體外預應力在結(jié)構(gòu)加固中的應用初探

翟 銳 張新宇 歡利峰

摘要:體外預應力具有預應力損失小,施工簡便,便于檢查和調(diào)整的優(yōu)點,但同時也存在一些如極限承載能力狀態(tài)下的抗彎承載力小于有黏結(jié)和無黏結(jié)預應力的結(jié)構(gòu),延性較小,防腐要求較高等缺陷。文章對這些缺陷進行了分析,并提出了改進措施。

關(guān)鍵詞:體外預應力;結(jié)構(gòu)加固;錨固體系

中圖分類號:TV375 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)29-0169-02

體外預應力屬于目前諸多的預應力形式之一,具有結(jié)構(gòu)形式簡單、調(diào)整較易、操作方便、進度可控等優(yōu)點,在近年來得到快速發(fā)展和運用。其應用范圍從早期的PC梁擴展到建筑結(jié)構(gòu),從新建結(jié)構(gòu)擴展到結(jié)構(gòu)的加固。大量的工程實踐表明,采用體外預應力加固不僅能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力,減小構(gòu)件的撓度變形和裂縫開展,提高結(jié)構(gòu)的彈性恢復能力,而且具有施工簡便、不多占用空間及不影響結(jié)構(gòu)物的正常使用等顯著優(yōu)點。體外預應力已經(jīng)從單純的應用于混凝土結(jié)構(gòu)擴展到了鋼結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu),充分證明了其在結(jié)構(gòu)加固體系上的優(yōu)勢,其在2006年11月1日實施的《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》(GB50367-2006)中有專門的設計規(guī)定。

一、體外預應力結(jié)構(gòu)加固

當前流行的主要加固方法有:加大截面加固法、外包鋼加固法、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法,構(gòu)件外部黏鋼加固法等非預應力加固法,及傳統(tǒng)的以I級鋼或II級鋼作為補強拉桿的水平拉桿法,下?lián)问嚼瓧U法和組合式拉桿法等預應力加固法。

所謂體外預應力結(jié)構(gòu)加固是指通過施加體外預應力,使原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的受力得到改善和調(diào)整的一種間接加固的方法。在結(jié)構(gòu)加固中采用的體外預應力體系形式多樣。從使用的主要材料看,有螺紋鋼筋、型鋼、預應力鋼絞線、低松弛鋼絞線等。

在體外預應力加固發(fā)展的早期,采用的預應力材料以螺紋鋼筋和型鋼為主,從構(gòu)造形式上分為:水平筋、斜筋、上錨固點、滑塊、U型承托和水平筋固定支座等。水平筋大多采用較粗鋼筋制作。斜筋大多采用較粗鋼筋或槽鋼制作。斜筋的下端通過設置在梁底的滑塊與水平筋連接,上端錨固于梁端頂部或梁端腹板處,作用是提供梁端部位的負彎矩和預剪力。上錨固點的位置可根據(jù)加固梁的特點及施工具體情況選擇:梁頂錨固、腹板錨固或梁端錨固?；瑝K的基本作用與體外預應力橋梁體系中的轉(zhuǎn)向裝置相同,此外,當水平筋和斜筋非同一根鋼筋時,滑塊還具有將其連接為一體的作用?；瑝K根據(jù)構(gòu)造形式可分為水平滑塊和楔形滑塊,材料可采用鋼鑄件、型鋼和厚鋼板焊接、混凝土澆制。在利用T型梁橫隔板作為豎向支撐和水平筋、斜筋轉(zhuǎn)折點時,為減少橫隔板底部的摩擦力,可在該處設置U型承托。U型承托用鋼板彎制而成,用環(huán)氧砂漿和錨固螺栓固定。水平筋固定支座的作用是減少水平筋的自由長度,是減震裝置的一種。

