十字交叉索體外預應力加固技術在板柱結構中的應用

謝合舜　　韓映忠

（廣州市建筑科學研究院新技術開發中心有限公司）

十字交叉索體外預應力加固技術在板柱結構中的應用

謝合舜韓映忠

（廣州市建筑科學研究院新技術開發中心有限公司）

十字交叉索體外預應力加固技術采用的是十字型加固力筋，這種形式的鋼筋二次效應較小，并且非對稱張拉時產生的側彎比較小，因此其側向穩定性較好。本文筆者將結合具體的某建筑地下一層夾層頂板加固工程實例，簡要探討十字交叉索體外預應力加固技術的設計要點和主要的施工工藝，希望能對類似工程起到借鑒作用。

十字交叉索體外預應力加固技術；板柱結構；設計要點；施工工藝

1　引言

工程結構的維修、加固、改造以及新建技術是建筑結構建設市場中一個重要內容。對于混凝土結構進行加固處理可以采用的主要施工技術包括體外預應力加固法、粘鋼條帶法、加大截面法以及改變結構體系法等。其中體外預應力加固法主要是指通過對梁板等受彎構件的受拉區施加體外預應力以提高結構的整體強度和剛度，這樣不僅可以降低結構所受到的自重應力，同時還可以有效的提高結構的承載力和抵抗變形的能力。這種方法主要是在混凝土結構外布置預應力索，因此維修和檢查等較為方便。預應力索可以多次進行張拉，這樣可以充分的發揮預應力索的效益。混凝土結構本身即使存在裂縫問題，也不會對預應力索的防銹蝕能力造成影響。體外預應力索在結構的加固中進行應用可以在不卸載的情況下進行，因此對于結構的正常使用不會造成較大的影響。一般情況下，傳統的體外預應力折線形加固技術采用的是平行布筋的方式，這種布筋方式是轉向塊間的預應力筋與梁側平行。近年來，在房屋的改造工程中，房屋的使用功能得到了一定程度的改變，但是荷載的增加量不大，在這種情況下發展出了十字交叉索體外預應力加固技術。這種技術在轉向塊間所布置的預應力筋是在梁底進行交叉處理的。十字交叉索體外預應力加固技術采用的是十字型加固力筋，這種形式的鋼筋二次效應較小，并且非對稱張拉時產生的側彎比較小，因此其側向穩定性較好。本文筆者將結合具體的某建筑地下一層夾層頂板加固工程實例，簡要探討十字交叉索體外預應力加固技術的設計要點和主要的施工工藝。

2　工程概況

本工程為某一大型工程建設項目。在主體結構施工完成之后，由于在地下一層夾層頂板大堂中心的位置處增設了一個噴泉，該噴泉的荷載為230kN，這就引起了該出荷載的增加。為了確保地下一層夾層頂板大堂的結構承載力能夠滿足要求，需要對該處的樓板進行加固處理，如圖1所示為加固樓板平面示意圖。其中H3～H4軸線與HL～Hk軸線之間的范圍是加固處理的范圍。加固板的跨度為10m×8.8m，板的厚度為500mm。經過綜合的分析考慮，決定采用十字交叉索體外預應力加固技術對本工程的樓板進行加固處理。

圖1　加固樓板平面示意圖

3　設計計算

3.1線形設計

⑴考慮到樓板所分布的噴泉荷載為較為均勻的集中荷載，因此體外預應力筋額線形可以采用這項布置的方式。

⑵在進行預應力筋的布置時，應確保其能夠形成穩定可靠的傳力路徑。因此需要將預應力錨固段布置在板頂柱端的位置處。預應力筋沿著板跨的對角線方向采用雙向布置的形式，如圖2所示為加固板開洞位置圖。

圖2　加固板開洞位置圖

⑶考慮到預應力筋的彎折角度應控制在一定的范圍之內，不宜過大，并且為了確保所產生的豎向反力較大，因此需要將預應力彎折點布置在位于板端1/3的位置處。如圖3所示為預應力筋的線形布置示意圖。

