一种用于无粘结预应力混凝土结构改造的开口锚具试验研究

陈 磊，陈伯望(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，长沙 410004)

一种用于无粘结预应力混凝土结构改造的开口锚具试验研究

陈 磊，陈伯望
(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，长沙 410004)

为了保证既有建筑无粘结预应力混凝土结构改造后的受力性能，尽可能的减少预应力损失，特研制出两种简单高效的开口式锚具，分别为永久使用的工作锚具和可重复使用的工具锚具．拆除前先将处于张拉状态的无粘结预应力钢绞线用特制开口锚具先锚固后截断、再拆除．工作锚具锚固能力强，工具锚具能约束钢绞线散开、改善钢绞线切断时的受力．两种锚具配合使用，使保留的无粘结预应力钢绞线的预应力损失很小，达到改造效果．

无粘结预应力；结构改造；开口锚具；试验研究

由于城市的快速发展需要对原有道路的路幅进行调整，或者建筑物的使用功能发生改变，这就导致大量既有建筑需要部分拆除或改造．拆除部分结构势必对保留的结构的受力性能产生影响，特别是无粘结预应力混凝土楼盖结构的拆除．按照传统的改造方法[1]，即“先断后锚”，先截断无粘结预应力钢绞线，再对钢绞线张拉．在截断预应力筋时，突然释放预应力引起的钢绞线弹性回缩可能导致另一端锚具突然失效并引发事故，该方法存在一些安全隐患．在施工期间，该做法将降低楼盖的原设计抗裂度和刚度，增大其挠曲变形，对保留的楼盖结构产生不利影响．目前工程上常用的开口锚具均为单孔，用于锚固单根钢绞线无粘结预应力筋．

为满足工程需要，中国建筑科学研究院建筑结构研究所开发出齿合型钢绞线预应力筋用单孔开口锚具(QMK15-1开口锚具)，并使其首次具有根据自身变形确定实际锚固力的重要性能．但该锚具构造比较复杂，施工不太方便，更重要的是，锚具靠钢绞线回缩将锚具各组件抵紧，因而钢绞线回缩较大，造成较大的预应力损失．现有的开口锚具[2]由于其构造复杂、需要补张拉、施工不方便、造价较高等原因不能用于无粘结预应力混凝土无梁楼盖结构的改造．为了使既有建筑无粘结预应力混凝土结构改造时预应力钢绞线的预应力不改变或预应力损失很小，保证结构的抗裂度和刚度不发生改变，特研制此开口式钢绞线锚具．

1 开口锚具锚固性能试验

1.1 试验概况

本研究提出一种无粘结预应力钢筋的先锚后断技术，拆除前先将无粘结预应力钢绞线在楼板的保留部分边缘端采用特制开口锚具先锚固后截断、再拆除的施工方法．该方法研发了一种特制的工作锚(杯内夹片)和工具锚(杯内螺纹)相结合的组合锚具见图 1．对保留部分的预应力筋进行重锚固，然后将待拆除部分的预应力筋截断，特制开口锚具能使保留部分的预应力筋的应力状态不发生改变，从而保证剩余部分建筑的安全和良好的工作性能[3]．

该开口锚具包括工作锚(长期工作锚具)和工具锚(临时锚具)，其中工作锚由上下工作锚块、夹片、螺栓和螺母组成，工具锚由上下锚块、螺栓和螺母组成，将两种锚具配合使用，可实现对处于工作状态的钢绞线首先实施锚固，然后对拆除部分截断．将钢绞线截断后，工具锚可卸下重复使用[4]．

图1 开口锚具照片

利用结构实验室已有的反力墙孔道进行锚具试验，钢绞线规格 1×7，d=15.2 mm，钢绞线孔道长3.6 m，孔道直径60 mm，水平直孔．钢绞线的一端采用普通钢绞线锚具，并安装力传感器，用于测定钢绞线张拉力．另一端利用预应力前卡式张拉千斤顶(QYC270A前卡穿心式千斤顶)以传力钢架为支撑进行张拉，然后安装开口式锚具，锚具安装后的构造详图见图 2，再松开张拉千斤顶，研究开口锚具的锚固性能，试验装配图见图3．

