預(yù)應(yīng)力智能張拉技術(shù)在歷史保護(hù)建筑加固中的應(yīng)用*

汪繼恕 郭其均

1. 上海同吉建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 200092；2. 福建泉工股份有限公司 泉州 362000

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

美琪大劇院位于上海市靜安區(qū)（圖1），始建于1941年，于1989年被上海市人民政府批準(zhǔn)列為第一批“上海市優(yōu)秀近代建筑保護(hù)單位”。由于年代久遠(yuǎn)，現(xiàn)需對(duì)美琪大戲院進(jìn)行文物搶救性保護(hù)工作，其中1道跨度為24.5 m的混凝土桁架采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固。

1.2 預(yù)應(yīng)力體外梁加固設(shè)計(jì)方案

預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度、低松弛無(wú)黏結(jié)鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)ptk=1 860 MPa，截面積AP=140 mm2，彈性模量EP=19.5×105N/mm2。預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 053.69 MPa，超張拉3%，每根預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制力為147.5 kN；每側(cè)各4根，呈三折線形狀對(duì)稱布置在桁架梁兩側(cè)，預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向塊設(shè)置在與之相交的次梁梁底[1]。由于該混凝土桁架梁強(qiáng)度較低，設(shè)計(jì)要求預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)需分級(jí)張拉，且梁兩側(cè)預(yù)應(yīng)力筋同時(shí)張拉，施工過程中需嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋的張拉力，并實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長(zhǎng)值和體外預(yù)應(yīng)力梁的反拱（圖2）。

圖1 美琪大劇院

圖2 體外預(yù)應(yīng)力梁預(yù)應(yīng)力筋布置示意

2 張拉工況及步驟

目前預(yù)應(yīng)力筋的張拉常用方法是人工手動(dòng)操作，易受人員、設(shè)備等因素的影響；而預(yù)應(yīng)力智能張拉技術(shù)通過計(jì)算機(jī)軟件控制油泵，可實(shí)現(xiàn)張拉的數(shù)字化控制；千斤頂缸長(zhǎng)的伸長(zhǎng)值及梁的變形值采用超聲傳感器自動(dòng)讀取并記錄，排除人為因素，提高了測(cè)量的精準(zhǔn)性，同時(shí)在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超出規(guī)定值的情況下將自動(dòng)預(yù)警直至停止張拉[2]。按照設(shè)計(jì)要求，先在E軸線端張拉4次。每次同時(shí)張拉桁架梁兩側(cè)的1根鋼絞線。然后再在梁的K軸線端進(jìn)行補(bǔ)拉，也為同時(shí)張拉兩側(cè)的1根鋼絞線，一共張拉4次（表1～表3）。

表1 鋼絞線與軸線端的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 張拉工序

表3 張拉分級(jí)及持荷時(shí)間

3 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 理論計(jì)算值

3.1.1 按規(guī)范伸長(zhǎng)值計(jì)算

鋼絞線在EF、JK段長(zhǎng)5.772+0.4（千斤頂長(zhǎng)）=6.172 m；在FJ段長(zhǎng)13.336 m。設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力1 053.69 MPa，摩擦因數(shù)κ=0，μ=0.09，彈性模量Ep=1.98×105MPa；EF、JK段預(yù)應(yīng)力為1 053.69 MPa；FJ段應(yīng)力為1 010.00 MPa。EF、JK段伸長(zhǎng)分別為32.8 mm；FJ段伸長(zhǎng)為68.0 mm；故理論伸長(zhǎng)值計(jì)算結(jié)果為133.7 mm。

3.1.2 預(yù)應(yīng)力反拱計(jì)算

采用有限元軟件SAP2000模擬，體外預(yù)應(yīng)力采用等效荷載進(jìn)行模擬，計(jì)算每次張拉工況作用下梁的反拱值。

3.2 實(shí)測(cè)值

預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)在自動(dòng)張拉的過程中，能實(shí)時(shí)采集張拉力、缸體位移（即預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)值）以及梁的反拱值，并能按需求自動(dòng)生成圖形或圖表。