圖3　預應力筋的線形布置示意圖

3.2節點設計

在十字交叉索體外預應力加固技術的設計中的一個重要內容是節點的設計，主要包括的節點為錨固端節點板、上彎折點節點板、下彎折點節點板等。這些部位處均采用自行設計的鋼板焊接構件。在節點的設計過程中，需要特別注意的是，在板底進行交叉索的設置時，應采用分為上下兩層布置的形式。對于下彎折點的設計，需要特別注意的是空間位置的分布關系。兩方向下彎折點距離板底的距離應分別控制在70mm和110mm。

3.3預應力筋計算

在本工程中，所受到的豎向荷載主要為噴泉的自重荷載。因此根據力平衡的原理，對預應力索進行設計時，應考慮的是兩個方向預應力索產生的豎向反力應等于噴泉的荷載。在這種情況下方可對預應力拉索的配筋量進行正確的計算。以下將對預應力筋的計算過程進行簡單的介紹。如圖4所示為預應力筋的計算簡圖。

圖4　應力筋的計算簡圖

根據規范要求，上部噴泉的荷載為230kN，因此增加的豎向力為：N總=230kN。

一共設置了4個彎折點，每個下節點彎折點所承擔的豎向力為：N=N總/4=168.1kN。

根據圖4可以知道，預應力筋所受到的拉力為：T=N/cos70°=168.1kN。

本工程預應力筋所采用的拉索為低松弛預應力鋼絞線，根據規范，其fptk=1860N/mm2，單根預應力鋼絞線的橫截面面積為139mm2。張拉控制應力設計值取為0.3fptk=558 N/mm2，因此所需要的預應力筋的數量為：n=T/（0.3fptkAp）=168.1/（0.3×558×139）=2.2，因此預應力筋的數量取為3根。

4　十字交叉索體外預應力加固施工技術

4.1施工工藝流程

在本工程中進行十字交叉索體外預應力加固技術的施工，其具體的施工工藝流程為樓板開洞→節點安裝→鋼索制作→預應力索及錨具安裝→預應力張拉。

4.2施工要點

⑴樓板開洞。在加固施工中，首先應先進行樓板的開洞施工。本工程需要進行加固的樓板厚度為500mm，由于其板厚較大，因此在混凝土鑿除過程中，需要避免對鋼筋的上下鐵造成影響，不得將其切斷。對于樓板的開洞施工一般應采用人工剔鑿和機械鉆孔相結合的方式。首先采用人工剔鑿的方式將開洞位置處樓板上鐵保護層范圍內的混凝土小心的鑿除，以此確定樓板上鐵的具體位置，在此基礎上方可采用機械鉆孔的方式將樓板其他部分的混凝土去除，本工程采用的鉆孔機械為水鉆。鉆孔過程中應確保不觸碰普通鋼筋。

⑵節點安裝。預應力錨固端節點的安裝采用的是后錨固技術。通過后錨固技術將鋼構件與樓板進行連接，確保牢固。預應力錨固端節點的安裝其具體的操作步驟為：首先將預應力錨固端節點位置處樓板上鐵保護層范圍內的混凝土全部鑿除。混凝土全部清理之后，將該位置處植入化學錨栓。根據植入的化學錨栓的位置在鋼構件上進行打孔。打孔的數量和位置應確保滿足設計的要求。然后將鋼構件與混凝土連接處的界面打磨清理干凈，這樣可以有效的確保鋼構件與混凝土之間的粘結效果。打磨完成之后，需要將連接界面上涂抹一層粘鋼用結構膠，結構膠的刷圖應確保均勻。之后即可按照指定的位置進行鋼構件的安裝。鋼構件與混凝土之間應緊密貼合。如果在鋼構件與混凝土之間存在空隙問題，則應采用砂漿將其填塞密實。

