淺談體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)及應(yīng)用

殷小龍，張　利，程歆琛

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

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淺談體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)及應(yīng)用

殷小龍，張利，程歆琛

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

主要介紹體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的加固原理及研究現(xiàn)狀，探討了后張預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并結(jié)合工程加固實(shí)例介紹體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在加固鋼筋混凝土梁中的應(yīng)用。

體外預(yù)應(yīng)力；加固技術(shù)；應(yīng)用；鋼筋混凝土梁

隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的快速發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)逐漸出現(xiàn)并在建筑改造及加固等工程中得以運(yùn)用。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是一種主動(dòng)的加固方法，它的實(shí)質(zhì)是用鋼筋、高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線等鋼材作為施力的材料，在結(jié)構(gòu)上施加體外預(yù)應(yīng)力，通過預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩消減部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力[1]，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)極限承載力的目的，并且改善結(jié)構(gòu)的使用性能。

1　概述

體外預(yù)應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力筋通過錨具及轉(zhuǎn)向塊對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的一種后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系(如圖1所示[2])。體外預(yù)應(yīng)力體系由錨固體系、體外預(yù)應(yīng)力筋和轉(zhuǎn)向塊裝置等部件組成[3]。通常，體外預(yù)應(yīng)力筋的布置方式有[4-6]：直線式和折線式布筋，如圖1～4所示。

體外預(yù)應(yīng)力加固法具有加固、卸載和改變?cè)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的三重效果。和傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力體系相比，體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有[7]：1)由于預(yù)應(yīng)力截面和混凝土截面分離，既提高了混凝土本身的施工質(zhì)量，又方便了預(yù)應(yīng)力束的施工，提高其施工質(zhì)量；2)預(yù)應(yīng)力筋布置在混凝土截面外側(cè)，減少了預(yù)應(yīng)力磨阻損失和結(jié)構(gòu)自重，提高了預(yù)應(yīng)力效益；3)可方便檢測(cè)體外預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕程度，便于更換、維修體外預(yù)應(yīng)力筋；4)加固鋼筋混凝土梁時(shí)，可以顯著地改善結(jié)構(gòu)的使用性能和提高結(jié)構(gòu)的承載力。

圖1　體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的基本組成部分

圖2　直線式布筋

圖3　單折線布筋

圖4　雙折線布筋

然而，體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也有其自身的缺點(diǎn)[8]，主要有：1)體外預(yù)應(yīng)力筋沒有混凝土保護(hù)，容易遭受周圍環(huán)境的腐蝕；2)轉(zhuǎn)向和錨固裝置因承受著巨大的縱、橫向力而特別笨重；3)對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，錨固失效則意味著預(yù)應(yīng)力的失效，所以錨具防腐要求高；4)承載極限狀態(tài)下體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗彎能力小于有黏結(jié)和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在開裂荷載和極限荷載的作用下，應(yīng)力不能僅按最不利截面來估算；5)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下可能因延性不足而產(chǎn)生沒有預(yù)兆的失效。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外研究體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面:1)鋼筋混凝土梁加固機(jī)理的研究；2)靜力荷載下體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁極限承載力的研究；3)體外預(yù)應(yīng)力錨具、轉(zhuǎn)向塊及預(yù)應(yīng)力損失的研究；4)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁動(dòng)力性能的研究,包括鋼筋混凝土加固梁的動(dòng)力特性和疲勞性能。

1934年，F(xiàn)ranz Dischinger(德國人)申請(qǐng)了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的專利，并提出了體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向塊和錨固構(gòu)造的設(shè)計(jì)方案。Satija P.D等[9]運(yùn)用高效體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)改造加固了一座鋼筋混凝土橋梁。Naaman A.E和Kiang-Hwee Tan[10]進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的試驗(yàn)研究。Haraji[11]進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力梁試件在承受疲勞荷載產(chǎn)生疲勞變形后的抗彎能力的試驗(yàn)研究。Park Young Hoon等[12]人通過體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在加固橋梁等實(shí)際工程中的應(yīng)用，分析了體外預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失。

我國對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的研究開始得比較晚，但是發(fā)展很快。我國相關(guān)行業(yè)科研機(jī)構(gòu)和高校相繼進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究，取得了很多有價(jià)值的科研成果。

