體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在大跨度結(jié)構(gòu)改造中的應(yīng)用*

趙國(guó)棟，段世薪，司 偉，李 竅，宋 杰

(1.山東省建筑科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 3.平邑縣人民政府建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東 臨沂 273300；4.山東建科特種建筑工程技術(shù)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

目前，越來(lái)越多的已建建筑物存在改變使用功能的需求。張開(kāi)臣等[1]采用預(yù)應(yīng)力與增大截面相結(jié)合的加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抽柱，現(xiàn)有加固技術(shù)包括增大截面、外包型鋼、粘貼鋼板、粘貼纖維復(fù)合材料等[2]。但上述技術(shù)對(duì)于解決抽柱增加跨度問(wèn)題存在局限性，可采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，該技術(shù)基本不增加結(jié)構(gòu)自重，可解決承載力不足的問(wèn)題，同時(shí)可有效解決撓度過(guò)大及裂縫超限問(wèn)題[3]。

1 工程概況

某已建綜合樓為地下1層、地上4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓、屋面板采用密肋梁結(jié)構(gòu)，建筑高度19.47m。原設(shè)計(jì)使用功能包括辦公、商業(yè)等，現(xiàn)改為酒吧。為此，業(yè)主方要求對(duì)建筑物內(nèi)部局部空間進(jìn)行升級(jí)改造，增大使用空間，以滿(mǎn)足娛樂(lè)性場(chǎng)所功能需求，即拆除地上2～4層②～⑥，～軸框架柱、框架梁和樓板，拆除后的平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

2 體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)應(yīng)用

2.1 加固結(jié)構(gòu)

每層抽除6根框架柱，東西向框架梁、樓蓋跨度由8m增至32m，南北向框架梁、樓蓋跨度由8m增至23m，為減小大跨度混凝土構(gòu)件撓度及裂縫寬度，采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)將原結(jié)構(gòu)改為型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)+體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)(預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁)，如圖2所示，預(yù)應(yīng)力筋采用14根抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860N/mm2的φs15.2低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)。

圖2 加固結(jié)構(gòu)

2.2 承載力計(jì)算

附加恒荷載2.5kN/m2，活荷載0.5kN/m2(不上人屋面)。采用PKPM軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算得到附加恒荷載作用下預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中最大彎矩為1 400kN·m，跨中最大剪力為666kN；活荷載作用下跨中最大彎矩為80kN·m，跨中最大剪力為37.7kN；荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下跨中最大彎矩為1 480kN·m，跨中最大剪力為703.7kN；荷載基本組合下跨中最大彎矩為1 969kN·m，跨中最大剪力為936kN，按JGJ/T 279—2012《建筑結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)規(guī)程》[4]的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力增量取為50N/mm2，計(jì)算得到張拉控制應(yīng)力為1 209N/mm2，張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失為8.5N/mm2，預(yù)應(yīng)力筋摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失為117N/mm2，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失為22.67N/mm2，體外預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1 100.83N/mm2。

按新增工字鋼為受拉鋼筋計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁承載力，工字鋼與原混凝土梁通過(guò)采取有效的連接措施協(xié)同工作，梁截面高度為720mm，寬度為650mm，預(yù)應(yīng)力筋矢高為600mm，工字鋼采用Q345B，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為305N/mm2。Tan等[5]依托6根體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁，研究了轉(zhuǎn)向裝置、體外預(yù)應(yīng)力筋布置對(duì)構(gòu)件承載力的影響。參照Tan等的研究成果，計(jì)算時(shí)為忽略體外預(yù)應(yīng)力筋二次效應(yīng)的影響，將轉(zhuǎn)向裝置間距控制為<12m。參照《建筑結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，計(jì)算得到受壓區(qū)高度為513.3mm，正截面受彎承載力為2 533.8kN·m>1 969kN·m，滿(mǎn)足要求，斜截面受剪承載力為5 095kN>936kN，滿(mǎn)足要求。