⑶鋼索制作。在本工程中所采用的體外預應力索的材料為1860級鋼絞線。進行鋼索的制作其主要的步驟包括下料、編束以及防護等。預應力索在荷載的作用下每根剛較小應確保受力均勻，這樣才能充分發揮鋼絞線的效益。因此在進行預應力索的制作時，下料應滿足尺寸的要求，每根鋼絞線的長度應確保相等，并且鋼絞線之間應平行分布，不得出現交搭和纏結的問題。當鋼絞線制作成束之后，需要在鋼絞線上等距離采用高強黏膠進行綁扎，一般情況下黏膠的距離應控制在1m左右。體外預應力索的制作應考慮耐腐蝕防護的問題。本工程所采用的耐腐蝕防護技術為：在單根預應力筋的表面上包裹一層高密度聚乙烯塑料，一般情況下，其厚度為1.5mm。3根預應力筋制作成一束，每根預應力筋應確保平行，之后即可在一束預應力索的表面上包裹一層阻燃布，這種材料具有防護和防火的雙重性能。采用阻燃布進行預應力索的包裹，其具體的步驟為：首先對阻燃布進行裁剪，將其裁剪成10cm寬的布條，接著從已經制作成束的鋼絞線的一端開始進行阻燃布條的纏繞。布條的纏繞應確保均勻，其中需要注意的是布條上一道與下一道之間的搭接寬度應控制在1/2左右。當一個方向纏繞完成之后，需要按照相反的方向重新再進行一遍纏繞。為了有效的避免布條出現松散的問題，需要采用膠帶對其進行綁扎。膠帶的間距控制在1m左右。

⑷預應力索及錨具安裝。在本工程中進行預應力索及錨具的安裝按照預應力筋折線形式進行。與內預應力結構相比，體外預應力結構存在的一個明顯差異就是體外預應力結構的預應力筋和錨具是設置在混凝土截面之外的，因此為了確保體外預應力結構的安全性，需要對預應力筋和錨具提出更高的性能要求。在本工程中增加的荷載主要為活載，此時需要考慮振動的影響，夾片在振動的作用下會出現松散，嚴重的話會產生脫落，這會導致預應力索出現滑落的問題。這對夾片式錨具存在非常嚴重的危害。這不僅會影響預應力結構的使用壽命，并且還會對結構的安全性造成非常重要的后果。為了避免本工程中出現這種問題，經過綜合的分析決定采用群錨的防松裝置，其具體的操作步驟為：在錨具的外側面設置一道防松板，其孔徑控制在18mm，這樣可以讓鋼絞線穿過孔洞，而擋板無法穿過孔洞，并且采用螺栓將防松板與錨具緊密的連接在一起，這樣可以有效的避免夾片出現松散或者脫落的問題。

⑸張拉。當預應力索和錨具安裝完成，確認無誤之后，即可開始進行預應力的張拉。本工程進行預應力的張拉采用分級張拉的方式。張拉設備為同步張拉設備。在張拉過程中，采用一臺油泵帶動兩臺千斤頂對預應力索進行張拉。張拉過程應確保同步進行，這樣可以有效的確保預應力索同步受力。

⑹當預應力索張拉施工完成之后，需要將錨具外露的鋼絞線切除。采用的是機械割除的方法。接著安裝錨具放松裝置。然后需要進行防銹處理，主要應涂防銹漆的部位為彎折鋼件、錨固鋼件以及錨具等，而需要噴涂防火涂料的部位為所有外露的預應力索和節點。

⑺在施工完成之后，需要采用混凝土將樓板上的洞口、柱端的張拉節點、張拉錨進行封閉。

5　結語

⑴在本工程中進行板柱的加固具有難度大、技術含量高等特點，加固工程中主要應用到的先進技術包括體外預應力加固技術、化學錨栓技術等。

⑵在交叉索體外預應力加固技術中，最大的難點是進行節點設計，其中需要考慮的重點包括結構形式、荷載情況等。

⑶對于雙索的形式，在張拉過程中，應采取同步張拉的方式，確保受力均勻。

⑷對于體外預應力拉索應設置錨具防松裝置以避免錨具夾片出現松動的問題。●

［1］許曙東，張開臣，徐剛.交叉索體外預應力技術在板柱結構加固工程中的應用研究［J］.工業建筑，2008，S1：1069-1071.

［2］許曙東，張開臣，徐剛.板柱結構十字交叉索體外預應力加固技術設計與施工工藝［A］.中國土木工程學會混凝土及預應力混凝土分會、中國建筑科學研究院.第十屆后張預應力學術交流會論文集［C］.中國土木工程學會混凝土及預應力混凝土分會、中國建筑科學研究院，2008.

［3］胡成.鋼筋混凝土雙向板單向加固技術的試驗研究［D］.東南大學，2006.

［4］許曙東，馮博.體外預應力技術在房屋建筑加固改造工程中的應用［J］.建筑結構，2010，S2：642-644.