体内外同索预应力混凝土技术在施工中的应用

叶 青 杨秀杰 郑志远

1.中建一局集团第五建筑有限公司 北京 100024；2.南京工业大学建筑设计研究院 南京 210009

1 体内外同索预应力结构优点

体内外同索预应力混凝土结构是将新增承载结构或扩大截面结构采用预应力结构，将无黏结预应力筋布置于主跨本体之内，并将无黏结钢绞线延伸出，绕过柱边去加固已建好相邻跨承载结构的主跨，端部分别锚固于柱侧，这种做法使1根完整的预应力筋一部分存在于新增承载结构或扩大截面结构之内，另一部分则加固相邻跨承载结构，置于原有梁体外，如图1所示。

图1 体内外同索预应力筋布置示意

通过计算分析和施工过程合理布索，体内外同索预应力混凝土结构能满足新增承载结构或扩大截面结构的受力要求，并具有以下优点：

1）可以做到对相邻梁负弯矩增量进行加固；

2）承载结构或扩大截面结构带来了新的内力变化，体内外同索预应力混凝土结构解决了既有结构安全储备下降的问题；

3）由于采用预应力结构，梁高可以做小，而且解决了节点锚固和梁柱节点的施工缝控制问题，提高了构件的抗裂性；

4）由于采用了预应力结构，新增承载结构或扩大截面结构的非预应力筋相应减少，植筋的质量可以得到保证。

2 体内外同索预应力结构施工技术

2.1 新增承载结构（或扩大截面结构）施工

新增承载结构或扩大截面结构预应力筋布置于主跨本体之内，非预应力筋通过两端植筋技术锚固在柱子上，植筋时将柱保护层凿除，露出柱子纵向主筋，避免植筋施工时损害柱主筋[1,2]。

植筋的工艺流程：基面清理→画定位线→钻孔→清孔，孔径、孔深验证→干燥清孔→清洗钢筋→配胶→向孔内灌胶→向孔内旋转插筋→固定养护。

预应力筋穿束既可在浇筑混凝土之前也可在其之后，但应采取适当措施，保证混凝土浇筑、养护中钢束不被锈蚀，波纹管内无异物。在锚固段混凝土强度达到张拉设计强度后张拉体外预应力筋束。

2.2 体内外同索预应力筋施工

体内外同索预应力筋施工流程主要有：下料、预应力筋编号→铺放预应力束、定位→浇筑新增梁混凝土并养护→安装体外转向装置及锚固垫板→张拉并记录→控制设计值和伸长值，复核张拉值→放张、切筋，张拉端和锚固端封锚。

1）无黏结预应力筋的下料长度应满足张拉锚固要求，下料采用砂轮锯切割，并且采取水冷措施。在新增承载结构或扩大截面结构和既有梁体上标出控制点，然后在绑扎好的钢筋笼上焊接好定位筋，保证预应力筋的线形和设计一致，用扎丝将预应力筋绑扎在定位筋上。螺旋筋与体内束转体外转向块装置也一并预埋在梁体内。

2）预应力筋张拉应实行双控，即张拉力及伸长值双控方法。由于预应力筋锚固在原有结构物上，故应严格控制张拉力。为确保质量，在确定张拉力的同时，也应校核预应力钢绞线的伸长值。预应力钢绞线的实际伸长值，宜在初应力的10%时开始测量，但必须加上初应力以下的推算伸长值，并扣除混凝土构件在张拉过程中的弹性压缩值。在需要锚固的位置安装张拉垫板，并将无黏结预应力筋的端头剥掉30～40 cm的外包层，套上夹片式锚具。张拉前应清理承压面，并检查承压板后的混凝土质量，一般采用高强微膨胀灌浆料浇筑。

