體外預應力在混凝土結構加固中的應用

胡曉倩 韋成明

預應力加固法是采用外加預應力鋼拉桿(分水平拉桿、下撐式拉桿和組合式拉桿三種)或撐桿對結構進行加固的方法[1]。適用于要求提高承載力、剛度、抗裂性及加固后占用空間小的混凝土承重結構。此法不宜用于溫度高于60℃環境下的混凝土結構,否則應采用防護處理,也不適用于收縮徐變大的混凝土結構。其主要特點是占用建筑空間小,施工周期較短,但施工技術要求高,連接構造復雜,施工時存在側向穩定及耐久性問題。

1 工程背景資料

框架梁截面為250 mm×600 mm,配置有4B12的HRB級受拉鋼筋,2B12的受壓鋼筋,屈服強度為310 MPa。應業主建設單位的要求對該工程圖紙進行復核,對受損構件進行結構檢測,并根據具體情況對結構進行加固補強。

根據對該建筑混凝土結構的檢測和復核及現場檢測結果,需要解決以下兩個問題:1)滿足增加荷載后的使用要求,則需要補充受拉鋼筋;2)減小梁的撓度和裂縫寬度。經過對幾個方案對比后,采用體外預應力加固技術對該梁進行修復加固。

某中型商用辦公樓建筑面積4 800 m2,層高4.2 m,辦公部分層高 3.3 m,6層框架結構,建成于2007年。C30混凝土,由于施工不慎,建成后一跨度為7.2 m的框架梁多處出現可見裂縫,原

2 體外預應力加固混凝土結構主要技術工藝

體外預應力加固技術除了計算之外,施工時也需要注意多方面的問題,就本工程而言施工主要按照以下順序進行:

定位放線→梁頂處轉向塊樓板開洞→植化學螺栓→安裝張拉端→預應力轉向塊→預應力筋下料→預應力筋安裝→錨具安裝→試拉一根梁→預應力筋張拉→割筋→封錨。

2.1 加固基本原則

1)加固工程的實施過程中盡量不影響結構物的正常使用;2)加固工程不應使既有結構局部受損或變形過大;3)體外預應力加固體系應作為結構的永久部分考慮;4)原結構混凝土強度設計等級不宜低于C30;5)加固后的結構除應滿足使用狀態的要求外,還應進行極限承載力的校核,盡量防止結構發生超筋破壞,同時保證極限狀態下體外預應力筋有足夠的錨固強度;6)為滿足上述要求,加固的設備和方法一般包括轉向裝置、預應力筋張拉、預應力鋼筋錨固等。

2.2 轉向裝置設置

在下撐式預應力筋彎折處的原梁底面上(如圖1所示),應設置支撐鋼墊板,其厚度不小于10 mm,其寬度宜與被加固梁寬度相等,其梁跨度方向的長度不應小于板厚的5倍。支撐鋼墊板與預應力筋之間應設置鋼墊棒或鋼墊板,墊棒的直徑不應小于20 mm,長度應不小于b+2d+40(b為梁寬,d為預應力筋直徑)。有時為減小摩擦損失,在墊棒上套一個與梁同寬的鋼筒。鋼墊板宜用化學錨栓固定在原梁上,鋼筋棒可用點焊固定位置。

2.3 預應力鋼筋的張拉工藝

本工程案例采用千斤頂豎向張拉屋架預應力加固筋的裝置。其加固工藝為:加固筋被定位后,將其兩端錨固在錨板上;用帶鉤的張拉架將千斤頂掛在加固筋上(千斤頂的端部帶有斜形楔塊);啟動千斤頂,將加固筋拉離支座。待張拉達到要求后,在加固筋與支座間的縫隙內嵌入鋼墊板即可;電熱張拉法對加固鋼筋通以低電壓的大電流,使加固鋼筋發熱伸長,伸長值達到要求后,切斷電流,并立即將兩端錨固;隨后加固鋼筋恢復到常溫而產生收縮變形,從而在加固鋼筋中建立了預應力。

