體外預應力加固技術在大跨度結構改造中的應用*

趙國棟，段世薪，司 偉，李 竅，宋 杰

(1.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031； 2.山東省建筑工程質量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250031； 3.平邑縣人民政府建設工程質量監(jiān)督站，山東 臨沂 273300；4.山東建科特種建筑工程技術中心有限公司，山東 濟南 250031)

0 引言

目前，越來越多的已建建筑物存在改變使用功能的需求。張開臣等[1]采用預應力與增大截面相結合的加固方法對結構實現(xiàn)抽柱，現(xiàn)有加固技術包括增大截面、外包型鋼、粘貼鋼板、粘貼纖維復合材料等[2]。但上述技術對于解決抽柱增加跨度問題存在局限性，可采用體外預應力加固技術，該技術基本不增加結構自重，可解決承載力不足的問題，同時可有效解決撓度過大及裂縫超限問題[3]。

1 工程概況

某已建綜合樓為地下1層、地上4層混凝土框架結構，樓、屋面板采用密肋梁結構，建筑高度19.47m。原設計使用功能包括辦公、商業(yè)等，現(xiàn)改為酒吧。為此，業(yè)主方要求對建筑物內(nèi)部局部空間進行升級改造，增大使用空間，以滿足娛樂性場所功能需求，即拆除地上2～4層②～⑥，～軸框架柱、框架梁和樓板，拆除后的平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

2 體外預應力加固技術應用

2.1 加固結構

每層抽除6根框架柱，東西向框架梁、樓蓋跨度由8m增至32m，南北向框架梁、樓蓋跨度由8m增至23m，為減小大跨度混凝土構件撓度及裂縫寬度，采用體外預應力加固技術將原結構改為型鋼-混凝土組合結構+體外預應力結構(預應力鋼桁架梁)，如圖2所示，預應力筋采用14根抗拉強度標準值為1 860N/mm2的φs15.2低松弛預應力鋼絞線。

圖2 加固結構

2.2 承載力計算

附加恒荷載2.5kN/m2，活荷載0.5kN/m2(不上人屋面)。采用PKPM軟件進行內(nèi)力計算，計算得到附加恒荷載作用下預應力鋼桁架梁跨中最大彎矩為1 400kN·m，跨中最大剪力為666kN；活荷載作用下跨中最大彎矩為80kN·m，跨中最大剪力為37.7kN；荷載標準組合下跨中最大彎矩為1 480kN·m，跨中最大剪力為703.7kN；荷載基本組合下跨中最大彎矩為1 969kN·m，跨中最大剪力為936kN，按JGJ/T 279—2012《建筑結構體外預應力加固技術規(guī)程》[4]的規(guī)定，預應力增量取為50N/mm2，計算得到張拉控制應力為1 209N/mm2，張拉端錨具變形和預應力筋內(nèi)縮引起的預應力損失為8.5N/mm2，預應力筋摩擦引起的預應力損失為117N/mm2，預應力筋應力松弛引起的預應力損失為22.67N/mm2，體外預應力筋預應力設計值為1 100.83N/mm2。

按新增工字鋼為受拉鋼筋計算預應力鋼桁架梁承載力，工字鋼與原混凝土梁通過采取有效的連接措施協(xié)同工作，梁截面高度為720mm，寬度為650mm，預應力筋矢高為600mm，工字鋼采用Q345B，抗拉強度設計值為305N/mm2。Tan等[5]依托6根體外預應力加固混凝土梁，研究了轉向裝置、體外預應力筋布置對構件承載力的影響。參照Tan等的研究成果，計算時為忽略體外預應力筋二次效應的影響，將轉向裝置間距控制為<12m。參照《建筑結構體外預應力加固技術規(guī)程》的規(guī)定，計算得到受壓區(qū)高度為513.3mm，正截面受彎承載力為2 533.8kN·m>1 969kN·m，滿足要求，斜截面受剪承載力為5 095kN>936kN，滿足要求。

2.3 變形計算

采用ABAQUS軟件計算預應力鋼桁架梁變形，工字鋼與原混凝土梁采用剛性連接。計算結果表明，自重、附加恒荷載、活荷載作用下及荷載標準組合下預應力鋼桁架梁均下?lián)?，最大撓度分別為55，24，5，62mm，均小于規(guī)范要求的l/300=76.7mm(l=23m)，以荷載標準組合為例，預應力鋼桁架梁變形云圖如圖3所示；預應力筋向上反拱，最大反拱量為23mm，小于規(guī)范要求的l/300=76.7mm(l=23m)。

