無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固改造技術(shù)

項劍鋒
　?。ㄕ憬瓌︿h加固工程有限公司，浙江劍鋒震宇結(jié)構(gòu)設(shè)計有限公司）
　　摘要：本文較系統(tǒng)地介紹了筆者創(chuàng)造的無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固改造技術(shù)的發(fā)展歷史、優(yōu)點、適用范圍，并介紹了九個典型的工程案例的施工照片。
　　關(guān)鍵字：無粘結(jié)；體外預(yù)應(yīng)力；加固改造

　　1 發(fā)展歷史
　　在我國現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[1]中，有一種傳統(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力加固法，分水平拉桿法，下?lián)问嚼瓧U法和組合式拉桿法三種。這種方法是五十年代從蘇聯(lián)傳進(jìn)來的，由于當(dāng)時還沒有高強(qiáng)度的鋼材，只能采用低強(qiáng)度的鋼筋作為補(bǔ)強(qiáng)拉桿。其中下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿法的做法如下圖所示。

　　傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U加固法由于采用強(qiáng)度低，柔性差，長度短的Ⅰ級或Ⅱ級鋼作為補(bǔ)強(qiáng)拉桿，存在下述缺點:
　　1）當(dāng)需要拉桿承擔(dān)較大的內(nèi)力時，材料面積很大使施工很困難；
　　2）預(yù)應(yīng)力數(shù)值不高，預(yù)應(yīng)力損失所占的比例比較大，長期預(yù)應(yīng)力效果不好；
　　3）拉桿端部固定需要焊接，對于不允許有明火的場所不適宜采用；
　　4）要彎成三折線形狀，并進(jìn)行橫向張拉比較困難，彎折處的摩阻力很大；
　　5）不能搞連續(xù)跨加固。
　　為了克服上述缺點，筆者自1988年開始，在傳統(tǒng)的下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種以光面高強(qiáng)鋼絞線作為補(bǔ)強(qiáng)拉桿的“高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力加固法”。具體的設(shè)計和施工方法見參考文獻(xiàn)[2]、[3]。這種加固方法只能采用手工橫向張拉的方法施加預(yù)應(yīng)力。當(dāng)市面上出現(xiàn)無粘結(jié)高強(qiáng)鋼絞線以后，筆者又以無粘結(jié)高強(qiáng)鋼絞線作為補(bǔ)強(qiáng)拉桿，它可以采用千斤頂縱向張拉，或手工橫向張拉或二者結(jié)合的方法施加預(yù)應(yīng)力。我們稱它為“鋼筋混凝土大梁無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固法”。具體的設(shè)計和施工方法見參考文獻(xiàn)[4]。其做法如圖2 所示；后來又將其用于樓板的加固工程中，也是采用“無粘結(jié)鋼絞線下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿法”的做法。我們還將其用于拔柱、拆墻和減小梁的截面高度等高難度的改造工程中。其中加固大梁的技術(shù)已編入我國新的《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》的報批稿中。
　　2 優(yōu) 點
　　無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固改造技術(shù)是一種主動加固法。它與常用的加大截面法、外包鋼加固法、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法、構(gòu)件外部粘鋼加固法、構(gòu)件外部粘貼碳纖維布加固法等非預(yù)應(yīng)力被動加固法相比，具有立即見效的優(yōu)點。隨著預(yù)應(yīng)力施加，裂縫寬度隨即變小，大梁產(chǎn)生反拱，構(gòu)件原有鋼筋的應(yīng)力隨即變小；而且還可以同時加固正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度。它還有一個明顯的優(yōu)點是可以用于超筋截面的加固。而非預(yù)應(yīng)力加固法要待大梁繼續(xù)變形以后才能逐漸起作用，加固以后裂縫寬度和撓度仍會繼續(xù)增加，而且正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度一般不能同時得到加強(qiáng)。對于近幾年廣泛采用的外部粘貼碳纖維布法，更具有一個致命的弱點：當(dāng)充分發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)度時，構(gòu)件的裂縫寬度將達(dá)到不能容忍的程度。實際上當(dāng)構(gòu)件中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度產(chǎn)生塑性變形以后，即使荷載卸除，構(gòu)件的裂縫也不會再閉合，而這時碳纖維布的強(qiáng)度發(fā)揮還不足20%。因此，在加固工作中應(yīng)該慎用粘貼碳纖維布法，它將會給加固了的構(gòu)件留下嚴(yán)重的安全隱患，而且它的使用壽命很有限。無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固改造技術(shù)與傳統(tǒng)的采用低強(qiáng)鋼筋作為補(bǔ)強(qiáng)拉桿的下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力加固法比較，具有下述優(yōu)點：
　　1）由于鋼絞線的強(qiáng)度高，當(dāng)需要拉桿承受較大內(nèi)力時，材料面積也不需要很大，施工起來比較方便。
　　2）由于張拉應(yīng)力高，預(yù)應(yīng)力損失所占比例小，所以長期預(yù)應(yīng)力效果好；
　　3）端部錨固有現(xiàn)成的夾具可以利用，安全可靠，不需現(xiàn)場燒電焊，適用范圍廣；
　　4）鋼絞線的柔性好，很容易形成設(shè)計形狀，施工起來方便；
　　5）由于鋼絞線的長度長，可以采用連續(xù)跨加固，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；
　　6）施工速度快，而且不受氣溫影響；
　　7）大梁加固后對房屋凈高影響不大；
　　8）由于原有大梁的強(qiáng)度可以充分利用，而且只需要對大梁本身進(jìn)行加固，柱子和基礎(chǔ)可以不加處理，所以加固費用比較低；
　　9）由于預(yù)應(yīng)力可以提供反向彎矩，有效控制了構(gòu)件的撓度，所以可以用于樓面使用荷載增加很大時樓面梁、板的加固。當(dāng)用于拔柱、拆墻和減小梁截面高度等改造工程時更為理想；