3.2.1 實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值及錨固回縮

圖3、圖4為T1、T5這一對(duì)鋼絞線在張拉過程中自動(dòng)采集的張拉力與缸體位移的曲線，其中在E端進(jìn)行T1張拉時(shí)，進(jìn)行了倒缸1次（倒缸指的是在預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中由于千斤頂缸體位移達(dá)到極限而張拉力仍未達(dá)到張拉控制力時(shí)，需回油待缸體位移歸零后再次張拉），T1及T5的實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值及錨固回縮如表4所示。

由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉前處于不受力的自由狀態(tài)，故鋼絞線的實(shí)際張拉伸長(zhǎng)值應(yīng)該從鋼絞線受力繃緊后開始計(jì)算，即放張前缸體的總位移扣除鋼絞線由自由狀態(tài)至繃緊時(shí)的缸體位移，由于預(yù)應(yīng)力筋的張拉力和其變形為線性關(guān)系，故軟件可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出張拉力和缸體位移的線性關(guān)系[3]，該線性函數(shù)在x軸上的截距即為鋼絞線由自由狀態(tài)至繃緊時(shí)的缸體位移，如T1的張拉力和缸體位移的線性關(guān)系為y=1.110 9x-37.822，其鋼絞線由自由狀態(tài)至繃緊時(shí)的缸體位移為34.0 mm，見圖3、圖4。

圖3 E端的缸體位移-張拉力曲線

圖4 K端的缸體位移-張拉力曲線

表4 T1及T5的伸長(zhǎng)值及錨固回縮

3.2.2 實(shí)測(cè)梁的反拱值

按照體外預(yù)應(yīng)力加固施工方案在2個(gè)轉(zhuǎn)向塊所在的F、J軸線處設(shè)置了位移傳感器以測(cè)量預(yù)應(yīng)力張拉過程中梁的反拱值。將F軸線處的位移傳感器稱為sensor F，將J軸線處的位移傳感器稱為sensor J[4]。由表2知，張拉共有8步，以第1步為例，列出張拉力和反拱的關(guān)系圖（圖5～圖8）。

圖5 sensor F的張拉力-反拱分布

圖6 sensor J的張拉力-反拱分布

圖7 張拉完成后sensor F的反拱

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算匯總

反拱實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比如表5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 張拉完成后sensor J的反拱

表5 反拱實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比

由于測(cè)量反拱的傳感器靈敏度較高，外界因素對(duì)樓蓋的細(xì)微擾動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生儀器中撓度測(cè)量的變化，故分析只能給出真實(shí)反拱的可能區(qū)間，且該區(qū)間滿足＜1.5 mm的設(shè)計(jì)要求。

由于在有限元模型中考慮了桁架本身的剛度，沒有考慮樓板等其他構(gòu)件對(duì)桁架的約束，故實(shí)測(cè)值確實(shí)應(yīng)比理論值小；實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值相對(duì)于理論伸長(zhǎng)值的誤差均在《后張預(yù)應(yīng)力施工規(guī)程》（DG/TJ 08-235—2012）規(guī)定的-6%～+6%范圍內(nèi)；實(shí)測(cè)錨固回縮值在5.8～8.5 mm之間，實(shí)測(cè)的16個(gè)值中有5個(gè)值略超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定的8 mm限值，超限數(shù)量及幅度均不大，可以認(rèn)為錨固回縮值基本符合要求[5]。

該體外預(yù)應(yīng)力加固工程對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量要求高，對(duì)施工控制精度要求高，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力人工張拉很難滿足，預(yù)應(yīng)力智能張拉技術(shù)的應(yīng)用能很好地解決該問題，且預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)，可向第三方提供實(shí)時(shí)監(jiān)控的視窗，能自動(dòng)生成施工報(bào)表，便于施工資料的整理。