1.2 工具锚单独锚固钢绞线试验

工具锚第1次试验：预应力前卡式张拉千斤顶张拉力到160 kN后，安装并紧固工具锚，松开千斤顶后，力读数为159 kN，2小时后力读数为158 kN．工具锚第2次试验：在第1次试验完成后将预应力松掉，第2天重复进行试验，预应力前卡式张拉千斤顶张拉力到160 kN后，安装并紧固工具锚，松开千斤顶后，3 min后锚具丝口与钢绞线产生滑移，滑移量为90 mm．这是由于第1次试验时钢绞线在锚具位置造成了损伤，致使再试验时锚具不能有效咬住钢绞线．

试验结果表明：工具锚不能单独锚住钢绞线．

图2 开口锚具安装详图

图3 试验装配图

1.3 工作锚锚固钢绞线试验

工作锚第1次试验：千斤顶张拉力到150 kN后，安装并紧固工作锚，松开千斤顶后，力读数为150 kN；5 min后力读数为150 kN；30 min为150 kN；60 min为149 kN．

工作锚第2次试验：第2天重复第1次试验，千斤顶张拉力到160 kN后，安装并紧固工作锚，松开千斤顶后，力读数为160 kN；进行了维持10天的试验，具体读数见表 1．试验结果表明：工作锚完全能锚住钢绞线．

表1 工作锚力传感器读数①

2 切断钢绞线对锚具锚固性能的影响试验

实际工程操作过程中，力不能像张拉千斤顶张拉一样均匀缓慢卸载，而是切断钢绞线，力是通过切断钢丝逐步卸掉的，此时各钢丝受力极不均匀．为了模拟实际工程情况，进行了切断钢绞线试验．具体情况如下：

2.1 仅工作锚锚固时切断钢绞线

固定端用普通锚具锚固并安装力传感器，另一端以传力钢架为支撑进行张拉，张拉到位后用普通锚具锚固在传力钢架上，并安装张拉端力传感器，钢绞线固定端力传感器读数为151.1 kN，钢绞线张拉端力传感器读数也为151.1 kN．用手持式切割机依次切断钢绞线各根钢丝，每切断一根钢丝读一次两端的力传感器读数；钢绞线完全切断后，固定端力传感器读数从151.1 kN变为125.4 kN，损失了17.0 %，钢绞线回缩3 mm，张拉端力传感器读数从151.1 kN变为0 kN．当只用工作锚时，切断钢绞线后，其断口不整齐，断口部位各股钢丝收缩不一致，钢丝呈灯笼状散开；拆除锚具后发现，锚具内部的丝口与部分钢绞线产生较大滑移，钢绞线的应力损失较大，不能满足锚固要求．试验结果见图4．

图4 工作锚锚固时切断

2.2 工具锚配合工作锚锚固时切断钢绞线

(1)工作锚与1个工具锚锚固时切断钢绞线．

两端都采用钢绞线普通锚具锚固，两端锚固力均为155.6 kN，安装好工作锚及1个工具锚后，用手持式切割机切断钢绞线，然后将工具锚卸下，依靠工作锚独立工作，固定端力从155.6 kN变为129.5 kN，损失了16.7 %.如图4所示，但相比工作锚独立工作已有较大改善，由于夹具的约束作用，钢绞线断口整齐，与前面的灯笼状断口明显不同，钢绞线断口整齐且没有松开，说明工具锚和工作锚组合使用，较能满足要求，工具锚可重复使用．试验结果见图5．钢绞线回缩2.5 mm．