圖3 荷載標準組合下預應力鋼桁架梁變形云圖(單位：mm)

2.4 加固流程

楊學中等[6]采用體外預應力技術加固玻璃采光屋面鋼梁，劉洪等[7]對大跨度異形鋼結構張弦梁預應力張拉技術進行介紹，李棟坤等[8]將無損切割技術應用于改造工程中。借鑒已有研究成果，本工程抽除地上2～4層②～⑥，～軸框架柱，為保證預應力鋼桁架梁在框架柱位置連續(xù)，需先拆除框架柱，再進行預應力鋼桁架梁加固處理?？蚣苤鸪?，需根據(jù)PKPM軟件計算當前荷載工況下框架柱軸力，根據(jù)框架柱軸力設置支撐，將軸力轉移至支撐后，采用靜力切割法分段切割框架柱，具備加固施工條件后施工預應力鋼桁架梁，預應力鋼桁架梁施工完成后可逐漸拆除支撐，觀察預應力鋼桁架梁變形情況，無異常變形后完全拆除支撐。

2.5 正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗

依據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[9]有關規(guī)定，選取具有代表性的預應力鋼桁架梁進行正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗。采用原位分級加載的方式，加載曲線如圖4所示，加載物為鋼塊，距地面100mm，按照內(nèi)力等效原則確定點荷載數(shù)值及吊點位置，如圖5所示。

圖4 加載曲線

圖5 吊點布置示意

采用3臺頂桿式位移計實時監(jiān)測預應力鋼桁架梁跨中和端部變形情況，每級荷載加載結束后，當預應力鋼桁架梁變形保持20min無變化時，記錄最大跨中撓度并施加下級荷載。此外，在加載試驗過程中，實時觀察預應力鋼桁架梁混凝土、焊接節(jié)點有無裂縫或變形等，發(fā)現(xiàn)異常立即停止試驗。根據(jù)試驗記錄的每級荷載作用下預應力鋼桁架梁跨中和端部變形量及GB/T 50784—2013《混凝土結構現(xiàn)場檢測技術標準》[10]的規(guī)定，計算得到1～8級荷載作用下消除支座沉降影響后的預應力鋼桁架梁跨中最大撓度分別為0.16，0.32，0.45，0.54，0.62，0.71，0.75，0.78mm，完全卸載后跨中殘余變形0.02mm，可知預應力鋼桁架梁在加載過程中基本處于彈性階段。加載過程中未發(fā)現(xiàn)因承載力不足導致的開裂等現(xiàn)象，預應力鋼桁架梁處于安全狀態(tài)。

預應力鋼桁架梁跨中變形速率曲線如圖6所示，由圖6可知，預應力鋼桁架梁在第6級荷載作用下進入彈塑性階段，開始產(chǎn)生塑性變形。

圖6 預應力鋼桁架梁變形速率曲線

考慮自重及荷載長期作用對撓度的影響，根據(jù)《混凝土結構現(xiàn)場檢測技術標準》的規(guī)定，計算得到修正后的預應力鋼桁架梁跨中最大撓度為57.5mm，滿足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規(guī)范》[11]的有關要求。

3 結語

抽除6根框架柱后進行體外預應力鋼桁架梁加固，采用PKPM，ABAQUS軟件對體外預應力鋼桁架梁進行承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)分析，結果表明，承載力、撓度、裂縫密度均滿足規(guī)范要求，可知采用體外預應力鋼桁架梁的加固方案合理。以計算結果為依據(jù)，指導加固施工方案編制，采用先支撐后拆除再進行體外預應力鋼桁架梁加固的施工順序，以滿足加固后結構實際受力狀態(tài)與設計受力狀態(tài)吻合。加固施工完成后，為保證結構安全，選取具有代表性的預應力鋼桁架梁進行正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗，結果表明，考慮自重及荷載長期作用影響的撓度檢驗值滿足規(guī)范要求。

體外預應力加固技術在基本不增加結構自重的情況下，可有效提高結構承載力，減小撓度及裂縫寬度，可應用于抽柱增大使用空間的改造工程中。