浅谈体外预应力加固技术及应用

殷小龙，张　利，程歆琛

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)



浅谈体外预应力加固技术及应用

殷小龙，张利，程歆琛

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

主要介绍体外预应力技术的加固原理及研究现状，探讨了后张预应力加固钢筋混凝土受弯构件的设计计算方法，并结合工程加固实例介绍体外预应力加固技术在加固钢筋混凝土梁中的应用。

体外预应力；加固技术；应用；钢筋混凝土梁

随着预应力技术的快速发展，体外预应力技术逐渐出现并在建筑改造及加固等工程中得以运用。体外预应力加固技术是一种主动的加固方法，它的实质是用钢筋、高强钢丝或钢绞线等钢材作为施力的材料，在结构上施加体外预应力，通过预加应力产生的反弯矩消减部分外荷载产生的内力[1]，从而达到提高结构极限承载力的目的，并且改善结构的使用性能。

1　概述

体外预应力是预应力筋通过锚具及转向块对结构施加预应力的一种后张预应力混凝土结构体系(如图1所示[2])。体外预应力体系由锚固体系、体外预应力筋和转向块装置等部件组成[3]。通常，体外预应力筋的布置方式有[4-6]：直线式和折线式布筋，如图1～4所示。

体外预应力加固法具有加固、卸载和改变原结构内力分布的三重效果。和传统的预应力体系相比，体外预应力混凝土结构的主要优点有[7]：1)由于预应力截面和混凝土截面分离，既提高了混凝土本身的施工质量，又方便了预应力束的施工，提高其施工质量；2)预应力筋布置在混凝土截面外侧，减少了预应力磨阻损失和结构自重，提高了预应力效益；3)可方便检测体外预应力筋的腐蚀程度，便于更换、维修体外预应力筋；4)加固钢筋混凝土梁时，可以显著地改善结构的使用性能和提高结构的承载力。

图1　体外预应力混凝土梁的基本组成部分

图2　直线式布筋

图3　单折线布筋

图4　双折线布筋

然而，体外预应力混凝土结构也有其自身的缺点[8]，主要有：1)体外预应力筋没有混凝土保护，容易遭受周围环境的腐蚀；2)转向和锚固装置因承受着巨大的纵、横向力而特别笨重；3)对于体外预应力结构，锚固失效则意味着预应力的失效，所以锚具防腐要求高；4)承载极限状态下体外预应力结构的抗弯能力小于有黏结和无黏结预应力结构，在开裂荷载和极限荷载的作用下，应力不能仅按最不利截面来估算；5)体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预兆的失效。

2　国内外研究现状

目前,国内外研究体外预应力混凝土梁的热点主要集中在以下几个方面:1)钢筋混凝土梁加固机理的研究；2)静力荷载下体外预应力钢筋混凝土梁极限承载力的研究；3)体外预应力锚具、转向块及预应力损失的研究；4)体外预应力钢筋混凝土梁动力性能的研究,包括钢筋混凝土加固梁的动力特性和疲劳性能。

1934年，Franz Dischinger(德国人)申请了体外预应力技术的专利，并提出了体外预应力的转向块和锚固构造的设计方案。Satija P.D等[9]运用高效体外预应力加固技术改造加固了一座钢筋混凝土桥梁。Naaman A.E和Kiang-Hwee Tan[10]进行了体外预应力钢筋混凝土简支梁的试验研究。Haraji[11]进行了体外预应力梁试件在承受疲劳荷载产生疲劳变形后的抗弯能力的试验研究。Park Young Hoon等[12]人通过体外预应力技术在加固桥梁等实际工程中的应用，分析了体外预应力筋的预应力损失。

我国对体外预应力加固技术的研究开始得比较晚，但是发展很快。我国相关行业科研机构和高校相继进行了多项试验研究，取得了很多有价值的科研成果。

李陈贵等人比较系统地对体外预应力加固技术进行了试验研究，提出了体外预应力加固的设计方法和计算方法。牛斌以混凝土塑性铰理论为基础，对体外预应力进行了试验研究，提出了体外预应力钢筋混凝土梁在极限状态下的挠度、弯矩和体外预应力筋极限应力增量的计算方法。牛斌等[13]得出了体外预应力钢筋混凝土梁全过程非线性分析的计算方法，对体外预应力钢筋混凝土梁进行了试验研究。郑玉庆、卜伟箔等[14]研究了体外预应力梁的振动问题。北京建筑工程技术研究中心刘航等[15]做了体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究。东南大学的吕志涛[16]院士对现代预应力结构的设计和应用进行了系统研究，特别是体外预应力结构抗震设计方面的研究。

3　体外预应力加固设计理论

3.1无黏结钢绞线加固受弯构件设计

1)无黏结钢绞线预应力下撑式拉杆加固法，宜用于连续梁和大跨简支梁的加固，除了应该符合现行的国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中各种混凝土构件的正截面承载力计算的基本假定外，还应该符合以下规定[17]：①当混凝土构件达到承载力的极限状态时，假设钢绞线的应力值等于施加体外预应力时的张拉控制应力值，可以认为钢绞线应力的增量值与预应力的损失值相等。②当使用一端张拉且连续跨的跨数超过二跨时，或当使用二端张拉且连续跨的跨数超过四跨时，距张拉端两跨以上的梁，有摩擦力引起的预应力损失可能会大于钢绞线的应力增量。此时可采用下列两种方法加以弥补：方法一：在跨中设置拉紧螺栓，采用横向张拉的方法补足预应力损失值；方法二：将钢绞线的张拉预应力提高至0.75fptk，计算时仍按0.75fptk取值。③无黏结钢绞线体外预应力产生的纵向压力在计算中不予计入，仅作为安全储备。④在达到受弯承载力极限状态前，无黏结钢绞线锚固可靠。