图5 工具锚配合工作锚锚固时切断

(2)工作锚与2个工具锚锚固时切断钢绞线．

两端都采用钢绞线普通锚具锚固，锚固力为162.9 kN，安装好工作锚及两个工具锚后，用手持式切割机切断钢绞线，然后将两个工具锚卸下，依靠工作锚独立工作，锚固力维持162.6 kN几乎不变，相比工作锚和一个工具锚独立工作又大有改善，说明工作锚和两个工具锚组合使用，能更好的满足要求，工具锚可重复使用．试验结果见图6．钢绞线回缩1.34 mm．

(3)工具锚对钢绞线的约束作用分析．

进一步试验发现：当两个工具锚和工作锚同时使用时，切断钢绞线，由于夹具的约束作用，钢绞线断口整齐，与前面的灯笼状断口明显不同，钢绞线断口整齐且没有松开，钢绞线的应力几乎不会出现损失．理论分析也表明，钢绞线切断时单独使用工作锚，由于钢绞线各股钢丝依次退出工作，第一根钢丝最早退出工作，受力最小，后切断的钢丝受力呈抛物线趋势，两头小，中间大，切断第4根钢丝应力最大，切断时各股钢丝的受力和变形相差很大，各股钢丝的回缩不同，钢丝之间产生相对滑移，对锚具的锚固效果产生很大不利影响，使锚固效果变差；但工作锚和工具锚组合使用，由于工具锚的约束作用，各股钢丝被箍紧，在瞬间切断时不能自由回缩，从而约束钢丝切断时的变形差，使锚具效果得到完美发挥，且工具锚可重复使用．工具锚的数量超过2个已经不能再改善锚固能力，工作锚和2个工具锚组合使用，能最好的满足工程需求[5]．

图6 两个工具锚配合工作锚锚固时切断

3 锚具长期锚固性能试验

为了检验锚具的长期锚固性能，对工作锚进行长达1 a的静力锚固性能研究．具体锚固力见表2．

表2 长期静力荷载下工作锚力传感器读数

经过1 a的长期静力试验，锚固力仅仅损失2 kN，钢绞线总滑移为 0.1 mm，说明工作锚的长期锚固性能完全能满足实际工程需要．

4 锚具疲劳性能试验

为了研究开口锚具抵抗疲劳荷载能力，对开口锚具进行疲劳试验，试验装置为疲劳试验架，在固定端和张拉端安装力传感器．用千斤顶张拉、卸载、张拉，重复进行张拉和卸载，进行1 000次重复荷载疲劳试验，试验结果见图7、图8．经过1 000次疲劳试验发现，普通锚固端损失0.2 kN，工作锚端损失1 kN，夹片没有产生裂痕，开口锚具没有破坏，整体锚固效果很好，完全可以满足工程要求．

图7 疲劳试验锚具锚固力值

图8 疲劳试验加载制度(kN)

5 应用案例

根据预应力钢绞线再锚固的开口锚具研制成果，在长沙汇源大厦部分裙楼拆除改造工程中进行了运用．对汇源大厦既有无黏结预应力混凝土楼盖改造钢绞线进行重锚施工，汇源大厦部分裙楼拆除改造楼盖的局部结构布置图见图 9，先将原预应力钢绞线锚固后再切断，同时进行了加固改造设计并制定了详细的施工方案．

5.1 楼板开槽与锚固要求

楼板开槽分批次进行，每次开槽长度不超过900 mm，宽度不超过300 mm，根据孔洞中预应力钢绞线的根数及间距，做好梳形钢板[6]，按如图11中的做法将梳形钢板从上向下套住预应力钢绞线，用胶结材料 A将凿出的原混凝土楼板毛面抹平并将梳形钢板粘贴牢固，待3 d以后用工作锚将孔洞中的预应力钢绞线锚固好，工作锚与梳形钢板顶紧．待该批次钢绞线切断后再第二批开槽，依次对称分批进行，如图10中的孔洞1、孔洞2，避免一次开槽太长造成预应力损失过大，甚至发生事故．

图9 汇源大厦部分裙楼拆除改造楼盖的局部结构布置图

图10 楼板开槽顺序

5.2 钢绞线切断要求

待同一孔洞内的预应力钢绞线全部用工作锚锚完毕后，为消除切断预应力钢绞线时对其应力的影响，在切断预应力钢绞线前，需在工作锚外侧安装好2个工具锚，切断点必须在工具锚外侧，如图2和图11所示.

