新型預制鋼筋混凝土梁體外預應力加固設計

王曉東　李東彬

(1.中鐵工程設計院有限公司，北京　100038；2.中國建筑科學研究院，北京　100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1　LI Dong-bin2

新型預制鋼筋混凝土梁體外預應力加固設計

王曉東1李東彬2

(1.中鐵工程設計院有限公司，北京100038；2.中國建筑科學研究院，北京100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1LI Dong-bin2

摘要以北京市某既有建筑屋面梁加固工程為例，介紹鋼筋混凝土梁體外預應力加固技術設計與施工方案。該工程采用了創(chuàng)新的體外預應力錨固節(jié)點設計，解決了常規(guī)方案錨具外露，影響使用功能的問題，加固效果好且美觀。

關鍵詞體外預應力；加固；錨固；張拉

1概述

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和基本建設規(guī)模的不斷擴大，我國既有建筑規(guī)模已達到400億m2以上，與此同時，由于既有建筑物長期使用，其中30%～50%房屋出現(xiàn)了安全性失效或進入功能退化期[1]。目前，我國的加固改造工程相對于新建工程投入的比例較西方發(fā)達國家尚有較大差距(英國已達60%以上)[2]，但這一比例在逐年增大?？梢灶A測，在我國建筑加固改造是一個未來發(fā)展?jié)摿薮蟮念I域。

我國現(xiàn)有的混凝土結構加固技術除預應力加固法外，主要有增大截面、外包角鋼、粘鋼、粘貼碳纖維、局部置換、改變傳力路徑及鋼絲繩聚合物復合砂漿等加固方法[3]。以上各種加固方法都有其技術特點和工程適用范圍，工程中應綜合考慮加固目的和工程環(huán)境及限制條件，認真加以分析并合理選擇。除非施加預應力或采用卸載等措施，通常的加固都存在應力滯后問題，即加固完成后，在后續(xù)荷載增加，結構產(chǎn)生變形的同時，加固部分才能發(fā)揮作用[4]，加固效果受影響。如粘貼碳纖維片材的梁，在二次受力過程中，其應變比梁中的鋼筋應變滯后很多，加固效果不明顯。同時，大部分加固對撓度和裂縫控制方面的貢獻往往非常有限。此外，有著眾多業(yè)績的粘鋼及粘貼碳纖維布加固方法，尚存在膠的老化及溫差影響引起的粘結失效等問題，其長期粘結可靠性尚有疑問[5]，曾有不止一項工程出現(xiàn)了粘結失效脫落的事故?！痘炷两Y構加固設計規(guī)范》(GB50367—2006)專門規(guī)定：對使用膠粘方法或摻有聚合物加固的結構構件，應定期檢查其工作狀態(tài)，檢查時間間隔由設計單位確定，但第一次檢查時間不應遲于10年[6]。

對梁板類結構構件，體外預應力加固技術不僅可直接起到平衡荷載作用，還可獲得減小撓度、閉合裂縫的效果，同時可采用高強度鋼材大幅度提高承載能力；對柱的預應力纏繞法加固可大大提高柱的承載力和延性。預應力加固基本不增加結構重量，工藝成熟可靠，是一項高效的加固技術。

值得注意的是，以往預應力加固工程最大的問題是為了張拉和錨固需要，必須進行一部分的濕作業(yè)，且需對樓板及端部墻體進行開洞處理，增設錨固點，不僅增加施工難度，而且往往因建筑施工環(huán)境條件的限制無法實現(xiàn)。

結合工程實際，提出更為簡單可靠且具創(chuàng)新性的預應力加固工藝體系，克服了既有體外預應力工藝體系上的缺陷，并在北京某工程屋面梁加固工程中應用，獲得良好的效果。

2工程概況

該工程是1981年設計建造的一層磚混結構，條形基礎，屋蓋為14 m跨度的預制鋼筋混凝土梁上鋪預制板結構。該工程需增建一層，其二層作為會議室，使用荷載增加較多。此外，原設計梁截面偏小，已經(jīng)出現(xiàn)跨中彎曲裂縫和較大的撓度。本次增層改造后，原屋面梁成為樓面梁，不能滿足承載力、抗裂度和撓度要求，需進行加固處理。原設計屋面結構布置及梁截面情況見圖1。

圖1　屋面結構平面布置及梁剖面(單位：mm)

3加固方案比選

3.1　碳纖維布粘貼加固

根據(jù)新增荷載后梁的計算結果可知，原設計截面和配筋不滿足跨中受彎承載力要求，梁截面裂縫寬度不滿足要求，長期撓度值也略超出規(guī)范限值。采用碳纖維加固，可以提高梁的受彎承載力，但由于規(guī)范對碳纖維布粘貼層數(shù)的限制，以及梁截面寬度較小，可供粘貼碳纖維布的面積很小，很難大幅度提高梁的受彎承載力；而對裂縫寬度的限制作用及撓度的改善方面，粘貼碳纖維布的效果并不理想。一般情況下，粘貼碳纖維布只適于小跨度的板或梁以及柱的抗震加固等，顯然不適合本工程。