2.3 變形計(jì)算

采用ABAQUS軟件計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形，工字鋼與原混凝土梁采用剛性連接。計(jì)算結(jié)果表明，自重、附加恒荷載、活荷載作用下及荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁均下?lián)希畲髶隙确謩e為55，24，5，62mm，均小于規(guī)范要求的l/300=76.7mm(l=23m)，以荷載標(biāo)準(zhǔn)組合為例，預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形云圖如圖3所示；預(yù)應(yīng)力筋向上反拱，最大反拱量為23mm，小于規(guī)范要求的l/300=76.7mm(l=23m)。

圖3 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形云圖(單位：mm)

2.4 加固流程

楊學(xué)中等[6]采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固玻璃采光屋面鋼梁，劉洪等[7]對(duì)大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)張弦梁預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)進(jìn)行介紹，李棟坤等[8]將無(wú)損切割技術(shù)應(yīng)用于改造工程中。借鑒已有研究成果，本工程抽除地上2～4層②～⑥，～軸框架柱，為保證預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁在框架柱位置連續(xù)，需先拆除框架柱，再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁加固處理。框架柱拆除前，需根據(jù)PKPM軟件計(jì)算當(dāng)前荷載工況下框架柱軸力，根據(jù)框架柱軸力設(shè)置支撐，將軸力轉(zhuǎn)移至支撐后，采用靜力切割法分段切割框架柱，具備加固施工條件后施工預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁，預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁施工完成后可逐漸拆除支撐，觀察預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形情況，無(wú)異常變形后完全拆除支撐。

2.5 正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]有關(guān)規(guī)定，選取具有代表性的預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗(yàn)。采用原位分級(jí)加載的方式，加載曲線(xiàn)如圖4所示，加載物為鋼塊，距地面100mm，按照內(nèi)力等效原則確定點(diǎn)荷載數(shù)值及吊點(diǎn)位置，如圖5所示。

圖4 加載曲線(xiàn)

圖5 吊點(diǎn)布置示意

采用3臺(tái)頂桿式位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中和端部變形情況，每級(jí)荷載加載結(jié)束后，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形保持20min無(wú)變化時(shí)，記錄最大跨中撓度并施加下級(jí)荷載。此外，在加載試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀察預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁混凝土、焊接節(jié)點(diǎn)有無(wú)裂縫或變形等，發(fā)現(xiàn)異常立即停止試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)記錄的每級(jí)荷載作用下預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中和端部變形量及GB/T 50784—2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]的規(guī)定，計(jì)算得到1～8級(jí)荷載作用下消除支座沉降影響后的預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中最大撓度分別為0.16，0.32，0.45，0.54，0.62，0.71，0.75，0.78mm，完全卸載后跨中殘余變形0.02mm，可知預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁在加載過(guò)程中基本處于彈性階段。加載過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)因承載力不足導(dǎo)致的開(kāi)裂等現(xiàn)象，預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁處于安全狀態(tài)。

預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中變形速率曲線(xiàn)如圖6所示，由圖6可知，預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁在第6級(jí)荷載作用下進(jìn)入彈塑性階段，開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁變形速率曲線(xiàn)

考慮自重及荷載長(zhǎng)期作用對(duì)撓度的影響，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，計(jì)算得到修正后的預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁跨中最大撓度為57.5mm，滿(mǎn)足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]的有關(guān)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

抽除6根框架柱后進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁加固，采用PKPM，ABAQUS軟件對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)分析，結(jié)果表明，承載力、撓度、裂縫密度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可知采用體外預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁的加固方案合理。以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，指導(dǎo)加固施工方案編制，采用先支撐后拆除再進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁加固的施工順序，以滿(mǎn)足加固后結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)受力狀態(tài)吻合。加固施工完成后，為保證結(jié)構(gòu)安全，選取具有代表性的預(yù)應(yīng)力鋼桁架梁進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)荷載檢驗(yàn)，結(jié)果表明，考慮自重及荷載長(zhǎng)期作用影響的撓度檢驗(yàn)值滿(mǎn)足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在基本不增加結(jié)構(gòu)自重的情況下，可有效提高結(jié)構(gòu)承載力，減小撓度及裂縫寬度，可應(yīng)用于抽柱增大使用空間的改造工程中。