體外預(yù)應(yīng)力加固梁的受力性能分析

【摘要】體外預(yù)應(yīng)力多應(yīng)用于橋梁和建筑結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)之中。本文對體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的研究概況及加固機(jī)理進(jìn)行了闡述，為以后的加固設(shè)計提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】體外預(yù)應(yīng)力；加固機(jī)理；等效荷載

現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS 2590）中列出了加大截面加固法、外包鋼加固法、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法、外部粘鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法等多種結(jié)構(gòu)加固方法。其中體外預(yù)應(yīng)力加固法已愈來愈受到人們的關(guān)注，它克服了采用其他方法加固時加固材料中普遍存在的應(yīng)力效應(yīng)滯后的缺陷，保證了新舊材料和結(jié)構(gòu)的整體性與協(xié)同工作，是一種有效的主動加固方法。工程實踐表明：采用體外預(yù)應(yīng)力法加固橋梁和房屋結(jié)構(gòu)，不僅能提高其承載力，還可以減小撓度和裂縫寬度，提高結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)能力，并且具有施工簡便、不占用空間等特點[1]。

1、體外預(yù)應(yīng)力加固梁研究概況

體外預(yù)應(yīng)力是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一。傳統(tǒng)的后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋總是埋放布置在混凝土截面之內(nèi)，而體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是將預(yù)應(yīng)力筋布置于混凝土截面以外施加預(yù)應(yīng)力的一種結(jié)構(gòu)體系。

我國于1996年10月首次采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對一孔跨度為27.7m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了加固[2]。90年前后，東南大學(xué)以呂志濤為首的課題組，運用試驗方法對體外預(yù)應(yīng)力加固梁進(jìn)行了研究，通過梁的正截面抗彎加固、梁的抗剪加固的試驗研究和分析計算，對預(yù)應(yīng)力加固梁進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，提出了預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計計算方法[3]。1991年，杜世生、葉見曙、賴國麟等[4]提出了體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡支梁的抗彎極限強(qiáng)度的計算方法。

1999年北京建筑工程技術(shù)研究中心劉航[5]等人做了“體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土框架梁的試驗研究”。其結(jié)論是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用按其彎矩圖布置的折線體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行加固時，在正常使用極限狀態(tài)下，可以顯著減小梁的跨中撓度和裂縫寬度；在承載力極限狀態(tài)下，可以顯著提高原結(jié)構(gòu)的抗彎極限承載力，效果好于直線體外預(yù)應(yīng)力筋。2000年奉龍成和趙人達(dá)通過對12片體外預(yù)應(yīng)力加固試驗梁的己有試驗結(jié)果的分析，認(rèn)為其等效塑性區(qū)長度與破壞截面中性軸高度之比是基本接近一常數(shù)，在確定這一常數(shù)數(shù)值后，給出體外預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力計算公式以及正截面強(qiáng)度的計算方法，公式對樣本試驗數(shù)據(jù)精度較高，但其他學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)表明其等效塑性區(qū)長度與破壞截面中性軸高度之比浮動較大。

2、體外預(yù)應(yīng)力加固原理及特點

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的基本原理是充分利用了混凝土抗壓性能，通過體外

預(yù)應(yīng)力鋼筋對梁體施加預(yù)壓力，以預(yù)加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的

內(nèi)力，從而達(dá)到改善結(jié)構(gòu)使用性能并提高其極限承載能力的目的。

和其他加固方法相比，體外預(yù)應(yīng)力加固具有以下的優(yōu)點[6]：

（1）對原結(jié)構(gòu)損傷較小；

（2）沒有濕作業(yè)，預(yù)應(yīng)力筋布置簡單，施工方便快捷；

（3）體外預(yù)應(yīng)力加固，無需增大斷面，不會影響建筑空間；

（4）對橋梁加固施工過程中，可以不封閉交通；

（5）增加恒重不多，可以能動地調(diào)節(jié)原結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到有效加固的目的；

（6）預(yù)應(yīng)力筋的保養(yǎng)、檢查方便。使用過程中還可根據(jù)情況對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行更換、調(diào)整；

（7）可加固超筋截面；

（8）可調(diào)整截面內(nèi)應(yīng)力，適宜于加固由溫差引起嚴(yán)重裂縫的大梁；

（9）可充分發(fā)揮高強(qiáng)材料的強(qiáng)度；

（10）下?lián)问嚼瓧U法可同時補(bǔ)強(qiáng)正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度。

