體外預應力技術在玻璃采光屋面鋼梁加固中的應用*

楊學中，劉 航

(北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039)

1 工程概況

內蒙古赤峰市文冠莊園展示中心平面尺寸為36m×24.3m(長×寬)，縱向布置6根0.9m高短鋼柱，柱距7.2m。玻璃采光屋面采用主次鋼梁承重體系(見圖1)，屋脊標高9.400m，主梁采用H600×200×18×20，次梁采用H250×150×10×12。

圖1 主次鋼梁承重體系平面布置

玻璃安裝完成后，屋面出現大面積不均勻變形，雨天出現積水和漏水，嚴重影響正常使用，需在保證工期并節約成本的前提下，采取合理的加固措施予以解決。

2 屋面變形原因分析

經現場踏勘及設計圖紙查驗可知，原主梁跨中采用螺栓進行非剛性拼接，如圖2所示，未嚴格按圖施工，現場實測主梁跨中撓度最大值為110mm，超出了規范限值。

圖2 主梁拼接節點

經檢測鑒定，主梁跨中非剛性拼接改變了邊界約束條件，使主梁實際受力與計算假定不符，支座處內力變大，導致支座墊板變形，與板下混凝土分離，使主梁下撓加劇。

3 加固措施

考慮工期和成本，結合檢測鑒定與理論分析結果，采用體外預應力技術改變原結構受力方式和傳力途徑，從而實現鋼梁復位。新增撐桿和拉索，并與原鋼梁形成新的受力體系，即預應力張弦梁結構體系，如圖3所示。

圖3 預應力張弦梁結構體系示意

4 結構受力分析

4.1 荷載組合

根據現場踏勘結果，對原設計荷載條件進行復核，重新確定了主梁各節點荷載組合，其中初始狀態荷載組合為預應力+自重，標準荷載組合為預應力+恒荷載+活荷載，最不利荷載組合為預應力+1.2恒荷載+1.4活荷載。

4.2 荷載計算

4.3 受力分析

利用ANSYS軟件建立預應力張弦梁結構體系有限元模型(見圖4)，并對不同工況下體系受力和變形進行分析，結果如表1和圖5～7所示。由圖5～7可知，工況1張弦梁撓度較小，最大撓度僅為6.192mm；工況2張弦梁最大撓度為40.805mm，撓度減小約70mm，滿足限值要求；工況3主梁 應力最大為183.582MPa，拉索最大張拉索力為502.777kN，滿足小于0.5倍拉索破斷力的要求。

表1 各工況下分析結果

圖4 有限元模型

圖5 工況1預應力張弦梁結構體系受力分析

圖6 工況2張弦梁撓度(單位：mm)

圖7 工況3預應力張弦梁結構體系受力

5 加固施工

由于次梁、檁條和玻璃面板均已安裝完畢，如果先卸載(即拆除次梁、檁條和玻璃面板)再張拉拉索，將大幅增加工期和費用。因此，在不卸載的情況下，通過拉索施加預應力，使主梁向上復位，減小跨中撓度，直至滿足規范和屋面坡度要求。新增構件(包括拉索、撐桿及索節點板)由工廠預制，現場施工流程為：搭設施工平臺架→測量梁頂及支座標高→安裝耳板和撐桿→安裝拉索并張拉→實時監測梁頂標高。

6 加固效果

張拉前對預應力張弦梁結構體系進行施工仿真分析，選擇工況1張拉索力作為張拉控制值。分級分步張拉，將主梁拼接處屋脊作為位移控制點，實時監測張拉前后控制點位移變化，其中②，⑦軸梁底距基準線的距離未發生變化；③，④軸梁底張拉前距基準線300mm，張拉后距基準線360mm，向上復位了60mm；⑤，⑥軸梁底張拉前距基準線340mm，張拉后距基準線370mm，向上復位了30mm。綜上所述，加固后主梁撓度減小，復位效果較好，各梁標高基本一致，屋面滿足使用要求(見圖8)。

圖8 加固后屋面

7 結語

以內蒙古赤峰市文冠莊園展示中心為依托，對體外預應力技術在玻璃采光屋面鋼梁加固中的應用進行研究。通過新增撐桿和拉索，形成預應力張弦梁結構體系，在不卸載的情況下，增加了屋面梁豎向剛度，減小了跨中撓度，使主梁向上復位，解決了屋面變形超限的問題，達到縮短工期、降低費用的目的。