高效体外预应力加固技术的设计和施工方法

1无粘结钢绞线体外预应力加固技术的设计和施工方法项剑锋，陈微（浙江剑锋加固工程有限公司，浙江杭州311112）摘要：针对无粘结钢绞线体外预应力加固技术的发展和广泛应用，笔者结合公司多年的加固改造工程实践，分别从6个方面介绍了高强无粘结钢绞线体外预应力加固技术的设计和施工方法，供从事相关加固改造设计或施工的工作人员参考。关键词：无粘结钢绞线；预应力；加固；改造DesignandConstructionMethodoftheExteriorPrestressReinforcingTechnologyofUnbondedSteelCableXiangJianfeng(ZhejiangjianfengreinforcementengineeringCo.,LTD,Hangzhou,Zhejiang311112,China)Abstract:Accordingtothedevelopmentandextensiveapplicationoftheprestressreinforcingtechnologyofunbondedsteelcable,theauthorintroducesthedesignandconstructionmethodofthehigh-strengthandunbondedsteelcablerespectivelyfromsixaspectsonthebasisofcombiningthereinforcementandreconstructionengineeringpractice,whichitwouldbeareferenceforengineerswhoworkinrelevantdesignandconstructionofreinforcementandreconstruction.Keywords:unbonedsteelcable；prestress；reinforcement；reconstruction引言高强钢绞线体外预应力加固技术自1988年笔者首次应用于钢筋混凝土大梁加固工程以来，已有了较大发展。1988年首次应用时是采用光面高强钢绞线作为补强拉杆，张拉方法是采用横向手工张拉，具体的设计和施工方法见参考文献[1][2]。当市面上出现无粘结高强钢绞线以后，又改用无粘结高强钢绞线作为补强拉杆，张拉方法改用纵向千斤顶张拉或横向张拉与纵向千斤顶张拉相结合的方法，见参考文献[3]。应用范围也从单纯的大梁加固发展到拆墙、拔柱、减小梁的截面高度和加固楼、屋面板等加固改造工程中，见参考文献[4]。这种技术已引起建设部有关部门的重视，现已决定将其编入我国《混凝土结构加固设计规范》的修订稿中。下面介绍无粘结钢绞线体外预应力加固技术的设计和施工方法。1钢筋混凝土大梁采用横向手工张拉加固时的设计和施工方法当无法采用纵向千斤顶张拉时，或当连续跨的跨数超过二跨（一端张拉）和超过四跨（二端张拉）时，须采用横向手工张拉或纵向千斤顶张拉与横向手工张拉相结合的方法。采用横向手工张拉时，其设计和施工方法如下：1.1钢绞线和铁件的布置钢绞线的规格一般采用极限强度为1860N/mm2的UΦj15.2（7Φs5）低松驰无粘结钢绞线。钢绞线的形状近似与弯矩图形相一致，成对布置在大梁两侧的受拉区，跨中水平段必须在梁的底部。当钢绞线数量很多时可排成数排。图1为一排钢绞线时的示意图，图2为布置二排钢绞线时的示意图，图3为一排时的仰视图。2每跨钢绞线被支承垫板、中间撑棍和拉紧螺栓分为若干个区段。中间撑棍的数量应通过计算确定，对于一般跨长的梁（如6～9m），可设置1根中间撑棍和2根拉紧螺栓；当梁的跨度不大时（如小于6m），可取消中间撑棍，仅设置1根拉紧螺栓；当梁的跨长很大时（如大于9m），一般需设置2根中间撑棍、3根拉紧螺栓。1.2中间撑棍数量的确定方法钢绞线的应力是通过拧紧设在梁底的拉紧螺栓进行横向张拉，使钢绞线伸长而建立起来3的。