3、體外預(yù)應(yīng)力加固梁受力性能分析

3.1 加固方法

將懸索結(jié)構(gòu)的思想引入到預(yù)應(yīng)力加固梁中，以高強(qiáng)鋼絞線作為“懸索”，將其放置在被加固梁的下方，再用剛性撐桿代替吊索對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固（見圖3-1a）。顯然，為使預(yù)應(yīng)力線形為拋物線，須使其受到均勻分布荷載，則撐桿必須連續(xù)分布。然而在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，只能通過沿梁長度方向等間距設(shè)置一定數(shù)量的撐桿來近似模擬，這時鋼絞線不再是一條光滑的曲線，而是一條折線，每個折點在同一條拋物線上。撐桿的長度、位置和數(shù)量可以根據(jù)實際情況靈活布置。加固時，通過對懸索進(jìn)行張拉施加預(yù)應(yīng)力，此時撐桿在預(yù)應(yīng)力作用下對梁提供向上的反力，以抵消原結(jié)構(gòu)上部分或全部外荷載，達(dá)到卸載的目的。加固后，在新增荷載作用下，撐桿又和梁共同作用，分擔(dān)部分梁上部荷載。

通過以上描述可以看出，這種體外預(yù)應(yīng)力加固法實際是通過鋼-預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)來實施的，即通過懸索（預(yù)應(yīng)力筋）提供預(yù)應(yīng)力，并利用鋼撐桿作為預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，將預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為反向荷載作用在被加固梁上，分擔(dān)梁上的部分荷載。這種做法無疑提高了加固體系與結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)性。

3.2 加固機(jī)理

利用等效荷載的概念，將加固體系對原混凝土梁的作用視為等效荷載作用于原梁上，預(yù)應(yīng)力筋和撐桿在折點和端點處所產(chǎn)生的等效荷載對被加固梁而言是外力，而就整個預(yù)應(yīng)力加固梁而言卻是內(nèi)力，用體外預(yù)應(yīng)力加固簡支梁，張拉完畢后，體外預(yù)應(yīng)力筋在加固梁中引起的附加內(nèi)力自成平衡體系，不改變整體平衡。所以，撐桿在端點處所產(chǎn)生的等效荷載 不與外荷 平衡，而與預(yù)應(yīng)力筋在其端部兩豎向等效荷載 相平衡， 并沒有傳入支座，即支座反力 不與 平衡，而與外荷載 平衡；預(yù)應(yīng)力筋端部兩水平向等效荷載 自相平衡。由于 的作用，被加固梁由受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)為偏心受壓構(gòu)件，加固后原梁的受力情況如圖3-1。

由圖3-1，預(yù)應(yīng)力在錨固點的豎向分力 和撐桿的等效荷載 對原梁產(chǎn)生反向彎矩和反向剪力（圖中陰影部分所示），預(yù)應(yīng)力在錨固端的水平分力對梁體施加偏心壓力，因此，施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，一方面對原梁起了卸載作用，另一方面，改變了原梁的受力特性，使其具備了彎壓構(gòu)件的特性。這些預(yù)加力使梁體內(nèi)儲備了一部分抗力，可以部分地抵消外荷載引起的內(nèi)力，從而提高了原梁的承載力。

由此可見，體外預(yù)應(yīng)力加固過程即是對原梁施加一組自平衡力系的過程，在這組自平衡力系中，所施加的外力自平衡，所產(chǎn)生的外力偶參與抵抗原梁所受的荷載彎矩，自平衡外力作用位置的合理分布，參與抵抗原梁所受的剪力和彎矩，減小截面內(nèi)力和應(yīng)力水平，改善原梁的裂縫和變形情況，達(dá)到加固目的。

結(jié)論：

體外預(yù)應(yīng)力的加固過程即是對原梁施加一組自平衡力系的過程，在加固過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋受拉，并且，由于預(yù)應(yīng)力作用，梁截面應(yīng)力減小，加固完畢后，預(yù)應(yīng)力懸索能與原梁共同工作，克服了其它加固方法中存在的后加部分應(yīng)力、應(yīng)變滯后現(xiàn)象，提高了材料的利用率。

對于本文中的懸索加固體系，撐桿作為混凝土梁和預(yù)應(yīng)力懸索之間的傳力構(gòu)件，其剛度應(yīng)當(dāng)有足夠保證。一方面，其彈性支撐作用提高了加固梁的剛度，另一方面，其自身剛度的大小又影響著預(yù)應(yīng)力懸索應(yīng)力的變化程度。撐桿剛度越大，則其豎向壓縮變形越小，體外預(yù)應(yīng)力懸索在荷載作用下的應(yīng)力增量也就越高。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊學(xué)玉.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]牛斌.鐵路混凝土梁的體外預(yù)應(yīng)力加固.鐵道建筑，1997（12）.

[3]張繼文，呂志濤.預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡支梁的受力性能與分析計算.建筑結(jié)構(gòu)，1995（9）.

[4]杜世生等.體外預(yù)應(yīng)力筋加固梁橋后抗彎極限強(qiáng)度的計算.華東公路，1991（4）：25一29

[5]劉航，李晨光，白常舉.體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土框架梁的試驗研究.建筑技術(shù)，Vol.30No.12，855一857.

[6]胡淳清，傅玉良.體外預(yù)應(yīng)力特征及其在加固中的應(yīng)用[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報，2006.