　　10）由于預(yù)應(yīng)力可以在梁截面上提供一個長期的軸向壓力，所以對控制由砼干縮、溫差和荷載共同引起的裂縫具有特別明顯的作用；
　　11）由于預(yù)應(yīng)力可以有效的調(diào)整梁截面內(nèi)應(yīng)力，使對砼強(qiáng)度的要求降低，所以可以用來加固砼強(qiáng)度很低或經(jīng)火災(zāi)受損的鋼筋砼大梁；
　　12）預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)還可以加固超筋截面，因為它可以平衡掉部分外荷載，提高了超筋截面的承載能力。
　　13）由于無粘結(jié)鋼絞線在轉(zhuǎn)折點處的摩擦力很小，可以采用千斤頂縱向張拉，施工速度快，勞動強(qiáng)度低，而且應(yīng)力均勻可靠。
　　3 適用范圍
　　3.1 用于加固砼強(qiáng)度嚴(yán)重不足的鋼筋砼大梁
　　預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于給構(gòu)件提供了一個反向彎矩，使大梁截面受拉邊緣的最大拉應(yīng)力和受壓邊緣的最大壓應(yīng)力同時減小，有效地調(diào)整了截面應(yīng)力的分布，降低了對大梁砼強(qiáng)度的要求，只要端部支承墊板處的砼局部承壓力滿足要求即可。所以無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固改造技術(shù)很適宜用于加固砼強(qiáng)度嚴(yán)重不足的鋼筋砼大梁。在我們加固的工程中，有的鋼筋砼大梁的砼強(qiáng)度僅C10左右。
　　3.2 用于加固火災(zāi)受損的大梁
　　鋼筋砼大梁經(jīng)火災(zāi)受損以后，表面砼的強(qiáng)度已降低，而且往往已出現(xiàn)許多裂縫。這種情況采用“無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固法”最為理想。與砼強(qiáng)度嚴(yán)重不足的大梁一樣，由于預(yù)應(yīng)力提供了一個反向彎矩，有效地調(diào)整了大梁截面的應(yīng)力分布，使對大梁砼強(qiáng)度的要求降低，還可以減小大梁裂縫寬度，并有效控制裂縫的進(jìn)一步開展。我們已用無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固法加固了十多個火燒工程的受損大梁，都取得了滿意的結(jié)果。
　　3.3 用于加固樓面使用荷載增加幅度較大的梁和板。
　　當(dāng)樓面使用荷載增加幅度較大時，例如要將辦公樓面改作密集型檔案庫使用，還有設(shè)備上樓，要在普通樓面上建桑拿浴池，這些情況下梁和板不僅承載能力嚴(yán)重不足，還會產(chǎn)生過大撓度。采用無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固可以同時解決大梁的強(qiáng)度和剛度不足的問題；而且由于大梁產(chǎn)生的反拱可以平衡掉需要補(bǔ)足的荷載產(chǎn)生的撓度，大梁端部不會增加截面轉(zhuǎn)角，也就是說梁的端節(jié)點不會產(chǎn)生新的負(fù)彎矩。因此，一般情況下不需要對負(fù)彎矩進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。這點很重要，因為負(fù)彎矩的補(bǔ)強(qiáng)很困難；采用植筋的話很難滿足錨固長度的要求；采用粘貼鋼板和外包鋼加固也很難滿足錨固要求。還有，在樓面荷載增加很大的情況下，采用非預(yù)應(yīng)力加固很容易出現(xiàn)超筋的情況，采用預(yù)應(yīng)力加固不會出現(xiàn)超筋問題。
　　3.4 用于加固已嚴(yán)重開裂的樓、屋面大梁
　　鋼筋砼樓、屋面大梁在砼收縮、室內(nèi)外溫差和荷載的共同作用之下，往往要在跨中產(chǎn)生豎向裂縫，在兩端產(chǎn)生斜向裂縫。當(dāng)砼質(zhì)量較差時，裂縫情況更加嚴(yán)重，裂縫寬度經(jīng)常要超出國家設(shè)計規(guī)范的要求，需要進(jìn)行加固處理。采用無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力加固法加固這種已嚴(yán)重開裂的樓、屋面大梁最為理想。因為加固以后，大梁的裂縫寬度要變小，而且大梁上始終作用有軸向壓力，可以有效抵抗砼收縮和室內(nèi)外溫差引起的軸向拉應(yīng)力，使得裂縫有效地得到控制，一般將裂縫封閉以后將不再出現(xiàn)。
　　3.5 用于減小大梁截面高度時的加固
　　在房屋改造工程中，有時要將大梁截面高度減小。當(dāng)要減小梁的截面高度時，梁的下部鋼筋已全部去除，只保留了上部負(fù)鋼筋。梁的承載能力和截面剛度都將嚴(yán)重不足。由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以提供反向彎矩平衡外荷載，所以可以用這種技術(shù)來減小梁的截面高度。在預(yù)應(yīng)力施加以后再將要去掉的梁截面鑿掉。當(dāng)需要作抗震考慮時，還要在梁的兩端梁底位置用植筋的方法將正彎矩鋼筋植入柱子內(nèi)。
　　3.6 用于拔除承重柱
　　早年的建筑，柱距一般比較小，許多已不適用，經(jīng)常要碰到將承重柱拔除的情況。當(dāng)柱子所受荷載不是很大時，可采用無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)將柱子二側(cè)的大梁托起，然后將柱子鑿除。由于預(yù)應(yīng)力提供了一個向上的反力，可以平衡掉柱子所受的軸力，所以柱子鑿除以后不會產(chǎn)生過大的撓度而使上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。
　　3.7 用于拆除承重墻
　　當(dāng)要拆除承重墻而上部荷載不是很大時，也可以采用無粘結(jié)鋼絞線體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對圈梁進(jìn)行加固。一般在圈梁底面設(shè)置2 個支點或四個支點，把圈梁變?yōu)槿缁蛭蹇邕B續(xù)梁，用預(yù)應(yīng)力在支點處產(chǎn)生向上的力來平衡圈梁上部的荷載。承重墻拆除后不會產(chǎn)生過大的撓度而使上部樓板或墻體出現(xiàn)裂縫。
　　3.8 用于加固抗浮能力不足的水池池壁
　　當(dāng)水池抗浮能力不足時，由于水池四周的懸挑板上有回填土壓著，當(dāng)空池時中間水池池壁在浮力作用下上部會開裂，加上砼收縮和溫差影響，裂縫有時會很嚴(yán)重。在中間水池池壁上部設(shè)置通長的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，可以產(chǎn)生反向彎矩平衡掉一部分浮力，而且可以有效地控制裂縫的開展。
　　4 典型工程案例的施工照片
　　4.1 浙江永康求是工貿(mào)廠房砼強(qiáng)度嚴(yán)重不足樓面主次梁加固后的照片圖1
　　4.2 浙江寧海縣躍龍電控器材廠廠房C火災(zāi)受損后樓面大梁加固后的照片圖2