李陳貴等人比較系統(tǒng)地對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了體外預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算方法。牛斌以混凝土塑性鉸理論為基礎(chǔ)，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁在極限狀態(tài)下的撓度、彎矩和體外預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量的計(jì)算方法。牛斌等[13]得出了體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁全過程非線性分析的計(jì)算方法，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究。鄭玉慶、卜偉箔等[14]研究了體外預(yù)應(yīng)力梁的振動(dòng)問題。北京建筑工程技術(shù)研究中心劉航等[15]做了體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土框架梁的試驗(yàn)研究。東南大學(xué)的呂志濤[16]院士對(duì)現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，特別是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面的研究。

3　體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)理論

3.1無黏結(jié)鋼絞線加固受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)

1)無黏結(jié)鋼絞線預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U加固法，宜用于連續(xù)梁和大跨簡(jiǎn)支梁的加固，除了應(yīng)該符合現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中各種混凝土構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算的基本假定外，還應(yīng)該符合以下規(guī)定[17]：①當(dāng)混凝土構(gòu)件達(dá)到承載力的極限狀態(tài)時(shí)，假設(shè)鋼絞線的應(yīng)力值等于施加體外預(yù)應(yīng)力時(shí)的張拉控制應(yīng)力值，可以認(rèn)為鋼絞線應(yīng)力的增量值與預(yù)應(yīng)力的損失值相等。②當(dāng)使用一端張拉且連續(xù)跨的跨數(shù)超過二跨時(shí)，或當(dāng)使用二端張拉且連續(xù)跨的跨數(shù)超過四跨時(shí)，距張拉端兩跨以上的梁，有摩擦力引起的預(yù)應(yīng)力損失可能會(huì)大于鋼絞線的應(yīng)力增量。此時(shí)可采用下列兩種方法加以彌補(bǔ)：方法一：在跨中設(shè)置拉緊螺栓，采用橫向張拉的方法補(bǔ)足預(yù)應(yīng)力損失值；方法二：將鋼絞線的張拉預(yù)應(yīng)力提高至0.75fptk，計(jì)算時(shí)仍按0.75fptk取值。③無黏結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的縱向壓力在計(jì)算中不予計(jì)入，僅作為安全儲(chǔ)備。④在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，無黏結(jié)鋼絞線錨固可靠。

2)當(dāng)采用無黏結(jié)的鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固矩形截面受彎構(gòu)件時(shí)，應(yīng)按式(1)～(3)確定其正截面承載力[18](如圖5所示)：

(1)

α1fc0bx=σpAp+fy0As0-fy0As0，

(2)

2a≤x≤ξph0。

(3)

式中：M、α1、fc0、x、h、b、As0、As0′、fy0、fy0′、as等值可以參考GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值；h0為構(gòu)件加固前的截面有效高度(mm)；hp為構(gòu)件截面受壓邊至無黏結(jié)鋼絞線合力點(diǎn)的距離，可以近似取hp=h(mm)；Ap為預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積(mm2)；σp為預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力值，取σp=σp0(N/mm2)；σp0為預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力(N/mm2)。

3)當(dāng)采用無黏結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固矩形截面受彎構(gòu)件時(shí)，其斜截面承載力應(yīng)按式(4)～(5)確定：

V≤Vb0+Vbp，

(4)

V=0.8σpApsinα。

(5)

式中：V為支座剪力設(shè)計(jì)值(kN)；Vb0為加固前鋼筋混凝土梁的斜截面承載力，應(yīng)該按照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算(kN)；Vbp為采用無黏結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固后，梁斜截面承載力的提高值(kN)；α為支座區(qū)段鋼絞線與梁縱軸線的夾角(rad)。

(a) 鋼絞線位于梁底以上

(b) 鋼絞線位于梁底以下

(c) 對(duì)應(yīng)于(b)的計(jì)算簡(jiǎn)圖圖5　矩形截面正截面受彎承載力計(jì)算

3.2普通鋼筋加固簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)

采用普通鋼筋預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U加固一般簡(jiǎn)支梁時(shí)，應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算：估算體外預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U的截面面積Ap：

