預應力加固建筑結構的設計及應用

楊軍兵

[摘要]文章介紹預應力加固建筑結構設計的基本方法，以及預應力加固建筑結構的設計要點和預應力技術在加固建筑結構設計中的實際應用，以供參考。

[關鍵詞]預應力;加固建筑結構;設計;應用

文章編號：2095-4085（2019）03-0010-02

在我國工業與民用建筑的高速增長過程中，因設計考慮不足，施工質量缺陷及后期使用功能改變等原因導致一些建筑結構的構件承載能力不足，需要對其進行加固補強后，建筑物方能繼續投入使用。

1預應力加固建筑結構設計的基本方法

預應力加固結構一般采用的是不破壞原有建筑結構的體外預應力加固法，預應力加固材料的選擇如下。對結構柱的加固采用以型鋼為預應力撐桿;對結構梁加固可采用普通鋼筋、普通高強鋼絞線，無粘結高強度鋼絞線，其中采用普通鋼筋作為預應力筋時，其產生的預應力值較低，預應力損失較大，需要較高預應力值時，與之對應需要布置很大的鋼筋截面面積，且不宜對連續梁進行加固施工。普通高強鋼絞線在施加預應力時會在轉折點產生很大的摩擦力，不利于預應力的傳遞。無粘結高強度鋼絞線解決了以上兩種材料的不足，能提供較高的預應力值（可達0.7ptk），在轉折點處摩擦力較小，鋼絞線應力傳遞均勻，且鋼絞線布置靈活，梁跨中水平段可在梁兩側設置，不影響建筑凈高，防腐性能好，不易銹蝕。設計人員在進行預應力加固設計時，可按需選擇合適的加固材料及方法。

圖1是采用無粘結鋼絞線預應力下撐式拉桿加固框架梁等受彎構件的其中兩種常用布置方式。通過對預應力鋼絞線實施張拉產生預應力，使原構件受拉區反向受壓后，同時減小原混凝土構件截面受拉邊緣的最大拉應力和受壓邊緣的最大壓應力，提高原結構構件的承載能力，并減小構件變形，達到加固補強結構的目的。

2預應力加固建筑結構設計的要點

采用圖1無粘結鋼絞線預應力下撐式拉桿加固框架梁等受彎構件時，除應符合《混凝土結構設計規范》（GB50010）正截面承載力計算的基本假定外，同時滿足以下假定：即假定構件達到承載能力極限狀態時，預應力鋼絞線的應力等于施加預應力時的張拉控制應力，即讓鋼絞線承受全部荷載時增加的應力等于預應力的損失值。

當結構梁的連續跨不超過兩跨時，可采用一端張拉，取預應力鋼絞線應力值σ，=σp0（σp0為預應力鋼絞線張拉控制應力）;當結構梁的連續跨數大于兩跨，采用一端張拉;或當結構梁的連續跨數大于四跨，采用兩端張拉時，距離張拉端較遠的梁會因為摩擦力產生較大的預應力損失，當該預應力損失大于鋼絞線的應力增量時，會導致我們按規范算法取值偏大，使結構處于不安全狀態。設計時須提高張拉控制應力，可在梁底跨中設置拉緊螺栓，用橫向張拉的方法提高預應力或將鋼絞線的張拉控制應力提高至0.75ptk，但仍按0.7ptk計算。鋼絞線應在結構梁的兩側對稱布置，須進行橫向張拉補足張拉應力時，鋼絞線跨中水平支承點應設在梁的底部，橫向張拉增加的應力增量

△σ=公式

，該增量應控制在0.05ptk～0.15ptk范圍內。

確定預應力鋼絞線應力值σ，后，參考《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013），無粘結預應力鋼絞線加固矩形截面受彎構件的正截面承載力計算公式如下（圖2）。

公式

其中M為彎矩設計值（包括初始彎矩和增加的彎矩），ζpb=0.85ξ（ξb為構件加固前的相對界限受壓區高度）。

斜截面承載力計算公式如下。

V≤Vb0+Vbp（Vb0為加固前梁斜截面承載力），

Vbp=公式

（Vbp為預應力加固后梁斜截面承載力提高值）。

3 預應力加固建筑結構設計的案例

湖北省某高速公路收費站辦公樓建成后，因房間功能性調整，使用單位要求把原二樓三個柱網開間均為3.9m，進深為8m的會議室改為收費站監控室，功能變更后，樓面活荷載標準值由原設計的2kN/m2增加到6kN/m2。經計算，三個房間居中的框架梁的跨中彎矩由91.04kN·m增加至179.14kN·m，剪力V=223.92kN。原結構梁截面250mm*600mm，原混凝土強度等級C30（fc0=14.3N/m2），鋼筋級別HRB400，梁底實配縱筋3? 16（As0=603.19mm2，配筋率0.43%），箍筋8@100/200（2）。經比選后，決定采用無粘結預應力鋼絞線對該段框架梁進行加固處理。

原構件配筋復核（不考慮受壓鋼筋）：x0=（360*603.19）/（1.0*14.3*250）=60.7mm。

原構件最大受彎承載力M0=1.0*14.3*250*60.7*（565-60.7/2）=116.02kN·m

<179.14kN·m。

原框架梁受彎承載力不足，需要加固。結構加固采用無粘結預應力鋼絞線，鋼絞線選用極限強度標準值ptk=1860N/m2，張拉控制應力σp0=0.7ptk=0.7*1860=1302N/m2，hp=600mm加固后混凝土受壓區高度

公式

根據公式7.2.3-2，預應力鋼絞線計算面積

公式

選用兩根公稱直徑9.5mm的鋼絞線對稱布置，截面積

公式

，水平張拉的控制拉力

公式

預應力損失計算：鋼絞線錨固方式采用焊接錨固，故σn=0，無粘結預應力鋼絞線體外張拉σp=0，加固結構混凝土無須進行加熱養護σp=0，預應力筋松弛引起的預應力損失

公式

，由于結構加固時，原結構已經投入使用，混凝土的收縮徐變已近似完成，取σs=0，總預應力損失

公式

，鋼絞線張拉應施加的預應力

公式

，實際配筋及張拉控制應力均滿足要求。

斜截面承載力驗算：

公式

，斜截面受剪承載力滿足荷載要求。加固布置簡圖如圖3，端部錨固于框架柱。

4結語

在目前的加固建筑結構設計與施工中，比較常用的預應，力加固法不僅具有效率高且施工快捷的特點，而且具有良好的經濟性優勢。要重視加固設計以及節點設計，對施工現場實際情況進行綜合考慮來確保方案的可行以及經濟實用，確保被加固構件承載力的顯著提高。

參考文獻：

[1]房貞政.預應力結構理論第二版[M].中國建筑工業出版社，2015.

[2]CB50367-2013，混凝土結構加固設計規范[S].

[3]陳鳳山，實用混凝土結構加固技術[M].北京：化學工業出版社，2013.