圖1 圖2

　　4.3 永康市城建大樓檔案庫樓面梁和板加固后的照片圖3
　　4.4 遼寧省丹東市大東港區(qū)碼頭嚴(yán)重超載下大梁加固后的照片圖4

圖3 圖4

　　4.5 浙江上虞天豐糧食有限公司面粉廠倉庫嚴(yán)重開裂樓面梁加固施工照片圖5
　　4.6 浙江慈溪市三環(huán)鋼管有限公司15m跨度屋面梁減小截面高度改造施工照片圖6

圖5 圖6

　　4.7 浙江寧?？h越溪鄉(xiāng)政府大樓底層門廳拔柱改造施工照片圖7
　　4.8 浙江慈溪市職業(yè)高中教學(xué)樓頂層拆除承重墻改造施工照片圖8

圖7 圖8

　　4.9 寧海縣興海污水處理廠污水處理池抗浮處理后的照片圖9

　　圖9

　　參考文獻(xiàn)
　　[1]《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》[S]（GB50367-2006）.
　　[2]項劍鋒，高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力加固法[J]，建筑技術(shù)，1990年第6期.
　　[3]項劍鋒，鋼筋砼大梁高強(qiáng)鋼絞線預(yù)應(yīng)力加固法，后張拉預(yù)應(yīng)力砼設(shè)計手冊（陶學(xué)康主編）[J]，中國建筑工業(yè)出版社，1996年11月。
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