Ap=ΔM/fpyηh02，

(6)式中：Ap為體外預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U的截面面積(mm2)；fpy為下?lián)问戒摻罾瓧U抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值(N/mm2)；h02為從下?lián)问嚼瓧U中部水平段的截面形心到被加固梁上緣的垂直距離(mm)；η為內(nèi)力臂系數(shù)，取0.80。

4體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的具體方法及適用范圍

4.1采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行鋼筋混凝土梁加固設(shè)計(jì)的具體步驟[19]

1)計(jì)算加固之前鋼筋混凝土梁的承載力；2)計(jì)算加固之后梁所需要的承載力,找出兩者之間的承載力差值；3)假設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋全部承擔(dān)承載力的差值,首先確定預(yù)應(yīng)力筋的力筋偏心距和有效預(yù)應(yīng)力,之后再估算預(yù)應(yīng)力筋的面積；4)根據(jù)抗剪強(qiáng)度和構(gòu)造的要求確定體外預(yù)應(yīng)力筋的錨固點(diǎn)和轉(zhuǎn)向塊的具體位置；5)根據(jù)之前計(jì)算確定的有效預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力筋截面面積大小，計(jì)算加固后梁截面內(nèi)力,然后驗(yàn)算加固后鋼筋混凝土梁截面承載力。

4.2適用范圍[20]

1)由于設(shè)計(jì)或施工等原因造成的梁體承載力不足而進(jìn)行的加固；2)由于可變荷載的增加或建筑使用功能的改變?cè)斐珊奢d的增加而對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固；3)用于控制梁體的裂縫和撓度。

4.3體外預(yù)應(yīng)力加固法工程實(shí)例

某鋼廠的設(shè)備平臺(tái)大梁，其計(jì)算跨度l=9m，承受均布荷載19.7kN/m，均布活荷載14kN/m，其跨中承受設(shè)備荷載重26kN，因工業(yè)生產(chǎn)要求，現(xiàn)在需要改換設(shè)備，跨中設(shè)備荷載增加到46kN。試對(duì)此梁進(jìn)行加固(圖6)(以上荷載為設(shè)計(jì)值)。

圖6　鋼筋混凝土T型梁加固斷面

4.3.1內(nèi)力計(jì)算

4.3.2梁的彎矩ΔM

受壓區(qū)的形心至上邊緣的距離為：

4.3.3估算體外預(yù)應(yīng)力筋的截面面積

因此，取1×7股鋼絞線2φs12.7，Ap=197mm2。

4.3.4斜截面承載力計(jì)算

復(fù)合截面的尺寸：0.25fc0bh0=0.25×9.6×200×640=3.072×105N>Vmax=1.747×105N。所以，滿足要求。驗(yàn)算加固鋼筋混凝土梁的斜截面承載力：原來梁的箍筋為φ6@200，彎筋1B22，原梁的斜截面受剪承載力Vu′為：

由以上計(jì)算結(jié)果可知由原平臺(tái)梁的截面尺寸及配筋就可以滿足增加荷載后梁的斜截面受剪承載力。

5　結(jié)語

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是加固已有鋼筋混凝土梁的最有效的方法之一。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)適應(yīng)于加固各類鋼筋混凝土梁，其加固的概念清晰,加固的效果明顯，可有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力、降低鋼筋的疲勞應(yīng)力值及裂縫的寬度；施工比較方便，不減小梁下的凈空，取材方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果和發(fā)展前景。本文在以往研究資料和成果的基礎(chǔ)上對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的加固理論、優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法等進(jìn)行了探討，對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在建筑加固與工程改造中的應(yīng)用具有一定的理論意義和工程參考價(jià)值。

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The Application of External Prestressing Strengthening Technology

YIN XIAO-long

(SchoolofEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper mainly describes the strengthening principle of external prestressing technology and research status，discusses the post-tensioned reinforced concrete design algorithm method by bending members，and introduces the application of external prestressed strengthening technology in strengthening the reinforced concrete beam combined with actual examples in construction.

external prestressing；strengthening technology；application；reinforced concrete beam

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.007

2016-03-20

殷小龍(1988-)，男(漢)，河南平頂山，碩士

主要研究結(jié)構(gòu)工程。

TU378

A

1009-8984(2016)03-0030-05