3）张拉时对称梁中线张拉预应力筋，两端同时张拉，每束钢绞线断、滑丝不超过1根，且每个截面断丝之和不超过该截面钢丝总数的1%；实际张拉伸长量和理论伸长量的误差在-6%～6%之间。体内外同索混凝土结构的预应力筋均锚固在事先没有配置螺旋筋或钢筋网片的原结构上，即使后加锚固板，原结构由于碳化、局部损伤等原因，其局部承压能力也比普通预应力梁要差一些。再加上体外部分预应力索弯折较多，故张拉力不宜太大，宜采取两端分批张拉，其张拉顺序按分类顺序进行，张拉控制应力建议取σcon=（0.60～0.70）fptk。

4）张拉完毕，退销时应采取安全防护措施，人工拆卸销子，不得强击，对张拉施锚两端应妥善保护，不得压重物。在新增承载结构或扩大截面结构管道尚未灌浆前，梁端应设围护和挡板。割除锚外钢绞线，保证伸出锚板后30 mm，采用砂轮切割机切割，切割应采用取降温措施，如用石棉绳浸湿缠裹其根部，或用清水浇其根部。

5）在新增承载结构或扩大截面结构管道压浆前，应冲洗清除孔道内的有害材料，并用高压风吹干，保证孔道畅通，锚塞周围钢绞线的间隔应用水泥砂浆填塞，以免冒浆而损失灌浆压力。

6）采用“一次压注法”，由一端向另一端压浆，待另一端出浓浆时，封闭出浆口，并保压1 min，随后，关闭进浆口，使水泥浆在有压力状态下凝结，以保证压浆充分密实。

2.3 体内外同索预应力筋体内束转体外转向块装置

无黏结预应力筋由体内新增承载结构或扩大截面结构转体外既有结构时，一般会沿体内预应力筋出现一个转折偏角。在此转折处局部区域将引起较大的拉应力，张拉应力过大会造成结构开裂，为解决这一问题，需增加转折区域混凝土结构的抗裂性能。先在新增承载结构或扩大截面结构中预留一个三角形作后浇筑，并布置长100～200 mm的螺旋筋，将预应力筋套箍着，待混凝土结构强度达到设计要求的张拉强度时，张拉预应力筋。体外预应力加固梁，一般采用扁担式转向装置，所有预应力筋均采用扁担式锚固端板锚固在相应位置，而现浇新增梁部分转向装置一般采用分离式转向块[3-5]。

2.4 体内外同索预应力筋绕柱措施

体内外同索预应力结构预应力筋端部一般锚固在柱端或相邻梁的底部，预应力筋需绕过柱子，当梁宽与柱宽相差不大时，可在柱上沿预应力筋走向开槽，凿除柱混凝土保护层，将预应力筋布置在槽内，此种情况施工较简单。而当柱宽与梁宽相差较大时，若仍按此做法，则会造成预应力筋的水平弯折过多，预应力损失大，且转向区域容易造成结构开裂，故需在柱上钻孔将预应力筋穿过，打孔对施工人员作业水平要求较高，施工复杂且容易造成废孔。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某影院工程内部改造项目，拟在原结构3层、4层处设置影院，3层、4层为了扩大使用空间，需将3层底板至4层顶板间的6根框架柱拆除。拆除后，4层顶板（屋面）跨度由原来的8.40 m增加到16.80 m，其抽柱平面如图2所示。

3.2 体内外同索预应力加固框架主梁工艺流程

按照图1完成扩大截面梁施工后，预应力筋孔预留在扩大截面梁体内。

图2 抽柱平面示意（圆圈为抽除柱）

3.2.1 放线、锚固板、护角块、转向块加工

当建筑物对室内净高有要求时，预应力钢绞线应尽量隐蔽。根据图及现场实际情况用墨线定位。锚固板、护角块、转向块尺寸根据设计要求结合现场实际情况下料制作。本工程预应力锚固端在梁底及梁顶，钢绞线从梁穿出时会与梁表面产生斜角。在施工中采用在锚固板一端焊接钢筋的方式使钢绞线能够与锚固板垂直，同时也增强了锚固板的抗弯能力。护角块、转向块边角磨圆，避免对钢绞线产生损伤，并涂刷防锈漆。

