体外预应力在结构加固中的应用初探

翟 锐 张新宇 欢利峰

摘要:体外预应力具有预应力损失小,施工简便,便于检查和调整的优点,但同时也存在一些如极限承载能力状态下的抗弯承载力小于有黏结和无黏结预应力的结构,延性较小,防腐要求较高等缺陷。文章对这些缺陷进行了分析,并提出了改进措施。

关键词:体外预应力;结构加固;锚固体系

中图分类号:TV375 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)29-0169-02

体外预应力属于目前诸多的预应力形式之一,具有结构形式简单、调整较易、操作方便、进度可控等优点,在近年来得到快速发展和运用。其应用范围从早期的PC梁扩展到建筑结构,从新建结构扩展到结构的加固。大量的工程实践表明,采用体外预应力加固不仅能够提高结构的承载力,减小构件的挠度变形和裂缝开展,提高结构的弹性恢复能力,而且具有施工简便、不多占用空间及不影响结构物的正常使用等显著优点。体外预应力已经从单纯的应用于混凝土结构扩展到了钢结构、砖石结构及木结构等其他结构,充分证明了其在结构加固体系上的优势,其在2006年11月1日实施的《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)中有专门的设计规定。

一、体外预应力结构加固

当前流行的主要加固方法有:加大截面加固法、外包钢加固法、改变结构传力途径加固法,构件外部黏钢加固法等非预应力加固法,及传统的以I级钢或II级钢作为补强拉杆的水平拉杆法,下撑式拉杆法和组合式拉杆法等预应力加固法。

所谓体外预应力结构加固是指通过施加体外预应力,使原结构、构件的受力得到改善和调整的一种间接加固的方法。在结构加固中采用的体外预应力体系形式多样。从使用的主要材料看,有螺纹钢筋、型钢、预应力钢绞线、低松弛钢绞线等。

在体外预应力加固发展的早期,采用的预应力材料以螺纹钢筋和型钢为主,从构造形式上分为:水平筋、斜筋、上锚固点、滑块、U型承托和水平筋固定支座等。水平筋大多采用较粗钢筋制作。斜筋大多采用较粗钢筋或槽钢制作。斜筋的下端通过设置在梁底的滑块与水平筋连接,上端锚固于梁端顶部或梁端腹板处,作用是提供梁端部位的负弯矩和预剪力。上锚固点的位置可根据加固梁的特点及施工具体情况选择:梁顶锚固、腹板锚固或梁端锚固。滑块的基本作用与体外预应力桥梁体系中的转向装置相同,此外,当水平筋和斜筋非同一根钢筋时,滑块还具有将其连接为一体的作用。滑块根据构造形式可分为水平滑块和楔形滑块,材料可采用钢铸件、型钢和厚钢板焊接、混凝土浇制。在利用T型梁横隔板作为竖向支撑和水平筋、斜筋转折点时,为减少横隔板底部的摩擦力,可在该处设置U型承托。U型承托用钢板弯制而成,用环氧砂浆和锚固螺栓固定。水平筋固定支座的作用是减少水平筋的自由长度,是减震装置的一种。

现今,体外预应力加固中大都采用高强度钢丝、钢绞线或单股无黏结预应力筋来替代螺纹钢筋,张拉方式也相应地改为在预应力筋端部实用液压千斤顶张拉,以千斤顶产生的拉力为张拉控制量。钢绞线材料主要分为以下几种:普通光面钢绞线、环氧涂层钢绞线和镀锌钢绞线。高强度低松弛钢绞线在生产过程中经过稳定化处理,比例极限和屈服强度均有提高,应力松弛降低;与钢筋相比,价格略有提高,但是张拉和锚固质量更可靠。此外,通过使用钢绞线,体外预应力加固梁在布筋形式上突破了传统方法只能用单跨布置的局限,与无粘结预应力相似的连续多跨折线布置方式成为可能。

二、当前预应力筋的采用和锚固体系的应用

由于构造的特性,体外预应力钢筋缺乏混凝土保护层,其通常需要进行防腐处理。目前的防腐措施仍有改进的地方,如:钢绞线经镀锌后机械性能有所降低(1860MPa级钢绞线镀锌后降为1770MPa);环氧喷涂钢绞线生产设备造价较高;钢绞线外包裹填充材料和HDPE管制成单根体外索的做法防腐性能较好,但索体外径大大增加,整个体外预应力体系笨重。

近年来非钢材预应力筋得到了很大发展,主要是纤维加劲塑料(FRP)预应力筋,如GFRP、AFRP和CFRP预应力筋。它们具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等特点,其中耐腐蚀、耐疲劳的特点使其在体外预应力领域的发展前景尤为广阔。

对体外预应力来说,锚具失效就意味着整个预应力体系的失效,因此锚固体系的防腐与力筋防腐相比具有同等重要性。现有的体外预应力锚固体系可以满足工程需要,但仍需有改进之处;锚具本身材料采用金属制造,且采取的防护措施不如力筋严格;在保证正常使用的前提下,锚具的尺寸仍有缩小的必要等。

解决上述问题的方法之一仍是新型材料的引进和使用。现阶段值得考虑的材料包括塑料、陶瓷和超高性能混凝土(UI-IPC),其中塑料锚具的蠕变特性使其实用性减小;陶瓷的强度足够。但脆性过大且造价较高,与混凝土锚具相比造价高出约10多倍。因此兼具高抗压强度、耐久性和抗断裂韧性的UHIPC锚具体系是一个重要的发展方向。

FRP筋是一种晶体材料,它的抗剪强度和抗挤压强度一般不超过抗拉强度的10%,因此如果沿用传统的预应力锚具体系将会由于剪切破坏导致锚具区的过早失效,需要采用专用的锚具体系。当前的FRP筋锚具性能基本满足工程需要,但在极限状态下往往锚具先于材料失效,因此这方面有待进一步提高。

三、结语

相对于在构件截面内布置力筋的一般预应力结构而言,体外预应力结构具有预应力损失小,施工操作方便,便于检查力筋腐蚀情况,便于调整张拉力或更换力筋的优点;同时也存在有一些缺点,如极限承载能力状态下的抗弯承载力小于有黏结和无黏结预应力的结构,延性较小,防腐要求较高,转向和锚具装置笨重等。通过改进体外预应力结构的材料和体系,可以有针对性地进一步让其优点达到充分发挥,使其缺陷得到弥补和改善。

参考文献

[1]李晨光,刘航.体外预应力技术在工程加固改造中的应用[J].施工技术,1999.

[2]混凝土结构设计规范(CBJ10-1989)[S].北京:中国建筑工业出版社,1989.

[3]许曙东.体外预应力加固技术在框架梁改造工程中的应用.建筑技术,2004,(6).

作者简介:翟锐(1977- ),男,河南省第一建筑工程集团有限责任公司助理工程师,研究方向:施工现场技术管理;张新宇(1981- ),男,河南省第一建筑工程集团有限责任公司助理工程师,研究方向:施工现场技术管理;欢利峰,男,河南省第一建筑工程集团有限责任公司助理工程师,研究方向:施工现场技术管理。