王曉東　李東彬

(1.中鐵工程設(shè)計院有限公司，北京　100038；2.中國建筑科學(xué)研究院，北京　100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1　LI Dong-bin2

新型預(yù)制鋼筋混凝土梁體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計

王曉東1李東彬2

(1.中鐵工程設(shè)計院有限公司，北京100038；2.中國建筑科學(xué)研究院，北京100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1LI Dong-bin2

摘要以北京市某既有建筑屋面梁加固工程為例，介紹鋼筋混凝土梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)設(shè)計與施工方案。該工程采用了創(chuàng)新的體外預(yù)應(yīng)力錨固節(jié)點設(shè)計，解決了常規(guī)方案錨具外露，影響使用功能的問題，加固效果好且美觀。

關(guān)鍵詞體外預(yù)應(yīng)力；加固；錨固；張拉

1概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和基本建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國既有建筑規(guī)模已達(dá)到400億m2以上，與此同時，由于既有建筑物長期使用，其中30%～50%房屋出現(xiàn)了安全性失效或進(jìn)入功能退化期[1]。目前，我國的加固改造工程相對于新建工程投入的比例較西方發(fā)達(dá)國家尚有較大差距(英國已達(dá)60%以上)[2]，但這一比例在逐年增大?？梢灶A(yù)測，在我國建筑加固改造是一個未來發(fā)展?jié)摿薮蟮念I(lǐng)域。

我國現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)除預(yù)應(yīng)力加固法外，主要有增大截面、外包角鋼、粘鋼、粘貼碳纖維、局部置換、改變傳力路徑及鋼絲繩聚合物復(fù)合砂漿等加固方法[3]。以上各種加固方法都有其技術(shù)特點和工程適用范圍，工程中應(yīng)綜合考慮加固目的和工程環(huán)境及限制條件，認(rèn)真加以分析并合理選擇。除非施加預(yù)應(yīng)力或采用卸載等措施，通常的加固都存在應(yīng)力滯后問題，即加固完成后，在后續(xù)荷載增加，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的同時，加固部分才能發(fā)揮作用[4]，加固效果受影響。如粘貼碳纖維片材的梁，在二次受力過程中，其應(yīng)變比梁中的鋼筋應(yīng)變滯后很多，加固效果不明顯。同時，大部分加固對撓度和裂縫控制方面的貢獻(xiàn)往往非常有限。此外，有著眾多業(yè)績的粘鋼及粘貼碳纖維布加固方法，尚存在膠的老化及溫差影響引起的粘結(jié)失效等問題，其長期粘結(jié)可靠性尚有疑問[5]，曾有不止一項工程出現(xiàn)了粘結(jié)失效脫落的事故?！痘炷两Y(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367—2006)專門規(guī)定：對使用膠粘方法或摻有聚合物加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)定期檢查其工作狀態(tài)，檢查時間間隔由設(shè)計單位確定，但第一次檢查時間不應(yīng)遲于10年[6]。

對梁板類結(jié)構(gòu)構(gòu)件，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)不僅可直接起到平衡荷載作用，還可獲得減小撓度、閉合裂縫的效果，同時可采用高強(qiáng)度鋼材大幅度提高承載能力；對柱的預(yù)應(yīng)力纏繞法加固可大大提高柱的承載力和延性。預(yù)應(yīng)力加固基本不增加結(jié)構(gòu)重量，工藝成熟可靠，是一項高效的加固技術(shù)。

值得注意的是，以往預(yù)應(yīng)力加固工程最大的問題是為了張拉和錨固需要，必須進(jìn)行一部分的濕作業(yè)，且需對樓板及端部墻體進(jìn)行開洞處理，增設(shè)錨固點，不僅增加施工難度，而且往往因建筑施工環(huán)境條件的限制無法實現(xiàn)。

結(jié)合工程實際，提出更為簡單可靠且具創(chuàng)新性的預(yù)應(yīng)力加固工藝體系，克服了既有體外預(yù)應(yīng)力工藝體系上的缺陷，并在北京某工程屋面梁加固工程中應(yīng)用，獲得良好的效果。

2工程概況

該工程是1981年設(shè)計建造的一層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，屋蓋為14 m跨度的預(yù)制鋼筋混凝土梁上鋪預(yù)制板結(jié)構(gòu)。該工程需增建一層，其二層作為會議室，使用荷載增加較多。此外，原設(shè)計梁截面偏小，已經(jīng)出現(xiàn)跨中彎曲裂縫和較大的撓度。本次增層改造后，原屋面梁成為樓面梁，不能滿足承載力、抗裂度和撓度要求，需進(jìn)行加固處理。原設(shè)計屋面結(jié)構(gòu)布置及梁截面情況見圖1。

圖1　屋面結(jié)構(gòu)平面布置及梁剖面(單位：mm)

3加固方案比選

3.1　碳纖維布粘貼加固

根據(jù)新增荷載后梁的計算結(jié)果可知，原設(shè)計截面和配筋不滿足跨中受彎承載力要求，梁截面裂縫寬度不滿足要求，長期撓度值也略超出規(guī)范限值。采用碳纖維加固，可以提高梁的受彎承載力，但由于規(guī)范對碳纖維布粘貼層數(shù)的限制，以及梁截面寬度較小，可供粘貼碳纖維布的面積很小，很難大幅度提高梁的受彎承載力；而對裂縫寬度的限制作用及撓度的改善方面，粘貼碳纖維布的效果并不理想。一般情況下，粘貼碳纖維布只適于小跨度的板或梁以及柱的抗震加固等，顯然不適合本工程。

