無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術
無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術
項劍鋒
（浙江劍鋒加固工程有限公司，浙江劍鋒震宇結構設計有限公司）
摘要：本文較系統地介紹了筆者創造的無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術的發展歷史、優點、適用范圍，并介紹了九個典型的工程案例的施工照片。
關鍵字：無粘結；體外預應力；加固改造
1 發展歷史
在我國現行混凝土結構加固設計規范[1]中，有一種傳統的體外預應力加固法，分水平拉桿法，下撐式拉桿法和組合式拉桿法三種。這種方法是五十年代從蘇聯傳進來的，由于當時還沒有高強度的鋼材，只能采用低強度的鋼筋作為補強拉桿。其中下撐式預應力拉桿法的做法如下圖所示。
傳統的預應力下撐式拉桿加固法由于采用強度低，柔性差，長度短的Ⅰ級或Ⅱ級鋼作為補強拉桿，存在下述缺點:
1）當需要拉桿承擔較大的內力時，材料面積很大使施工很困難；
2）預應力數值不高，預應力損失所占的比例比較大，長期預應力效果不好；
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，并進行橫向張拉比較困難，彎折處的摩阻力很大；
5）不能搞連續跨加固。
為了克服上述缺點，筆者自1988年開始，在傳統的下撐式預應力補強拉桿法的基礎上發展了一種以光面高強鋼絞線作為補強拉桿的“高強鋼絞線預應力加固法”。具體的設計和施工方法見參考文獻[2]、[3]。這種加固方法只能采用手工橫向張拉的方法施加預應力。當市面上出現無粘結高強鋼絞線以后，筆者又以無粘結高強鋼絞線作為補強拉桿，它可以采用千斤頂縱向張拉，或手工橫向張拉或二者結合的方法施加預應力。我們稱它為“鋼筋混凝土大梁無粘結鋼絞線體外預應力加固法”。具體的設計和施工方法見參考文獻[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“無粘結鋼絞線下撐式預應力拉桿法”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已編入我國新的《混凝土結構加固設計規范》的報批稿中。
2 優 點
無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術是一種主動加固法。它與常用的加大截面法、外包鋼加固法、改變結構傳力途徑加固法、構件外部粘鋼加固法、構件外部粘貼碳纖維布加固法等非預應力被動加固法相比，具有立即見效的優點。隨著預應力施加，裂縫寬度隨即變小，大梁產生反拱，構件原有鋼筋的應力隨即變小；而且還可以同時加固正截面強度和斜截面強度。它還有一個明顯的優點是可以用于超筋截面的加固。而非預應力加固法要待大梁繼續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增加，而且正截面強度和斜截面強度一般不能同時得到加強。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：當充分發揮碳纖維布的高強度時，構件的裂縫寬度將達到不能容忍的程度。實際上當構件中的非預應力鋼筋達到屈服強度產生塑性變形以后，即使荷載卸除，構件的裂縫也不會再閉合，而這時碳纖維布的強度發揮還不足20%。因此，在加固工作中應該慎用粘貼碳纖維布法，它將會給加固了的構件留下嚴重的安全隱患，而且它的使用壽命很有限。無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術與傳統的采用低強鋼筋作為補強拉桿的下撐式預應力加固法比較，具有下述優點：
1）由于鋼絞線的強度高，當需要拉桿承受較大內力時，材料面積也不需要很大，施工起來比較方便。
2）由于張拉應力高，預應力損失所占比例小，所以長期預應力效果好；
3）端部錨固有現成的夾具可以利用，安全可靠，不需現場燒電焊，適用范圍廣；
4）鋼絞線的柔性好，很容易形成設計形狀，施工起來方便；
5）由于鋼絞線的長度長，可以采用連續跨加固，加強了結構的整體性；
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）由于原有大梁的強度可以充分利用，而且只需要對大梁本身進行加固，柱子和基礎可以不加處理，所以加固費用比較低；
9）由于預應力可以提供反向彎矩，有效控制了構件的撓度，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）由于預應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）由于預應力可以有效的調整梁截面內應力，使對砼強度的要求降低，所以可以用來加固砼強度很低或經火災受損的鋼筋砼大梁；
12）預應力加固技術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）由于無粘結鋼絞線在轉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，勞動強度低，而且應力均勻可靠。
3 適用范圍
3.1 用于加固砼強度嚴重不足的鋼筋砼大梁
