預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

王婷，張磊，崔鵬艷

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

1 引言

建筑結(jié)構(gòu)加固是通過(guò)一定的方法或手段對(duì)原結(jié)構(gòu)特殊部位予以加固補(bǔ)強(qiáng)，使其能夠滿足新的使用要求。建筑結(jié)構(gòu)加固的原因有以下三點(diǎn)：①原有結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)、施工等建造質(zhì)量問(wèn)題或者使用維修不當(dāng)?shù)仍?，結(jié)構(gòu)存在安全隱患；②由于某些原因需要改變建筑結(jié)構(gòu)的用途，而原結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足要求；③地震后國(guó)家發(fā)布了新的抗震規(guī)范，提高了抗震設(shè)防等級(jí)，原有建筑無(wú)法達(dá)到現(xiàn)行抗震規(guī)范要求。

建筑結(jié)構(gòu)加固的方法有很多，比如增大截面加固法、增補(bǔ)鋼筋加固法、外包鋼加固法、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法、阻尼填充墻加固法、改變受力體系加固法、防屈曲耗能支撐加固法等，加固前需分析結(jié)構(gòu)的具體需求，選用合適的加固方法和合理的加固方案。本文主要介紹預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)及其研究現(xiàn)狀。

2 預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)

西安建筑科技大學(xué)楊勇教授從快遞包裹外包裝上纏繞的膠帶獲得靈感，設(shè)想出采用鋼帶繞梁、柱及框架節(jié)點(diǎn)纏繞一圈對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固，即預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)。預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)是采用氣動(dòng)打包機(jī)，將高強(qiáng)度鋼帶安裝固定于鋼筋混凝土梁、柱及節(jié)點(diǎn)四周，對(duì)梁、柱以及節(jié)點(diǎn)的混凝土形成橫向約束，很大程度上提高了構(gòu)件的變形能力。預(yù)應(yīng)力鋼帶安裝時(shí)，可通過(guò)控制空壓機(jī)壓強(qiáng)的大小調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力程度，鋼帶兩端通過(guò)專門的閉式鎖扣相連接，解決了錨固問(wèn)題，其預(yù)應(yīng)力損失較小。相對(duì)于其他的加固方法，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)施工操作方便、加固效果良好、成本相對(duì)低廉、耐久性好，因此其推廣應(yīng)用價(jià)值較高。

2012年以來(lái)，楊勇老師課題組連續(xù)數(shù)年研究鋼帶加固技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力、剛度、變形、抗震性能等方面的提升效果，完成了一系列關(guān)于鋼帶加固梁、柱、節(jié)點(diǎn)、框架的試驗(yàn)研究。

3 研究現(xiàn)狀

郭梁[1]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固混凝土梁抗剪性能試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬》中，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶對(duì)6個(gè)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了抗剪加固，完成了6個(gè)加固試件和1個(gè)普通簡(jiǎn)支梁的對(duì)比試驗(yàn)，研究分析在不同的鋼帶間距、不同的鋼帶層數(shù)以及不同的倒角情況下，加固梁的破壞形態(tài)、受剪承載能力、鋼帶應(yīng)變等問(wèn)題。結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后的鋼筋混凝土梁，其斜截面承載能力和變形能力得到大幅提升，且鋼帶間距對(duì)其影響最顯著。針對(duì)不同的剪跨比及預(yù)應(yīng)力，利用ANSYS軟件對(duì)指定鋼帶間距下的6根混凝土梁進(jìn)行了抗剪性能的有限元模擬，開(kāi)展了加固試件受剪承載力等研究。依據(jù)試驗(yàn)過(guò)程和鋼帶應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析鋼筋混凝土梁在預(yù)應(yīng)力鋼帶抗剪加固條件下的受力機(jī)理，提出利用桁架模型對(duì)加固試件進(jìn)行承載力分析。在其基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)量數(shù)值與模擬結(jié)果，推導(dǎo)了鋼筋混凝土梁在采用預(yù)應(yīng)力鋼帶抗剪加固后，其受剪承載力的極限承載力計(jì)算公式。