3.2　粘鋼加固

粘鋼可提高梁的受彎承載力，并可進(jìn)一步減小荷載作用下的長期裂縫寬度，但對梁撓度的控制基本沒有貢獻(xiàn)。根據(jù)國外最新文獻(xiàn)，環(huán)氧樹脂膠粘貼的鋼板及碳纖維布，存在因環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)粘結(jié)失效的可能[7]。事實上，國內(nèi)外曾經(jīng)出現(xiàn)很多粘鋼或碳纖維布脫落的事例，不僅僅是施工質(zhì)量問題，更主要的原因是溫度反復(fù)作用的結(jié)果，經(jīng)測試，環(huán)氧樹脂膠的溫度線漲系數(shù)是鋼材和混凝土的5倍[8]。試驗研究表明，30 ℃以上的溫度變化循環(huán)若干次后，環(huán)氧樹脂膠與基材或被粘貼的材料之間的粘結(jié)力會大幅度降低，并成為粘結(jié)破壞的原因。

3.3　體外預(yù)應(yīng)力加固

經(jīng)過上述加固方案的比選后，決定采用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對原屋面梁進(jìn)行加固。原理是在原結(jié)構(gòu)梁上主動施加預(yù)應(yīng)力，獲得跨間向上的荷載和支座區(qū)向下的荷載。常規(guī)的預(yù)應(yīng)力鋼筋一般需要沿應(yīng)力曲線埋置于混凝土構(gòu)件中，由于是既有梁，埋置預(yù)應(yīng)力筋不現(xiàn)實。根據(jù)實際情況，最終采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對原屋面梁進(jìn)行加固，即通過在原結(jié)構(gòu)梁外安裝折線形預(yù)應(yīng)力筋，施加預(yù)應(yīng)力荷載。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的跨間向上荷載與支座區(qū)向下荷載自平衡，但跨間向上荷載會產(chǎn)生與使用荷載相反的荷載效應(yīng)，從而減小截面的混凝土拉應(yīng)力以及梁的撓度，壓縮裂縫寬度；而支座區(qū)的向下荷載，通常直接傳給支座，基本對被加固梁的內(nèi)力沒有影響。預(yù)應(yīng)力筋布置、等效荷載及荷載效應(yīng)如圖2所示。預(yù)應(yīng)力彎矩與使用荷載彎矩符號相反，可直接抵消或平衡使用荷載下梁的彎矩；預(yù)應(yīng)力剪力在預(yù)應(yīng)力筋的斜線段與使用荷載剪力相反，在其他區(qū)域沒有附加剪力，基本對梁的設(shè)計剪力沒有影響；至于預(yù)應(yīng)力軸向力，則僅在錨固點之間產(chǎn)生，錨固點外側(cè)無預(yù)應(yīng)力軸向力。如果是超靜定結(jié)構(gòu)，軸向變形受到約束時，會出現(xiàn)錨固點外側(cè)的軸向拉力，其大小主要與約束的強(qiáng)弱有關(guān)，對通常的框架結(jié)構(gòu)影響非常有限，可以忽略。

圖2　簡支梁體外預(yù)應(yīng)力筋布置及張拉效應(yīng)

4加固設(shè)計

對于既有結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加固，常規(guī)都需在墻中的圈梁鉆孔設(shè)置張拉端錨具，但錨具必將外凸于墻外，影響立面效果，這一缺陷一直以來制約著預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的使用。為解決這一難題，本工程采用了創(chuàng)新的體外預(yù)應(yīng)力錨固節(jié)點設(shè)計(如圖3所示)。

圖3　體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計示意(單位：mm)

預(yù)應(yīng)力筋的束形是雙折線，其折點位于梁跨的三分點附近，而張拉和錨固端設(shè)置在梁兩端的支座內(nèi)側(cè)，具體位置設(shè)計主要考慮張拉方便，能確保小型千斤頂?shù)牟僮骺臻g盡可能靠近支座。錨固點的金屬件為帶加勁的鋼板，鋼板通過貫通梁體的螺栓緊固在梁的側(cè)面，同時用粘鋼膠與梁粘貼。為確保預(yù)應(yīng)力傳遞及使用階段不致因貫通栓對孔周混凝土的局部壓應(yīng)力過大而造成混凝土碎裂破壞，螺栓的直徑需盡量選擇較大直徑，并要求通栓與孔間的縫隙必須用結(jié)構(gòu)膠填實。預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)鋼絞線，錨具采用單孔夾片式錨具。這種加固節(jié)點設(shè)計既滿足了加固需求，更巧妙地解決了因錨具外露而影響使用的難題，加固效果可靠且更加美觀。

5加固施工

由于采用了便于施工的工藝和節(jié)點構(gòu)造處理方法，使整個施工過程可全部在室內(nèi)進(jìn)行，并且無混凝土濕作業(yè)，粘貼鋼板與準(zhǔn)備工作和一般的加固工藝相同。預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用小型千斤頂配套小型油泵，并配合可頂壓的變角器，減小了張拉錨固時的錨具回縮損失，提高了錨固的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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[8]韓春雷.碳纖維用無機(jī)膠的力學(xué)性能試驗研究[D].南京：東南大學(xué)，2009

中圖分類號：TU378

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)01-0106-03

作者簡介：第一王曉東(1968—)，男，1990年畢業(yè)于北方交通大學(xué)工民建專業(yè)，高級工程師。

收稿日期：2014-12-17