3.2.2 锚固位置开孔、穿索、布置转向块和护角块

在梁侧按照锚固板孔位钻出与水平面成30～45°角的斜孔，根据梁跨度估算预应力钢绞线下料长度，将钢绞线两端穿过斜孔，并进行梁端锚固（图3），梁底钢绞线交叉（图4），用锚具与锚固板固定。

图3 梁端锚固

图4 梁底钢绞线交叉

3.2.3 分级张拉锚固、封锚

本工程设计要求张拉控制应力σcon=0.60fptk，使用油压千斤顶进行张拉施工。张拉前，应根据千斤顶标定的回归公式计算张拉控制应力设计值所对应的油压表读数。在张拉过程中，应测量记录钢绞线的收缩量与仪表盘读数，并实施分级张拉，最后进行封锚。

3.2.4 钢绞线隐蔽施工

对于经过防腐处理的带有套管的钢绞线（无黏结预应力钢绞线），可直接采用1∶2水泥砂浆粉刷保护。对于无套管保护的钢绞线（有黏结预应力钢绞线），应采用环氧树脂封闭、拍干砂的方式进行防腐防锈处理后，再粉刷砂浆。本工程采用1860级φ15.20 mm低松弛有黏结预应力钢绞线，当气温较低时，环氧树脂不易与钢绞线粘连，所以在刷环氧树脂前需进行加热处理。

3.3 质量、安全控制措施

1）张拉前，应仔细检查锚具、夹片及油管的完整性能，压力表应按规定周期进行检定，应检查混凝土强度，必须达到设计要求强度后方可进行张拉，发现问题及时改进处理。

2）张拉作业时，千斤顶后面不得站人，以防预应力钢绞线拉断或裂断酿成重大的事故，且千斤顶正前方应设置专门的防护结构，防止夹片或钢绞线飞出伤人。若出现异常现象，应立即停机进行检查。

3）张拉完成后，钢绞线不得使用明火切割，防止伤及钢束及锚环后发生意外。

4）压浆前，应仔细检查压浆管道接头处牢固情况，防止压浆过程中管道爆裂，造成意外。

5）所有压浆作业人员应按要求佩戴好防护眼镜、穿好防护服。

6）水泥浆的强度应符合设计的强度要求，水泥浆稠度控制在14～18 s之间，通过实验确定，水泥浆中可掺入适量的膨胀剂。水泥浆从拌制到压入孔道的延续时间，视气温情况而定，不得超过40 min，在这个时间内应不断搅拌水泥浆。压浆后48 h内，必须保证构件温度不低于5 ℃。当气温高于35 ℃时，压浆宜在夜间进行[6,7]。

7）压浆作业时，出浆口正前方严禁站人，且每一工作班应留取不少于3组边长为70.70 mm的立方体试件，标准养护28 d，检查其抗压强度，作为评定水泥浆质量的依据。

3.4 施工效果分析

为扩大结构使用空间，将原结构框架柱抽除后，通过采用体内外同索预应力混凝土技术，既使结构空间的使用面积得到扩大，又克服了扩跨引起的已有结构安全储备降低的问题，同时还避免了对原有结构进行的大量加固工作，取得了良好的社会和经济效益，该项技术的应用得到了业主和有关专家的一致认可和好评。

4 结语

体内外同索预应力混凝土技术是在结构加固改造实践过程中经过探索而发现的一种新结构形式，通过新增承载结构（或扩大截面结构）、体内外同索预应力筋施工要求、转向块装置设置、体内外同索预应力筋绕柱措施等施工关键技术，解决了常规加固施工中新增框架梁在局部区域内的锚固相对集中、层高受到限制、植筋梁过多、普通加固抗裂性差等缺点。此结构体系在增加共享空间、增加楼层等建筑物结构加固改造工程中有其独特的优越性，为使其在结构施工中更好地推广应用，还需大量的理论研究和试验工作来完善该种结构的设计和施工。