趙飛[2]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固高軸壓比鋼筋混凝土柱抗震性能研究》中，設(shè)計(jì)并制作了4個(gè)鋼筋混凝土柱，其中1個(gè)是對(duì)比試件RC（試驗(yàn)軸壓比為0.52），另外3個(gè)是加固試件JRC1、JRC2和JRC3，加固試件設(shè)計(jì)采用不同的試驗(yàn)軸壓比和鋼帶間距。試件JRC1試驗(yàn)軸壓比為0.52，鋼帶間距為100mm，試件JRC2試驗(yàn)軸壓比為0.62，鋼帶間距為100mm，試件JRC3試驗(yàn)軸壓比為0.52，鋼帶間距為50mm。通過(guò)4個(gè)試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析裂縫開(kāi)展過(guò)程、滯回曲線、剛度曲線、延性性能、耗能性能、極限承載力等指標(biāo)，得出以下結(jié)論：①預(yù)應(yīng)力鋼帶可以減緩試件的剛度退化和強(qiáng)度退化，提高試件的變形能力和耗能性能；②在鋼帶間距相同的情況下，試件的位移延性系數(shù)隨軸壓比增大而降低；③在加載后期，預(yù)應(yīng)力鋼帶發(fā)揮其約束作用，減緩了試件的剛度退化，且鋼帶間距越小，對(duì)剛度退化的減緩作用越明顯；④在加載后期，對(duì)比試件RC的強(qiáng)度退化最嚴(yán)重，其次是加固試件JRC2；⑤試件 JRC1和 JRC3，且試件JRC1和JRC3的退化趨勢(shì)接近且較平穩(wěn)。這說(shuō)明軸壓比對(duì)試件強(qiáng)度退化有較大影響，鋼帶加固可以減緩試件的強(qiáng)度退化，試件JRC1和JRC3在相同的軸壓比下，鋼帶間距對(duì)強(qiáng)度退化的影響很小。

王漢迎[3]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固火災(zāi)后鋼筋混凝土T形梁抗剪性能研究》中，設(shè)計(jì)并制作了12根鋼筋混凝土梁，編號(hào)T0～T11，其中T0是常溫對(duì)比試件，T1、T4、T10是受火后未加固的對(duì)比試件，其余8根為受火后預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件，設(shè)計(jì)參數(shù)為受火時(shí)間、鋼帶間距和鋼帶層數(shù)。對(duì)12根梁進(jìn)行擬靜力加載，詳細(xì)量測(cè)各級(jí)加載下的抗剪承載力、梁端位移、加載點(diǎn)位移、跨中位移及試件開(kāi)裂荷載、裂縫發(fā)展情況等。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：①受火后未加固梁，隨受火時(shí)間的增長(zhǎng)破壞程度越嚴(yán)重，抗剪承載力和剛度降幅越大；②預(yù)應(yīng)力鋼帶加固梁的開(kāi)裂荷載有所提高，由于鋼帶抑制了裂縫貫通，使梁延性提高；③受火后預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件，在同等加固條件下，抗剪承載力的增幅隨受火時(shí)間的增長(zhǎng)而減??；④受火后預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件，在一定范圍內(nèi)，隨鋼帶層數(shù)的增多，極限承載力顯著增長(zhǎng)，且加載后期剛度增長(zhǎng)明顯；⑤受火后加固試件的極限承載力在一定范圍內(nèi)隨鋼帶間距的減小而提高，當(dāng)鋼帶間距為150mm，鋼帶層數(shù)為3層時(shí)，抗剪承載力增幅最大，超過(guò)此范圍，鋼帶間距越密，導(dǎo)致約束力過(guò)強(qiáng)則會(huì)限制極限承載力的提高。

陳偉[4]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固震損鋼筋混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究》中，按照1：2的縮尺比例設(shè)計(jì)并制作了一榀鋼筋混凝土框架，采用低周反復(fù)荷載將其加載至“震損”狀態(tài)，對(duì)損傷部位的混凝土進(jìn)行修復(fù)后，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固震損框架的梁、柱及節(jié)點(diǎn)部位，對(duì)加固后的框架再次進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，分析對(duì)比原框架和震后加固框架的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線、耗能性能等指標(biāo)。結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固震損框架，能夠減緩震損框架的剛度退化，增強(qiáng)其變形能力，并且大幅度提高其抗震性能，因此鋼帶加固技術(shù)適用于震后快速搶修建筑結(jié)構(gòu)。文章最后提出一套采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固震后受損框架的抗震設(shè)計(jì)方法。

