体外预应力在混凝土结构加固中的应用

胡晓倩 韦成明

预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆(分水平拉杆、下撑式拉杆和组合式拉杆三种)或撑杆对结构进行加固的方法[1]。适用于要求提高承载力、刚度、抗裂性及加固后占用空间小的混凝土承重结构。此法不宜用于温度高于60℃环境下的混凝土结构,否则应采用防护处理,也不适用于收缩徐变大的混凝土结构。其主要特点是占用建筑空间小,施工周期较短,但施工技术要求高,连接构造复杂,施工时存在侧向稳定及耐久性问题。

1 工程背景资料

框架梁截面为250 mm×600 mm,配置有4B12的HRB级受拉钢筋,2B12的受压钢筋,屈服强度为310 MPa。应业主建设单位的要求对该工程图纸进行复核,对受损构件进行结构检测,并根据具体情况对结构进行加固补强。

根据对该建筑混凝土结构的检测和复核及现场检测结果,需要解决以下两个问题:1)满足增加荷载后的使用要求,则需要补充受拉钢筋;2)减小梁的挠度和裂缝宽度。经过对几个方案对比后,采用体外预应力加固技术对该梁进行修复加固。

某中型商用办公楼建筑面积4 800 m2,层高4.2 m,办公部分层高 3.3 m,6层框架结构,建成于2007年。C30混凝土,由于施工不慎,建成后一跨度为7.2 m的框架梁多处出现可见裂缝,原

2 体外预应力加固混凝土结构主要技术工艺

体外预应力加固技术除了计算之外,施工时也需要注意多方面的问题,就本工程而言施工主要按照以下顺序进行:

定位放线→梁顶处转向块楼板开洞→植化学螺栓→安装张拉端→预应力转向块→预应力筋下料→预应力筋安装→锚具安装→试拉一根梁→预应力筋张拉→割筋→封锚。

2.1 加固基本原则

1)加固工程的实施过程中尽量不影响结构物的正常使用;2)加固工程不应使既有结构局部受损或变形过大;3)体外预应力加固体系应作为结构的永久部分考虑;4)原结构混凝土强度设计等级不宜低于C30;5)加固后的结构除应满足使用状态的要求外,还应进行极限承载力的校核,尽量防止结构发生超筋破坏,同时保证极限状态下体外预应力筋有足够的锚固强度;6)为满足上述要求,加固的设备和方法一般包括转向装置、预应力筋张拉、预应力钢筋锚固等。

2.2 转向装置设置

在下撑式预应力筋弯折处的原梁底面上(如图1所示),应设置支撑钢垫板,其厚度不小于10 mm,其宽度宜与被加固梁宽度相等,其梁跨度方向的长度不应小于板厚的5倍。支撑钢垫板与预应力筋之间应设置钢垫棒或钢垫板,垫棒的直径不应小于20 mm,长度应不小于b+2d+40(b为梁宽,d为预应力筋直径)。有时为减小摩擦损失,在垫棒上套一个与梁同宽的钢筒。钢垫板宜用化学锚栓固定在原梁上,钢筋棒可用点焊固定位置。

2.3 预应力钢筋的张拉工艺

本工程案例采用千斤顶竖向张拉屋架预应力加固筋的装置。其加固工艺为:加固筋被定位后,将其两端锚固在锚板上;用带钩的张拉架将千斤顶挂在加固筋上(千斤顶的端部带有斜形楔块);启动千斤顶,将加固筋拉离支座。待张拉达到要求后,在加固筋与支座间的缝隙内嵌入钢垫板即可;电热张拉法对加固钢筋通以低电压的大电流,使加固钢筋发热伸长,伸长值达到要求后,切断电流,并立即将两端锚固;随后加固钢筋恢复到常温而产生收缩变形,从而在加固钢筋中建立了预应力。

2.4 预应力钢筋的锚固工艺

首先在原梁及钢板上钻出与高强度螺栓直径相同的孔,然后在钢板和原梁上各涂一层环氧砂浆或高强度水泥砂浆,因为高强度螺栓将钢板紧紧压在原梁上,已产生粘结力和摩擦力,最后将预应力钢筋锚固在与钢板相焊接的凸缘上,或直接焊接在钢板上;焊接粘结锚固就是把加固筋直接焊接在原钢筋应力较小区段上,并用环氧砂浆粘结的锚固方法[3];在钢筋混凝土梁中,钢筋在某区段的应力很小,甚至为零,把加固筋焊接在原筋的这些部位上,并用环氧砂浆将加固筋粘结在斜向沟槽内。

3 加固施工质量控制策略探讨

预应力钢筋的张拉控制采用两端同时张拉的方式,针对本工程的特殊性,张拉过程中注意了两个问题,即防止钢加工件变形和消除摩擦损失过大,因此,建议采用分级张拉,张拉采用应力控制、应变校核。

因体外预应力施工的特点,体外预应力筋需要围绕楼面结构上下穿索,同时1 860 MPa级钢绞线很硬、刚度非常大,给穿索带来较大困难,原设计梁顶转向块处楼板开100 mm×100 mm方洞,在实际穿索中方洞太小钢绞线无法穿越,建议改为100 mm×400 mm方洞,方可解决问题。

张拉端及预应力转向块这些钢加工件是否变形是决定预应力能否建立的关键,可以在张拉端、预应力转向块设计中加强抗剪件的作用,并保持其有足够刚度,加强对化学螺栓进行抗剪计算,以此作为变形控制的基础。

体外预应力筋施工后需埋入楼面找平层内,由于预应力筋过高则导致找平层过厚,楼面的恒载也就会增加,从而影响安全。所以笔者建议在张拉端、转向块安装前应对楼板进行找平,将过高处混凝土凿掉,以保证预应力筋与楼面有相对合适的高度。

对于跨梁长度已达60 m以上的结构,由于其计算摩擦损失较大(达到40%),施工中可以在梁顶、梁底的转向块位置设置定位槽,从而以控制预应力筋的偏摆,减小摩擦损失。

化学螺栓安装:由于采用后锚固的施工技术,需用钢筋保护层测距仪对拟植入构件进行钢筋探测,在拟植入区域标出钢筋位置,以防止把钢筋打断。

伸缩缝处张拉端处理:预应力筋设置在同一方向,在先完成伸缩缝柱子一侧的张拉后进行伸缩缝另一侧柱子张拉,如果千斤顶的位置不够,导致放不进去,可以使用特别加工的1节过渡套管解决张拉问题。

4 结语

采用体外预应力加固技术进行加固效果理想,梁的最大挠度较未加固梁明显减小,即结构在弯曲破坏之前,延性显著增加。由于梁底裂缝受到体外预应力的限制,增加了截面刚度,下部钢筋的最大应力也明显的减小。从另一方面看,在挠度相同的情况下,结构所承担的外力也是明显增加的。本工程案例应用结果表明,运用体外预应力加固技术,不仅较大幅度的提高了其承载能力,而且明显地改善了结构的使用性能。

[1] 余天庆,徐金华,刘耀东.体外预应力加固技术的研究[J].湖北工业大学学报,2009(1):9-11.

[2] 卢召红,于伟刚,杨东财,等.体外预应力加固混凝土梁使用性能[J].大庆石油学院学报,2009(2):7.

[3] 宫广娟,崔广龙,梁存之.体外预应力在钢筋混凝土梁中的加固设计[J].山西建筑,2009,35(24):81-82.

[4] 王慧敏.体外预应力混凝土结构的性能研究[J].山西建筑,2008,34(22):72-73.