如果不考虑转折点处的摩阻力，其应力值为钢绞线的总伸长量除以总长度，再乘上弹性模量值。为了达到要求的总伸长量，必须设置一定数量的拉紧螺栓和中间撑棍。当不设中间撑棍，仅有1根拉紧螺栓时，总伸长量按图4的几何关系计算（图中a1为拉紧螺栓至支承垫板的距离，b为拉紧螺栓处钢绞线的横向位移量，可取梁宽的一半）。总伸长量为：)(2)(2122111abaacl当设1根中间撑棍和2根拉紧螺栓时，总伸长量按图5的几何关系计算（图中a2为拉紧螺栓至中间撑棍的距离）。总伸长量为：][2)]()[(2212222212211aababaacacl当设2根中间撑棍和3根拉紧螺栓时，总伸长量按图6的几何关系计算：2122222122114242)(4)(2aababaacacl1.3拉紧螺栓位置的确定当不设中间撑棍时，可将拉紧螺栓设在中点位置。当设有1根中间撑棍时，为使拉紧螺栓两侧的钢绞线应力尽量均衡，减少钢绞线在拉紧螺栓处的纵向滑移量，应使a1a2，并使2222115.0aacalac4当设有2根中间撑棍时，应使拉紧螺栓至中间撑棍的距离相等，并将两边拉紧螺栓至支承垫板的距离靠近一些，使21122225.0alacaac1.4端部锚固方法钢绞线端部的锚固宜采用园套筒三夹片式单孔锚，端部支承可采用图7的三种方法。当边柱侧面至梁侧面的距离大于5cm时，可将柱子钻孔，钢绞线穿过柱子，锚具通过钢板垫板支承于柱子外侧面；当边柱侧面至梁侧面的距离不大于5cm时，如果柱侧有梁，可将锚具通过钢板垫板支承于梁的外侧面；如果柱侧无梁，则用取芯机在边柱上钻孔，设置园钢销棍，将锚具通过园钢销棍支承于边柱。园钢销棍可采用Ф60的45#钢制作，锚具支承处要加工成平面。当柱子砼强度较低时，为了提高园钢销棍承压面砼的局部承压强度，可设置内径与园钢销棍直径相同的钢管垫，垫下部用快硬水泥砂浆或堵漏剂坐浆。1.5中间连续节点做法中间连续节点可采用图8的三种做法。当中柱侧面至梁侧面的距离大于5cm时可将钢绞线直接支承在柱子上；当中柱侧面至梁侧面的距离不大于5cm时，可将钢绞线支承在柱侧的梁上；柱侧无梁时可用取芯机在中柱上钻孔，设置钢吊棍，将钢绞线支承在钢吊棍上。如果支座负弯矩承载力也需要补强，中间连续节点处的钢绞线应设置水平段，转折点处设置钢吊棍，具体做法见图9，水平段的长度按计算确定。钢吊棍采用Φ60或Φ50(仅一侧钢绞线为斜向时)厚壁钢管制作，内灌细石砼。此时若梁端抗剪承载能力不足，可采用粘贴U形碳纤维布或粘贴钢板的方法解决。51.6预应力施加方法施加预应力时利用U形拉紧螺栓，用手工旋紧螺帽，使梁侧的钢绞线向梁底中间位置靠拢，从而使钢绞线伸长，建立起所需要的应力。在进行横向张拉前，引伸仪初读数后，先将梁底转折点处的支承垫板向外侧敲紧，对钢绞线进行初张拉，然后再通过拉紧螺栓横向施加预应力。为节省U形拉紧螺栓的工料费，在开始阶段先使用工具式U形拉紧螺栓，待张拉至一定程度后再换上较短的、直径较细的U形拉紧螺栓继续张拉。在各跨拉紧螺栓拉紧时，应尽量保持同步。为此，必须同时缓慢拧紧螺栓，用量测两根钢绞线中距的办法进行控制。当钢绞线应力达到要求值以后，在每一根拉紧螺栓上旋上双螺帽固定。1.7钢绞线应力测试方法为控制钢绞线的应力值，在每跨梁的梁底较长水平段的钢绞线上各设置一对铜头测点，用50cm或25cm标距的手持式引伸仪测试钢绞线的伸长值，进而推算应力值。在贴铜片时，先用角向磨光机将钢丝的圆面磨成小平面，然后用502胶水粘贴。这项工作在钢绞线安装就位并稍加拉紧时进行。初读数在支承垫板向外侧敲紧前进行。待横向张拉拧紧螺栓感到吃力时，再开始用手持式引伸仪测试伸长量，然后逐步使伸长量达到设计要求（应力值等于伸长量除以标距，再乘钢绞线的弹性模量值）。1.8张拉应力控制值根据设计规范规定，钢绞线的张拉控制应力可取0.75fptk。