張波、楊勇等人[5]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土柱軸壓性能試驗(yàn)研究》中，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)對(duì)16個(gè)鋼筋混凝土柱加固后，對(duì)這16個(gè)試件和另外2個(gè)未加固的對(duì)比試件開(kāi)展了軸壓性能試驗(yàn)，其中加固試件采用了不同的鋼帶間距或不同的鋼帶層數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固的混凝土柱，其軸壓性能及變形能力得到一定程度的提升，且在鋼帶間距相同的條件下，加固試件的承載力和變形能力，隨鋼帶層數(shù)的增加而大幅提升，在鋼帶層數(shù)相同的條件下，加固試件的承載力和變形能力隨鋼帶間距的減小而大幅提升。

楊勇、李輝等人[6]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究》中，設(shè)計(jì)并制作了一榀1/2比例的單跨三層鋼筋混凝土框架，采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固技術(shù)對(duì)其各層梁端、柱端以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加固后，進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。結(jié)合加載過(guò)程中的裂縫開(kāi)展以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼帶加固的鋼筋混凝土框架試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、層間位移角、耗能性能和剛度退化等抗震性能等指標(biāo)進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明，試件最大層間彈塑性位移角達(dá)到1/28.8，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性和耗能性能。

在王念念[7]的《預(yù)應(yīng)力鋼帶—粘鋼組合加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究》中，設(shè)計(jì)并制作了9個(gè)鋼筋混凝土框架中節(jié)點(diǎn)，其中2個(gè)是對(duì)比試件，1個(gè)采用粘鋼加固，3個(gè)采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固，另外3個(gè)采用粘鋼—預(yù)應(yīng)力鋼帶混合加固，設(shè)計(jì)中考慮了軸壓比和鋼帶加固量?jī)蓚€(gè)因素。分別對(duì)9個(gè)試件進(jìn)行擬靜力加載，整個(gè)加載過(guò)程采用位移控制，當(dāng)承載力下降到峰值荷載的85%時(shí)終止試驗(yàn)。通過(guò)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：①所有試件破環(huán)形式均為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞；②粘鋼和預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件均可提高試件的抗剪承載能力；③粘鋼加固試件，在加載前期剛度提高較大，但到加載中后期，由于粘鋼脫落等原因致使承載能力退化嚴(yán)重，較之對(duì)比試件，粘鋼加固對(duì)試件的耗能性能提高程度很低；④預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件，在加載后期承載力提高顯著，且剛度退化減緩，較之對(duì)比試件，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件的耗能性能提高程度很大。

從上述鋼帶加固梁、柱和框架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究中可以分析歸納得到以下結(jié)論：①對(duì)于加固前未受損的梁、柱及框架節(jié)點(diǎn)，鋼帶加固技術(shù)可以提高其開(kāi)裂荷載、承載力、變形能力及延性；②對(duì)于加固前已經(jīng)受損（受火或震后）的梁、柱及框架節(jié)點(diǎn)，鋼帶加固技術(shù)可以減緩其裂縫的發(fā)展，減小剛度退化和強(qiáng)度退化速度，提高變形能力和耗能性能。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了一系列預(yù)應(yīng)力鋼帶加固鋼筋混凝土梁、柱、節(jié)點(diǎn)以及框架的抗震性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果充分體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力鋼帶良好的加固效果，相較于傳統(tǒng)加固方法被動(dòng)受力的特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼帶為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件提供了主動(dòng)環(huán)向預(yù)應(yīng)力，抑制了裂縫的開(kāi)展，改善了混凝土的受力性能，提高了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能。無(wú)論是原結(jié)構(gòu)加固，還是震后加固，或是火災(zāi)后加固，預(yù)應(yīng)力鋼帶均能充分發(fā)揮其作用，提高結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)用前景十分廣闊。