現(xiàn)今,體外預應力加固中大都采用高強度鋼絲、鋼絞線或單股無黏結(jié)預應力筋來替代螺紋鋼筋,張拉方式也相應地改為在預應力筋端部實用液壓千斤頂張拉,以千斤頂產(chǎn)生的拉力為張拉控制量。鋼絞線材料主要分為以下幾種:普通光面鋼絞線、環(huán)氧涂層鋼絞線和鍍鋅鋼絞線。高強度低松弛鋼絞線在生產(chǎn)過程中經(jīng)過穩(wěn)定化處理,比例極限和屈服強度均有提高,應力松弛降低;與鋼筋相比,價格略有提高,但是張拉和錨固質(zhì)量更可靠。此外,通過使用鋼絞線,體外預應力加固梁在布筋形式上突破了傳統(tǒng)方法只能用單跨布置的局限,與無粘結(jié)預應力相似的連續(xù)多跨折線布置方式成為可能。

二、當前預應力筋的采用和錨固體系的應用

由于構(gòu)造的特性,體外預應力鋼筋缺乏混凝土保護層,其通常需要進行防腐處理。目前的防腐措施仍有改進的地方,如:鋼絞線經(jīng)鍍鋅后機械性能有所降低(1860MPa級鋼絞線鍍鋅后降為1770MPa);環(huán)氧噴涂鋼絞線生產(chǎn)設備造價較高;鋼絞線外包裹填充材料和HDPE管制成單根體外索的做法防腐性能較好,但索體外徑大大增加,整個體外預應力體系笨重。

近年來非鋼材預應力筋得到了很大發(fā)展,主要是纖維加勁塑料(FRP)預應力筋,如GFRP、AFRP和CFRP預應力筋。它們具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、耐疲勞、非磁性等特點,其中耐腐蝕、耐疲勞的特點使其在體外預應力領(lǐng)域的發(fā)展前景尤為廣闊。

對體外預應力來說,錨具失效就意味著整個預應力體系的失效,因此錨固體系的防腐與力筋防腐相比具有同等重要性?，F(xiàn)有的體外預應力錨固體系可以滿足工程需要,但仍需有改進之處;錨具本身材料采用金屬制造,且采取的防護措施不如力筋嚴格;在保證正常使用的前提下,錨具的尺寸仍有縮小的必要等。

解決上述問題的方法之一仍是新型材料的引進和使用?，F(xiàn)階段值得考慮的材料包括塑料、陶瓷和超高性能混凝土(UI-IPC),其中塑料錨具的蠕變特性使其實用性減小;陶瓷的強度足夠。但脆性過大且造價較高,與混凝土錨具相比造價高出約10多倍。因此兼具高抗壓強度、耐久性和抗斷裂韌性的UHIPC錨具體系是一個重要的發(fā)展方向。

FRP筋是一種晶體材料,它的抗剪強度和抗擠壓強度一般不超過抗拉強度的10%,因此如果沿用傳統(tǒng)的預應力錨具體系將會由于剪切破壞導致錨具區(qū)的過早失效,需要采用專用的錨具體系。當前的FRP筋錨具性能基本滿足工程需要,但在極限狀態(tài)下往往錨具先于材料失效,因此這方面有待進一步提高。

三、結(jié)語

相對于在構(gòu)件截面內(nèi)布置力筋的一般預應力結(jié)構(gòu)而言,體外預應力結(jié)構(gòu)具有預應力損失小,施工操作方便,便于檢查力筋腐蝕情況,便于調(diào)整張拉力或更換力筋的優(yōu)點;同時也存在有一些缺點,如極限承載能力狀態(tài)下的抗彎承載力小于有黏結(jié)和無黏結(jié)預應力的結(jié)構(gòu),延性較小,防腐要求較高,轉(zhuǎn)向和錨具裝置笨重等。通過改進體外預應力結(jié)構(gòu)的材料和體系,可以有針對性地進一步讓其優(yōu)點達到充分發(fā)揮,使其缺陷得到彌補和改善。

參考文獻

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[3]許曙東.體外預應力加固技術(shù)在框架梁改造工程中的應用.建筑技術(shù),2004,(6).

作者簡介:翟銳(1977- ),男,河南省第一建筑工程集團有限責任公司助理工程師,研究方向:施工現(xiàn)場技術(shù)管理;張新宇(1981- ),男,河南省第一建筑工程集團有限責任公司助理工程師,研究方向:施工現(xiàn)場技術(shù)管理;歡利峰,男,河南省第一建筑工程集團有限責任公司助理工程師,研究方向:施工現(xiàn)場技術(shù)管理。