预应力智能张拉技术在历史保护建筑加固中的应用*

汪继恕 郭其均

1. 上海同吉建筑工程设计有限公司 上海 200092；2. 福建泉工股份有限公司 泉州 362000

1 工程概况

1.1 工程简介

美琪大剧院位于上海市静安区（图1），始建于1941年，于1989年被上海市人民政府批准列为第一批“上海市优秀近代建筑保护单位”。由于年代久远，现需对美琪大戏院进行文物抢救性保护工作，其中1道跨度为24.5 m的混凝土桁架采用体外预应力进行加固。

1.2 预应力体外梁加固设计方案

预应力筋采用高强度、低松弛无黏结钢绞线，抗拉标准强度fptk=1 860 MPa，截面积AP=140 mm2，弹性模量EP=19.5×105N/mm2。预应力筋张拉控制应力为1 053.69 MPa，超张拉3%，每根预应力筋的张拉控制力为147.5 kN；每侧各4根，呈三折线形状对称布置在桁架梁两侧，预应力筋转向块设置在与之相交的次梁梁底[1]。由于该混凝土桁架梁强度较低，设计要求预应力筋张拉时需分级张拉，且梁两侧预应力筋同时张拉，施工过程中需严格控制预应力筋的张拉力，并实时监控预应力筋张拉伸长值和体外预应力梁的反拱（图2）。

图1 美琪大剧院

图2 体外预应力梁预应力筋布置示意

2 张拉工况及步骤

目前预应力筋的张拉常用方法是人工手动操作，易受人员、设备等因素的影响；而预应力智能张拉技术通过计算机软件控制油泵，可实现张拉的数字化控制；千斤顶缸长的伸长值及梁的变形值采用超声传感器自动读取并记录，排除人为因素，提高了测量的精准性，同时在监控数据超出规定值的情况下将自动预警直至停止张拉[2]。按照设计要求，先在E轴线端张拉4次。每次同时张拉桁架梁两侧的1根钢绞线。然后再在梁的K轴线端进行补拉，也为同时张拉两侧的1根钢绞线，一共张拉4次（表1～表3）。

表1 钢绞线与轴线端的对应关系

表2 张拉工序

表3 张拉分级及持荷时间

3 理论计算与实测数据分析

3.1 理论计算值

3.1.1 按规范伸长值计算

钢绞线在EF、JK段长5.772+0.4（千斤顶长）=6.172 m；在FJ段长13.336 m。设计张拉控制应力1 053.69 MPa，摩擦因数κ=0，μ=0.09，弹性模量Ep=1.98×105MPa；EF、JK段预应力为1 053.69 MPa；FJ段应力为1 010.00 MPa。EF、JK段伸长分别为32.8 mm；FJ段伸长为68.0 mm；故理论伸长值计算结果为133.7 mm。

3.1.2 预应力反拱计算

采用有限元软件SAP2000模拟，体外预应力采用等效荷载进行模拟，计算每次张拉工况作用下梁的反拱值。

3.2 实测值

预应力智能张拉系统在自动张拉的过程中，能实时采集张拉力、缸体位移（即预应力筋的伸长值）以及梁的反拱值，并能按需求自动生成图形或图表。

3.2.1 实测伸长值及锚固回缩

图3、图4为T1、T5这一对钢绞线在张拉过程中自动采集的张拉力与缸体位移的曲线，其中在E端进行T1张拉时，进行了倒缸1次（倒缸指的是在预应力筋张拉过程中由于千斤顶缸体位移达到极限而张拉力仍未达到张拉控制力时，需回油待缸体位移归零后再次张拉），T1及T5的实测伸长值及锚固回缩如表4所示。

由于预应力钢绞线在张拉前处于不受力的自由状态，故钢绞线的实际张拉伸长值应该从钢绞线受力绷紧后开始计算，即放张前缸体的总位移扣除钢绞线由自由状态至绷紧时的缸体位移，由于预应力筋的张拉力和其变形为线性关系，故软件可根据采集的数据自动拟合出张拉力和缸体位移的线性关系[3]，该线性函数在x轴上的截距即为钢绞线由自由状态至绷紧时的缸体位移，如T1的张拉力和缸体位移的线性关系为y=1.110 9x-37.822，其钢绞线由自由状态至绷紧时的缸体位移为34.0 mm，见图3、图4。

图3 E端的缸体位移-张拉力曲线

图4 K端的缸体位移-张拉力曲线

表4 T1及T5的伸长值及锚固回缩

3.2.2 实测梁的反拱值

按照体外预应力加固施工方案在2个转向块所在的F、J轴线处设置了位移传感器以测量预应力张拉过程中梁的反拱值。将F轴线处的位移传感器称为sensor F，将J轴线处的位移传感器称为sensor J[4]。由表2知，张拉共有8步，以第1步为例，列出张拉力和反拱的关系图（图5～图8）。

图5 sensor F的张拉力-反拱分布

图6 sensor J的张拉力-反拱分布

图7 张拉完成后sensor F的反拱

3.3 实测结果与理论计算汇总

反拱实测值与理论值对比如表5所示。

4 结语

图8 张拉完成后sensor J的反拱

表5 反拱实测值与理论值的对比

由于测量反拱的传感器灵敏度较高，外界因素对楼盖的细微扰动都会产生仪器中挠度测量的变化，故分析只能给出真实反拱的可能区间，且该区间满足＜1.5 mm的设计要求。

由于在有限元模型中考虑了桁架本身的刚度，没有考虑楼板等其他构件对桁架的约束，故实测值确实应比理论值小；实测伸长值相对于理论伸长值的误差均在《后张预应力施工规程》（DG/TJ 08-235—2012）规定的-6%～+6%范围内；实测锚固回缩值在5.8～8.5 mm之间，实测的16个值中有5个值略超过《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）规定的8 mm限值，超限数量及幅度均不大，可以认为锚固回缩值基本符合要求[5]。

该体外预应力加固工程对预应力张拉施工质量要求高，对施工控制精度要求高，传统的预应力人工张拉很难满足，预应力智能张拉技术的应用能很好地解决该问题，且预应力数据上传到互联网，可向第三方提供实时监控的视窗，能自动生成施工报表，便于施工资料的整理。