考虑到进行横向张拉时钢绞线的应力值是由应变值按弹性模量推算得到的，如果应力过高，钢绞线的塑性变形增加，推算得到的应力值就不能反映实际情况，而且钢绞线经转折后抗拉强度要降低，故张拉控制应力不宜过高，一般取0.6fptk。1.9防腐和防火措施防腐和防火措施可采用以下二种方法：当无外观要求时，可将无粘结钢绞线用Φ80直径的1：2水泥砂浆包裹，铁件用C25细石砼包裹；当有外观要求时，将钢绞线和铁件均用C25细石砼包裹，如图1和图2所示。端部铁件和锚具均用C25细石砼包裹。当钢绞线用水泥砂浆包裹时，可采用Φ80PVC管对开，内置1：2水泥砂浆，然后将钢绞线包裹在里面，用铅丝绑扎，第二天将PVC管取下。2钢筋混凝土大梁采用纵向千斤顶张拉加固时的设计和施工方法对于可以采用纵向千斤顶张拉的大梁，应优先采用这种方案。采用纵向千斤顶张拉时，其设计和施工方法如下：2.1钢绞线的布置钢绞线一般采用极限强度为1860N/mm2的UΦj15.2（7Φs5）低松驰无粘结钢绞线，成对布置在梁的两侧，钢绞线的形心至梁侧的距离一般为40mm左右。钢绞线的形状应与需补足的弯矩图形相近。一般情况下，采用二根钢绞线便能满足要求，当需要补强的钢绞线数量很多时可以排成数排。为了不影响使用净高，可以把钢绞线在跨中的支承点设在梁底以上的位置。钢绞线可采用连续跨布置，以加强结构的整体性，并简化节点构造。在实际加固工程中，曾采用过如图9中方法1～方法4的几种做法。6图9钢绞线的几种布置方法2.2铁件的设置为了形成设计要求的钢绞线形状，要在钢绞线的转折点处设置支承垫板或钢吊棍等铁件，在两端要设置钢垫板或钢销棍。2.3中间连续节点的做法当采用多跨连续张拉，钢绞线在跨中的转折点设在梁底以上位置时，为了减少转折点处的摩擦力，在中间支座的两侧要设置钢吊棍，如图9中的方法2～4所示；若钢绞线在跨中的转折点设在梁底以下位置，则中间支座可不设钢吊棍，钢绞线直接支承在柱子或柱侧的横梁上，但如果该跨不靠近张拉端，则应在跨中设置拉紧螺栓，如图9中的方法1所示，在千斤顶张拉以后再用拉紧螺栓补足钢绞线的应力。钢吊棍可采用Ф50或Ф60（当二侧钢绞线均为斜向时）厚壁钢管制作，内灌细石砼。如砼孔洞下部的局部挤压强度不满足要求，可设置内径与钢吊棍相同的钢管垫，用快硬水泥砂浆或堵漏剂坐浆。如果需要补足支座负弯矩承载力，则中间支座水平段钢绞线的长度按计算确定。此时若梁端截面的抗剪承载能力不足，可采用粘贴U形碳纤维布或粘贴钢板的方法解决。2.4端部锚固方法钢绞线端部的锚固采用园套筒三夹片式单孔锚。端部支承可采用图10中的四种方法：7当边柱侧面至梁侧面的距离大于5cm时，可将柱子钻孔，将端部锚具通过钢板垫板支承于边柱外侧面，为了减少纵向张拉时的摩擦力，在梁端上部设钢吊棍；当边柱侧面至梁侧面距离不大于5cm时，将锚具通过槽钢垫板支承于边柱外侧面，在梁端上方也设钢吊棍；当柱侧有梁时可将锚具通过钢板垫板支承于梁的外侧面。当无法设置钢垫板时，可用取芯机在梁端上部截面钻孔，设置园钢销棍，将锚具通过园钢销棍支承于梁端。园钢销棍可采用Ф60的45#钢制作，锚具支承面处要加工成平面。当梁的砼质量较差时，可设置内径与园钢销棍直径相同的钢管垫，用快硬水泥砂浆或堵漏剂坐浆。施工时端部钢垫板接触面处的砼面必须平整，如果不平整则应用快硬水泥砂浆或堵漏剂找平。2.5预应力施加方法当钢绞线采用连续跨布置，而跨中的转折点设在梁底以上位置时，应尽可能采用两端纵向张拉以减少摩擦力损失，当钢绞线在跨中的转折点设在梁底以下位置时，可采用一端纵向张拉，但在纵向张拉以后，还应利用设在跨中的拉紧螺栓进行横向张拉，以补足由摩擦力引起的预应力损失值。当纵向张拉有困难时，也可将跨中转折点设在梁底，全部采用横向张拉的方法。纵向张拉的工具采用穿心千斤顶和高压油泵，张拉力直接从油压表中读取。张拉时应采用交错张拉的方法：先在一端张拉，把第一根钢绞线张拉至一半张拉控制值，再张拉另一侧钢绞线至张拉控制值，然后再把第一根钢绞线张拉至张拉控制值。如有数排钢绞线，也采用同样方法。一端张拉后再到另一端把钢绞线的张拉力全部补足。2