同，低周反复荷载试验结果表明，加固试件承载力提高不明显，采用玻璃纤维加固的试件极限位移角可达4%，采用SMA加固的试件极限位移角可达12%，且其耗能能力明显优于采用玻璃纤维加固的试件。

形状记忆合金加固技术具有材料强度高、加固材料截面尺寸小、预应力程度高等优点，但该方法存在施工复杂、成本较高等缺点，适用于环向预应力程度高、中等截面尺寸柱加固。

5.   结语

采用横向约束加固可充分发挥被约束材料的性能，达到提高承载力及变形能力的效果，本文详细阐述了预应力钢板箍加固技术、预应力纤维片材加固技术、预应力钢绞线（钢丝绳）加固技术、形状记忆合金加固技术等横向约束加固方法在加固混凝土构件抗震性能方面的研究进展，这些加固方法具有良好的横向约束，使试件抗震性能得到明显改善，但仍存在很多问题需要改进，如预应力钢板箍、预应力钢绞线、预应力碳纤维布等加固方法装置较复杂，预应力钢板箍及预应力型钢等加固技术材料利用率低，预应力钢绞线及预应力碳纤维布等加固技术加固后观感较差，形状记忆合金加固技术成本很高。基于以上问题，横向预应力约束加固混凝土结构应向加固装置简单、施工方便、材料强度高、加固成本低、加固后观感好的方向发展。此外，还应进一步研究锚固、预应力施加和控制、承载力和刚度适用计算等问题，以便能更好地指导实际工程。