钢筋混凝土梁高效预应力加固工程实例

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1 前言

　　钢筋砼梁由于设计或施工错误、材质不符合要求、使用功能改变或耐久性等原因，其裂缝宽度超出规范允许值或承载能力不足，都应加固处理。加固方法分非预应力加固和预应力加固二种。非预应力加固法要待砼梁继续变形后才逐渐起作用，所以加固后梁裂缝宽度和挠度仍会继续增加，是一种被动加固法。预应力加固法的主要优点是见效快，随着预应力的施加，梁反拱，裂缝宽度减小，原有钢筋和砼的应力降低，是一种主动加固法。

　　传统的预应力加固法是采用Ⅰ级或Ⅱ级钢作为补强拉杆，有以下缺点：强度低、柔性差、长度短、耗材多、预应力水平低、需焊接。近年来发展了一种用高强钢绞线作为补强拉杆的“高效预应力加固法”。这种方法克服了以上缺点，与一般铰线相比，无粘结筋具有防腐性能好，摩阻小的优点，本工程即采用无粘结筋作为补强拉杆。

　　2 工程概况

　　泉州某车间的二跨梁如图1所示，砼为C25：梁截面为300mm×800mm，中柱处负筋为5Φ25，边柱处负筋为通长4Φ25，正筋为通长4Φ22，箍筋为Φ8@200，加密区为Φ8@100，承受恒载标准值gk＝31.5kN/m，活载标准qk＝32kN/m；柱截面为400×600，层高3.5m，四层框架结构。因改变工艺需要，二层梁处需加设设备，其恒载标准值为25kN/m，由于该结构的柱、基础的强度有较大的富余，只须加固主梁即可。

图1 梁和无粘结筋的形状

　　3 加固设计计算

　　3.1 计算模型

　　预应力在超静定结构中会产生次弯矩，较为复杂。为此，本文把无粘结筋的效应作为外荷载（即等效荷载）作用在原结构上，结构的内力为无粘结筋的等效荷载和一般外荷载共同作用下的内力。这样计算概念明确，避免了次弯矩计算〔1〕。原来的梁就变为偏心受压构件，一般为大偏心构件。大偏心构件抗弯力大于压力为零的梁，为简化计算，偏心受压梁抗弯能力仍按压力为零的梁来计算，偏于安全。计算模型和无粘结筋的等效荷载如图2所示。

图2 计算模型

　　3.2 确定无粘结筋的布置

　　本工程把无粘结筋在梁顶处的折角设在梁柱交界处，如图1.其优点为：施工方便，能同时加强梁的正载面和斜载面强度，保持原楼面的平整。梁底折角的位置，即β1和β2的取值，一般为β1＝0.25～0.5，β2＝0.25～0.35〔3〕。Β1和β2的取值范围较大，如何针对本工程，求出合适的β1和β2值，本文对此进行了分析。取无粘结筋的拉力为1kN，梁端力矩为1kN×0.4m＝0.4kN*m，0.4m为梁高的一半，无粘结筋的偏心距，由图1中折角θ1-θ2，可求出图2中的F1和F2，即F1＝1.sinθ1、F2＝1.sinθ2.本文以预应力（图2外力）产生的弯矩图形状与外荷载产生的弯矩图形状大致相同，弯矩值相反来确定合理的β1、β2值，即以预应力均衡地抵消各截面弯矩为合理。依此，取β1＝0.45、β2＝0.3.。

　　3.3 确定无粘结筋面积

　　由于无粘结筋与周围砼的应变不相协调，所以在极限状态时，其极限应力бpu的计算相当复杂。考虑到钢绞线费用在整个加固费用中所占比例较小，可采用保守的近似计算方法。假定外荷载作用下无粘结筋的应力增量与预应力损失相等〔2〕，则极限应力бpu等于张拉控制应力бcon。规范规定бcon可取0.7fptk，fptk为强度标准值，无粘结筋在折角处受力不利，本工程бcon取0.65fptk。本工程无粘结筋fptk＝1860N/m㎡，бcon＝1209N/m㎡。如前所述，大偏心受压的梁仍按一般梁计算其抗弯能力，则：

　　式中：Ap为无粘结筋面积，m为外荷载产生的弯矩，Mm为原梁的弯矩设计值，M1为单位无粘结筋力产生的弯矩（如图2）。取跨中和两支座所求的Ap值的最大值为加固所需的预应力筋面积，计算值为236m㎡，取用二根无粘结筋（2×140m㎡）。一般情况下，二根钢绞线便能满足要求。

　　4 施工过程

　　4.1 张拉过程：

　　采用YDC240Q手提式千斤顶，双控张拉。因钢绞线较短（17m），进行一端张拉，固定端为OVM15P型挤压锚具，张拉端为OVM15-1类片锚具。

　　4.2 端部锚固：

　　本工程柱边与梁侧面间距为5cm，故将侧面平齐，如图3所示。若这一间距较大，可用钻孔方法。梁底钢绞线折角处圆钢为Φ25，剥除该处砼保护层，将圆钢焊在梁底钢筋上。

图3 端部锚具

　　4.3 防腐措施：

　　无粘结筋具有良好的防腐性能，只需在凿除处用环氧砂浆填充，锚具处涂环氧树脂，用C30细石砼包裹。为了美观，用C30细石砼对全梁进行包裹。在本工程中，去除柱处的无粘结筋套管，去除油脂，张拉后由环氧砂浆与柱粘成一个整体，形成双保险。

　　在张拉结束24小时后，用百分表测跨中反拱4.5mm，梁原有的细小裂缝均已闭合。在加设的设备荷载作用下，梁跨中挠度为3.2mm，可见预应力效应大于设备荷载效应，经鉴定确认加固成功，可以保证结构安全。

　　集中张拉5根加固梁的施工时间仅为5小时，整个加固施工时间为9天，材料费仅为5000元左右，且无粘结筋所占空间很小，不影响使用。加固竣工一年来，未出现任何强度问题。

　　5 高效预应力加固的优点

　　（1）材料用量省，预应力水平高。

　　（2）钢绞线柔性好，施工方便。

　　（3）钢绞线有足够的长度进行多跨加固，加强结构的整体性。

　　（4）有现成的锚具可供使用，不需要电焊，适宜于不允许有明火的场所。