3.2　粘鋼加固

粘鋼可提高梁的受彎承載力，并可進一步減小荷載作用下的長期裂縫寬度，但對梁撓度的控制基本沒有貢獻。根據(jù)國外最新文獻，環(huán)氧樹脂膠粘貼的鋼板及碳纖維布，存在因環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)粘結失效的可能[7]。事實上，國內(nèi)外曾經(jīng)出現(xiàn)很多粘鋼或碳纖維布脫落的事例，不僅僅是施工質量問題，更主要的原因是溫度反復作用的結果，經(jīng)測試，環(huán)氧樹脂膠的溫度線漲系數(shù)是鋼材和混凝土的5倍[8]。試驗研究表明，30 ℃以上的溫度變化循環(huán)若干次后，環(huán)氧樹脂膠與基材或被粘貼的材料之間的粘結力會大幅度降低，并成為粘結破壞的原因。

3.3　體外預應力加固

經(jīng)過上述加固方案的比選后，決定采用預應力加固技術對原屋面梁進行加固。原理是在原結構梁上主動施加預應力，獲得跨間向上的荷載和支座區(qū)向下的荷載。常規(guī)的預應力鋼筋一般需要沿應力曲線埋置于混凝土構件中，由于是既有梁，埋置預應力筋不現(xiàn)實。根據(jù)實際情況，最終采用體外預應力加固技術對原屋面梁進行加固，即通過在原結構梁外安裝折線形預應力筋，施加預應力荷載。預應力產(chǎn)生的跨間向上荷載與支座區(qū)向下荷載自平衡，但跨間向上荷載會產(chǎn)生與使用荷載相反的荷載效應，從而減小截面的混凝土拉應力以及梁的撓度，壓縮裂縫寬度；而支座區(qū)的向下荷載，通常直接傳給支座，基本對被加固梁的內(nèi)力沒有影響。預應力筋布置、等效荷載及荷載效應如圖2所示。預應力彎矩與使用荷載彎矩符號相反，可直接抵消或平衡使用荷載下梁的彎矩；預應力剪力在預應力筋的斜線段與使用荷載剪力相反，在其他區(qū)域沒有附加剪力，基本對梁的設計剪力沒有影響；至于預應力軸向力，則僅在錨固點之間產(chǎn)生，錨固點外側無預應力軸向力。如果是超靜定結構，軸向變形受到約束時，會出現(xiàn)錨固點外側的軸向拉力，其大小主要與約束的強弱有關，對通常的框架結構影響非常有限，可以忽略。

圖2　簡支梁體外預應力筋布置及張拉效應

4加固設計

對于既有結構預應力加固，常規(guī)都需在墻中的圈梁鉆孔設置張拉端錨具，但錨具必將外凸于墻外，影響立面效果，這一缺陷一直以來制約著預應力加固技術的使用。為解決這一難題，本工程采用了創(chuàng)新的體外預應力錨固節(jié)點設計(如圖3所示)。

圖3　體外預應力加固設計示意(單位：mm)

預應力筋的束形是雙折線，其折點位于梁跨的三分點附近，而張拉和錨固端設置在梁兩端的支座內(nèi)側，具體位置設計主要考慮張拉方便，能確保小型千斤頂?shù)牟僮骺臻g盡可能靠近支座。錨固點的金屬件為帶加勁的鋼板，鋼板通過貫通梁體的螺栓緊固在梁的側面，同時用粘鋼膠與梁粘貼。為確保預應力傳遞及使用階段不致因貫通栓對孔周混凝土的局部壓應力過大而造成混凝土碎裂破壞，螺栓的直徑需盡量選擇較大直徑，并要求通栓與孔間的縫隙必須用結構膠填實。預應力筋采用無粘結鋼絞線，錨具采用單孔夾片式錨具。這種加固節(jié)點設計既滿足了加固需求，更巧妙地解決了因錨具外露而影響使用的難題，加固效果可靠且更加美觀。

5加固施工

由于采用了便于施工的工藝和節(jié)點構造處理方法，使整個施工過程可全部在室內(nèi)進行，并且無混凝土濕作業(yè)，粘貼鋼板與準備工作和一般的加固工藝相同。預應力筋的張拉采用小型千斤頂配套小型油泵，并配合可頂壓的變角器，減小了張拉錨固時的錨具回縮損失，提高了錨固的可靠性。

參考文獻

[1]王俊，徐偉，林海燕，等.建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能途徑[J].中國科技成果，2006(19)：1

[2]范世平，孔廣亞.建筑物加固改造技術的發(fā)展與應用[J].煤炭科學技術，2007(10)：24-25

[3]鄧偉瑜.淺談建筑結構鋼筋混凝土加固技術方法[J].沿海企業(yè)與科技，2009(5)：128-129

[4]劉超.體外預應力加固混凝土技術研究及工程應用[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007

[5]楊勇新，楊萌，趙顏，等.華北自然環(huán)境條件下碳纖維片材耐久性能的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2008 (2)：21-23

[6]GB50367—2006混凝土結構加固設計規(guī)范[S]

[7]周英武，王蘇巖，李宏男，等.環(huán)氧樹脂基碳纖維布粘結膠性能的研究[J].建筑結構，2007(S1)：32

[8]韓春雷.碳纖維用無機膠的力學性能試驗研究[D].南京：東南大學，2009

中圖分類號：TU378

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)01-0106-03

作者簡介：第一王曉東(1968—)，男，1990年畢業(yè)于北方交通大學工民建專業(yè)，高級工程師。

收稿日期：2014-12-17