新型预制钢筋混凝土梁体外预应力加固设计

王晓东　李东彬

(1.中铁工程设计院有限公司，北京　100038；2.中国建筑科学研究院，北京　100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1　LI Dong-bin2

新型预制钢筋混凝土梁体外预应力加固设计

王晓东1李东彬2

(1.中铁工程设计院有限公司，北京100038；2.中国建筑科学研究院，北京100013)

Introduction to the New Design of Precast Reinforced Concrete Beam’s External Pre-stressed Reinforcement Model

WANG Xiao-dong1LI Dong-bin2

摘要以北京市某既有建筑屋面梁加固工程为例，介绍钢筋混凝土梁体外预应力加固技术设计与施工方案。该工程采用了创新的体外预应力锚固节点设计，解决了常规方案锚具外露，影响使用功能的问题，加固效果好且美观。

关键词体外预应力；加固；锚固；张拉

1概述

随着国民经济的持续快速发展和基本建设规模的不断扩大，我国既有建筑规模已达到400亿m2以上，与此同时，由于既有建筑物长期使用，其中30%～50%房屋出现了安全性失效或进入功能退化期[1]。目前，我国的加固改造工程相对于新建工程投入的比例较西方发达国家尚有较大差距(英国已达60%以上)[2]，但这一比例在逐年增大。可以预测，在我国建筑加固改造是一个未来发展潜力巨大的领域。

我国现有的混凝土结构加固技术除预应力加固法外，主要有增大截面、外包角钢、粘钢、粘贴碳纤维、局部置换、改变传力路径及钢丝绳聚合物复合砂浆等加固方法[3]。以上各种加固方法都有其技术特点和工程适用范围，工程中应综合考虑加固目的和工程环境及限制条件，认真加以分析并合理选择。除非施加预应力或采用卸载等措施，通常的加固都存在应力滞后问题，即加固完成后，在后续荷载增加，结构产生变形的同时，加固部分才能发挥作用[4]，加固效果受影响。如粘贴碳纤维片材的梁，在二次受力过程中，其应变比梁中的钢筋应变滞后很多，加固效果不明显。同时，大部分加固对挠度和裂缝控制方面的贡献往往非常有限。此外，有着众多业绩的粘钢及粘贴碳纤维布加固方法，尚存在胶的老化及温差影响引起的粘结失效等问题，其长期粘结可靠性尚有疑问[5]，曾有不止一项工程出现了粘结失效脱落的事故。《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)专门规定：对使用胶粘方法或掺有聚合物加固的结构构件，应定期检查其工作状态，检查时间间隔由设计单位确定，但第一次检查时间不应迟于10年[6]。

对梁板类结构构件，体外预应力加固技术不仅可直接起到平衡荷载作用，还可获得减小挠度、闭合裂缝的效果，同时可采用高强度钢材大幅度提高承载能力；对柱的预应力缠绕法加固可大大提高柱的承载力和延性。预应力加固基本不增加结构重量，工艺成熟可靠，是一项高效的加固技术。

值得注意的是，以往预应力加固工程最大的问题是为了张拉和锚固需要，必须进行一部分的湿作业，且需对楼板及端部墙体进行开洞处理，增设锚固点，不仅增加施工难度，而且往往因建筑施工环境条件的限制无法实现。

结合工程实际，提出更为简单可靠且具创新性的预应力加固工艺体系，克服了既有体外预应力工艺体系上的缺陷，并在北京某工程屋面梁加固工程中应用，获得良好的效果。

2工程概况

该工程是1981年设计建造的一层砖混结构，条形基础，屋盖为14 m跨度的预制钢筋混凝土梁上铺预制板结构。该工程需增建一层，其二层作为会议室，使用荷载增加较多。此外，原设计梁截面偏小，已经出现跨中弯曲裂缝和较大的挠度。本次增层改造后，原屋面梁成为楼面梁，不能满足承载力、抗裂度和挠度要求，需进行加固处理。原设计屋面结构布置及梁截面情况见图1。

图1　屋面结构平面布置及梁剖面(单位：mm)

3加固方案比选

3.1　碳纤维布粘贴加固

根据新增荷载后梁的计算结果可知，原设计截面和配筋不满足跨中受弯承载力要求，梁截面裂缝宽度不满足要求，长期挠度值也略超出规范限值。采用碳纤维加固，可以提高梁的受弯承载力，但由于规范对碳纤维布粘贴层数的限制，以及梁截面宽度较小，可供粘贴碳纤维布的面积很小，很难大幅度提高梁的受弯承载力；而对裂缝宽度的限制作用及挠度的改善方面，粘贴碳纤维布的效果并不理想。一般情况下，粘贴碳纤维布只适于小跨度的板或梁以及柱的抗震加固等，显然不适合本工程。