2)当采用无黏结的钢绞线体外预应力加固矩形截面受弯构件时，应按式(1)～(3)确定其正截面承载力[18](如图5所示)：

(1)

α1fc0bx=σpAp+fy0As0-fy0As0，

(2)

2a≤x≤ξph0。

(3)

式中：M、α1、fc0、x、h、b、As0、As0′、fy0、fy0′、as等值可以参考GB50010—2010《混凝土结构设计规范》取值；h0为构件加固前的截面有效高度(mm)；hp为构件截面受压边至无黏结钢绞线合力点的距离，可以近似取hp=h(mm)；Ap为预应力钢绞线截面面积(mm2)；σp为预应力钢绞线应力值，取σp=σp0(N/mm2)；σp0为预应力钢绞线张拉控制应力(N/mm2)。

3)当采用无黏结钢绞线体外预应力加固矩形截面受弯构件时，其斜截面承载力应按式(4)～(5)确定：

V≤Vb0+Vbp，

(4)

V=0.8σpApsinα。

(5)

式中：V为支座剪力设计值(kN)；Vb0为加固前钢筋混凝土梁的斜截面承载力，应该按照现行的国家标准《混凝土结构设计规范》计算(kN)；Vbp为采用无黏结钢绞线体外预应力加固后，梁斜截面承载力的提高值(kN)；α为支座区段钢绞线与梁纵轴线的夹角(rad)。

(a) 钢绞线位于梁底以上

(b) 钢绞线位于梁底以下

(c) 对应于(b)的计算简图图5　矩形截面正截面受弯承载力计算

3.2普通钢筋加固简支梁设计

采用普通钢筋预应力下撑式拉杆加固一般简支梁时，应按下列规定进行计算：估算体外预应力下撑式拉杆的截面面积Ap：

Ap=ΔM/fpyηh02，

(6)式中：Ap为体外预应力下撑式拉杆的截面面积(mm2)；fpy为下撑式钢筋拉杆抗拉强度的设计值(N/mm2)；h02为从下撑式拉杆中部水平段的截面形心到被加固梁上缘的垂直距离(mm)；η为内力臂系数，取0.80。

4体外预应力加固钢筋混凝土梁的具体方法及适用范围

4.1采用体外预应力技术进行钢筋混凝土梁加固设计的具体步骤[19]

1)计算加固之前钢筋混凝土梁的承载力；2)计算加固之后梁所需要的承载力,找出两者之间的承载力差值；3)假设体外预应力筋全部承担承载力的差值,首先确定预应力筋的力筋偏心距和有效预应力,之后再估算预应力筋的面积；4)根据抗剪强度和构造的要求确定体外预应力筋的锚固点和转向块的具体位置；5)根据之前计算确定的有效预应力和体外预应力筋截面面积大小，计算加固后梁截面内力,然后验算加固后钢筋混凝土梁截面承载力。

4.2适用范围[20]

1)由于设计或施工等原因造成的梁体承载力不足而进行的加固；2)由于可变荷载的增加或建筑使用功能的改变造成荷载的增加而对原结构进行加固；3)用于控制梁体的裂缝和挠度。

4.3体外预应力加固法工程实例

某钢厂的设备平台大梁，其计算跨度l=9m，承受均布荷载19.7kN/m，均布活荷载14kN/m，其跨中承受设备荷载重26kN，因工业生产要求，现在需要改换设备，跨中设备荷载增加到46kN。试对此梁进行加固(图6)(以上荷载为设计值)。

图6　钢筋混凝土T型梁加固断面

4.3.1内力计算

4.3.2梁的弯矩ΔM

受压区的形心至上边缘的距离为：

4.3.3估算体外预应力筋的截面面积

因此，取1×7股钢绞线2φs12.7，Ap=197mm2。

4.3.4斜截面承载力计算

复合截面的尺寸：0.25fc0bh0=0.25×9.6×200×640=3.072×105N>Vmax=1.747×105N。所以，满足要求。验算加固钢筋混凝土梁的斜截面承载力：原来梁的箍筋为φ6@200，弯筋1B22，原梁的斜截面受剪承载力Vu′为：

由以上计算结果可知由原平台梁的截面尺寸及配筋就可以满足增加荷载后梁的斜截面受剪承载力。

5　结语

体外预应力技术是加固已有钢筋混凝土梁的最有效的方法之一。体外预应力技术适应于加固各类钢筋混凝土梁，其加固的概念清晰,加固的效果明显，可有效地提高结构的承载能力、降低钢筋的疲劳应力值及裂缝的宽度；施工比较方便，不减小梁下的净空，取材方便，具有良好的经济效果和发展前景。本文在以往研究资料和成果的基础上对体外预应力加固技术的加固理论、优缺点及设计计算方法等进行了探讨，对于体外预应力加固技术在建筑加固与工程改造中的应用具有一定的理论意义和工程参考价值。

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The Application of External Prestressing Strengthening Technology

YIN XIAO-long

(SchoolofEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper mainly describes the strengthening principle of external prestressing technology and research status，discusses the post-tensioned reinforced concrete design algorithm method by bending members，and introduces the application of external prestressed strengthening technology in strengthening the reinforced concrete beam combined with actual examples in construction.

external prestressing；strengthening technology；application；reinforced concrete beam

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.007

2016-03-20

殷小龙(1988-)，男(汉)，河南平顶山，硕士

主要研究结构工程。

TU378

A

1009-8984(2016)03-0030-05