預應力技術由于給構件提供了一個反向彎矩，使大梁截面受拉邊緣的最大拉應力和受壓邊緣的最大壓應力同時減小，有效地調整了截面應力的分布，降低了對大梁砼強度的要求，只要端部支承墊板處的砼局部承壓力滿足要求即可。所以無粘結鋼絞線體外預應力加固改造技術很適宜用于加固砼強度嚴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度僅C10左右。
3.2 用于加固火災受損的大梁
鋼筋砼大梁經火災受損以后，表面砼的強度已降低，而且往往已出現許多裂縫。這種情況采用“無粘結鋼絞線體外預應力加固法”最為理想。與砼強度嚴重不足的大梁一樣，由于預應力提供了一個反向彎矩，有效地調整了大梁截面的應力分布，使對大梁砼強度的要求降低，還可以減小大梁裂縫寬度，并有效控制裂縫的進一步開展。我們已用無粘結鋼絞線體外預應力加固法加固了十多個火燒工程的受損大梁，都取得了滿意的結果。
3.3 用于加固樓面使用荷載增加幅度較大的梁和板。
當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重不足，還會產生過大撓度。采用無粘結鋼絞線體外預應力加固可以同時解決大梁的強度和剛度不足的問題；而且由于大梁產生的反拱可以平衡掉需要補足的荷載產生的撓度，大梁端部不會增加截面轉角，也就是說梁的端節點不會產生新的負彎矩。因此，一般情況下不需要對負彎矩進行補強。這點很重要，因為負彎矩的補強很困難；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，采用非預應力加固很容易出現超筋的情況，采用預應力加固不會出現超筋問題。
3.4 用于加固已嚴重開裂的樓、屋面大梁
鋼筋砼樓、屋面大梁在砼收縮、室內外溫差和荷載的共同作用之下，往往要在跨中產生豎向裂縫，在兩端產生斜向裂縫。當砼質量較差時，裂縫情況更加嚴重，裂縫寬度經常要超出國家設計規范的要求，需要進行加固處理。采用無粘結鋼絞線體外預應力加固法加固這種已嚴重開裂的樓、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外溫差引起的軸向拉應力，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。
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，只保留了上部負鋼筋。梁的承載能力和截面剛度都將嚴重不足。由于預應力技術可以提供反向彎矩平衡外荷載，所以可以用這種技術來減小梁的截面高度。在預應力施加以后再將要去掉的梁截面鑿掉。當需要作抗震考慮時，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。
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，經常要碰到將承重柱拔除的情況。當柱子所受荷載不是很大時，可采用無粘結鋼絞線體外預應力技術將柱子二側的大梁托起，然后將柱子鑿除。由于預應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生過大的撓度而使上部結構出現裂縫。
3.7 用于拆除承重墻
當要拆除承重墻而上部荷載不是很大時，也可以采用無粘結鋼絞線體外預應力技術對圈梁進行加固。一般在圈梁底面設置2 個支點或四個支點，把圈梁變為三跨或五跨連續梁，用預應力在支點處產生向上的力來平衡圈梁上部的荷載。承重墻拆除后不會產生過大的撓度而使上部樓板或墻體出現裂縫。
3.8 用于加固抗浮能力不足的水池池壁
當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，裂縫有時會很嚴重。在中間水池池壁上部設置通長的預應力鋼絞線，可以產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 浙江永康求是工貿廠房砼強度嚴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火災受損后樓面大梁加固后的照片圖2
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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碼頭嚴重超載下大梁加固后的照片圖4
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4.5 浙江上虞天豐糧食有限公司面粉廠倉庫嚴重開裂樓面梁加固施工照片圖5
4.6 浙江慈溪市三環鋼管有限公司15m跨度屋面梁減小截面高度改造施工照片圖6
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4.7 浙江寧海縣越溪鄉政府大樓底層門廳拔柱改造施工照片圖7
4.8 浙江慈溪市職業高中教學樓頂層拆除承重墻改造施工照片圖8
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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
[1]《混凝土結構加固設計規范》[S]（GB50367-2006）.
[2]項劍鋒，高強鋼絞線預應力加固法[J]，建筑技術，1990年第6期.
[3]項劍鋒，鋼筋砼大梁高強鋼絞線預應力加固法，后張拉預應力砼設計手冊（陶學康主編）[J]，中國建筑工業出版社，1996年11月。
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