3.2　粘钢加固

粘钢可提高梁的受弯承载力，并可进一步减小荷载作用下的长期裂缝宽度，但对梁挠度的控制基本没有贡献。根据国外最新文献，环氧树脂胶粘贴的钢板及碳纤维布，存在因环境温度的变化出现粘结失效的可能[7]。事实上，国内外曾经出现很多粘钢或碳纤维布脱落的事例，不仅仅是施工质量问题，更主要的原因是温度反复作用的结果，经测试，环氧树脂胶的温度线涨系数是钢材和混凝土的5倍[8]。试验研究表明，30 ℃以上的温度变化循环若干次后，环氧树脂胶与基材或被粘贴的材料之间的粘结力会大幅度降低，并成为粘结破坏的原因。

3.3　体外预应力加固

经过上述加固方案的比选后，决定采用预应力加固技术对原屋面梁进行加固。原理是在原结构梁上主动施加预应力，获得跨间向上的荷载和支座区向下的荷载。常规的预应力钢筋一般需要沿应力曲线埋置于混凝土构件中，由于是既有梁，埋置预应力筋不现实。根据实际情况，最终采用体外预应力加固技术对原屋面梁进行加固，即通过在原结构梁外安装折线形预应力筋，施加预应力荷载。预应力产生的跨间向上荷载与支座区向下荷载自平衡，但跨间向上荷载会产生与使用荷载相反的荷载效应，从而减小截面的混凝土拉应力以及梁的挠度，压缩裂缝宽度；而支座区的向下荷载，通常直接传给支座，基本对被加固梁的内力没有影响。预应力筋布置、等效荷载及荷载效应如图2所示。预应力弯矩与使用荷载弯矩符号相反，可直接抵消或平衡使用荷载下梁的弯矩；预应力剪力在预应力筋的斜线段与使用荷载剪力相反，在其他区域没有附加剪力，基本对梁的设计剪力没有影响；至于预应力轴向力，则仅在锚固点之间产生，锚固点外侧无预应力轴向力。如果是超静定结构，轴向变形受到约束时，会出现锚固点外侧的轴向拉力，其大小主要与约束的强弱有关，对通常的框架结构影响非常有限，可以忽略。

图2　简支梁体外预应力筋布置及张拉效应

4加固设计

对于既有结构预应力加固，常规都需在墙中的圈梁钻孔设置张拉端锚具，但锚具必将外凸于墙外，影响立面效果，这一缺陷一直以来制约着预应力加固技术的使用。为解决这一难题，本工程采用了创新的体外预应力锚固节点设计(如图3所示)。

图3　体外预应力加固设计示意(单位：mm)

预应力筋的束形是双折线，其折点位于梁跨的三分点附近，而张拉和锚固端设置在梁两端的支座内侧，具体位置设计主要考虑张拉方便，能确保小型千斤顶的操作空间尽可能靠近支座。锚固点的金属件为带加劲的钢板，钢板通过贯通梁体的螺栓紧固在梁的侧面，同时用粘钢胶与梁粘贴。为确保预应力传递及使用阶段不致因贯通栓对孔周混凝土的局部压应力过大而造成混凝土碎裂破坏，螺栓的直径需尽量选择较大直径，并要求通栓与孔间的缝隙必须用结构胶填实。预应力筋采用无粘结钢绞线，锚具采用单孔夹片式锚具。这种加固节点设计既满足了加固需求，更巧妙地解决了因锚具外露而影响使用的难题，加固效果可靠且更加美观。

5加固施工

由于采用了便于施工的工艺和节点构造处理方法，使整个施工过程可全部在室内进行，并且无混凝土湿作业，粘贴钢板与准备工作和一般的加固工艺相同。预应力筋的张拉采用小型千斤顶配套小型油泵，并配合可顶压的变角器，减小了张拉锚固时的锚具回缩损失，提高了锚固的可靠性。

参考文献

[1]王俊，徐伟，林海燕，等.建筑能耗现状与节能途径[J].中国科技成果，2006(19)：1

[2]范世平，孔广亚.建筑物加固改造技术的发展与应用[J].煤炭科学技术，2007(10)：24-25

[3]邓伟瑜.浅谈建筑结构钢筋混凝土加固技术方法[J].沿海企业与科技，2009(5)：128-129

[4]刘超.体外预应力加固混凝土技术研究及工程应用[D].合肥：合肥工业大学，2007

[5]杨勇新，杨萌，赵颜，等.华北自然环境条件下碳纤维片材耐久性能的试验研究[J].工业建筑，2008 (2)：21-23

[6]GB50367—2006混凝土结构加固设计规范[S]

[7]周英武，王苏岩，李宏男，等.环氧树脂基碳纤维布粘结胶性能的研究[J].建筑结构，2007(S1)：32

[8]韩春雷.碳纤维用无机胶的力学性能试验研究[D].南京：东南大学，2009

中图分类号：TU378

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)01-0106-03

作者简介：第一王晓东(1968—)，男，1990年毕业于北方交通大学工民建专业，高级工程师。

收稿日期：2014-12-17