2.4 預應力鋼筋的錨固工藝

首先在原梁及鋼板上鉆出與高強度螺栓直徑相同的孔,然后在鋼板和原梁上各涂一層環氧砂漿或高強度水泥砂漿,因為高強度螺栓將鋼板緊緊壓在原梁上,已產生粘結力和摩擦力,最后將預應力鋼筋錨固在與鋼板相焊接的凸緣上,或直接焊接在鋼板上;焊接粘結錨固就是把加固筋直接焊接在原鋼筋應力較小區段上,并用環氧砂漿粘結的錨固方法[3];在鋼筋混凝土梁中,鋼筋在某區段的應力很小,甚至為零,把加固筋焊接在原筋的這些部位上,并用環氧砂漿將加固筋粘結在斜向溝槽內。

3 加固施工質量控制策略探討

預應力鋼筋的張拉控制采用兩端同時張拉的方式,針對本工程的特殊性,張拉過程中注意了兩個問題,即防止鋼加工件變形和消除摩擦損失過大,因此,建議采用分級張拉,張拉采用應力控制、應變校核。

因體外預應力施工的特點,體外預應力筋需要圍繞樓面結構上下穿索,同時1 860 MPa級鋼絞線很硬、剛度非常大,給穿索帶來較大困難,原設計梁頂轉向塊處樓板開100 mm×100 mm方洞,在實際穿索中方洞太小鋼絞線無法穿越,建議改為100 mm×400 mm方洞,方可解決問題。

張拉端及預應力轉向塊這些鋼加工件是否變形是決定預應力能否建立的關鍵,可以在張拉端、預應力轉向塊設計中加強抗剪件的作用,并保持其有足夠剛度,加強對化學螺栓進行抗剪計算,以此作為變形控制的基礎。

體外預應力筋施工后需埋入樓面找平層內,由于預應力筋過高則導致找平層過厚,樓面的恒載也就會增加,從而影響安全。所以筆者建議在張拉端、轉向塊安裝前應對樓板進行找平,將過高處混凝土鑿掉,以保證預應力筋與樓面有相對合適的高度。

對于跨梁長度已達60 m以上的結構,由于其計算摩擦損失較大(達到40%),施工中可以在梁頂、梁底的轉向塊位置設置定位槽,從而以控制預應力筋的偏擺,減小摩擦損失。

化學螺栓安裝:由于采用后錨固的施工技術,需用鋼筋保護層測距儀對擬植入構件進行鋼筋探測,在擬植入區域標出鋼筋位置,以防止把鋼筋打斷。

伸縮縫處張拉端處理:預應力筋設置在同一方向,在先完成伸縮縫柱子一側的張拉后進行伸縮縫另一側柱子張拉,如果千斤頂的位置不夠,導致放不進去,可以使用特別加工的1節過渡套管解決張拉問題。

4 結語

采用體外預應力加固技術進行加固效果理想,梁的最大撓度較未加固梁明顯減小,即結構在彎曲破壞之前,延性顯著增加。由于梁底裂縫受到體外預應力的限制,增加了截面剛度,下部鋼筋的最大應力也明顯的減小。從另一方面看,在撓度相同的情況下,結構所承擔的外力也是明顯增加的。本工程案例應用結果表明,運用體外預應力加固技術,不僅較大幅度的提高了其承載能力,而且明顯地改善了結構的使用性能。

[1] 余天慶,徐金華,劉耀東.體外預應力加固技術的研究[J].湖北工業大學學報,2009(1):9-11.

[2] 盧召紅,于偉剛,楊東財,等.體外預應力加固混凝土梁使用性能[J].大慶石油學院學報,2009(2):7.

[3] 宮廣娟,崔廣龍,梁存之.體外預應力在鋼筋混凝土梁中的加固設計[J].山西建筑,2009,35(24):81-82.

[4] 王慧敏.體外預應力混凝土結構的性能研究[J].山西建筑,2008,34(22):72-73.