图11 梳形板及锚具组合

试验表明切断钢绞线时，同股钢绞线的各根钢丝依次断掉，该钢丝瞬间卸载，钢绞线出现应力重分布，各根钢丝之间进行变形协调，由于是依次切断，变形各不一致，各根钢丝之间有较大的相对滑移，对锚具造成较大的损伤，安装工具锚后，可有效消除钢丝变形不一致的不利影响[7]．预应力钢筋切断后，工具锚可拆除．无粘结预应力钢绞线只能采用机械方法切断，不得采用氧气吹割等加温方法切断．拆除过程中，对于与之垂直方向(南北方向)的预应力钢绞线要采取临时性锚固措施，防其伤人．

5.3 结构拆除要求

无粘结预应力楼板拆除分两步进行，第一步先将需要的无粘结预应力钢铰线在设计位置再锚固，待该层所有预应力钢铰线再锚固工作完成后将其切断，并沿图9中14轴边缘将裙楼楼板混凝土凿开，使房屋保留部分与拆除部分分离．第二步将14轴以西的楼面结构拆除[8]．

拆除施工应从屋面开始，自上而下、分层进行拆除，上一层拆除施工完成后再转入下一层．无粘结预应力钢铰线再锚固和房屋拆除前后，应将裙房的裂缝及损伤情况分别进行观测和记录，并进行拆除前后的裂缝和损伤情况比较，以便对结构进行加固处理．

对汇源大厦的监测结果表明：拆除过程中楼板最大应变增量为100 μm左右，由于原有预应力效果的存在，没有出现板底裂缝现象；己拆除楼层的楼板最大挠度增量为1.2 mm，其钢绞线的回缩量在1.2 mm以内的占91 %以上，预应力损失小于3 kN，其重锚可靠性高，预应力损失较少或不损失．并且通过监测发现，部分原有钢绞线预应力低，主要表现在重锚截断时钢绞线无振动．

拆除后板的最终挠度为16 mm，未超过跨度的1/250，而且各层楼板的最大挠度随楼层的降低，挠度值减少．钢绞线重锚截断后，所对应的楼层柱体发生很小的位移，但对己拆除楼层柱体的位移影响非常小．主体结构整体变形未出现变化，满足房屋建筑的正常使用条件要求．

6 结论

无粘结预应力混凝土楼板部分拆除改造工程具有一定的风险，其核心技术是施工及使用过程中预应力钢绞线的预应力不出现损失或损失很小，简单高效的开口锚具是改造能否成功的关键．

研发的该开口锚具系列由工具锚和工作锚组成，两种锚具配合使用，开口锚具完全能锚固住钢绞线，使预应力筋的应力状态基本上不发生改变，具体结论如下：

(1)研发了一种简单高效的开口锚具，分别为工具锚(杯内带螺纹)和工作锚(杯内双夹片)，工作锚为永久锚具，工具锚为可重复使用的工具锚具．

(2)钢绞线切断时应将工作锚和工具锚配合使用才能保证锚固效果，最好是2 个工具锚配合1 个工作锚使用，切断完成后工具锚可拆卸重复使用．

(3)试验表明，工作锚完全能独立锚固钢绞线，锚具的长期锚固性能良好，在疲劳荷载作用下同样具有良好的锚固性能．

[1]简文华, 王杰, 石磊. 预应力混凝土结构改造加固施工技术[J].施工技术, 2008, 38(11).

[2]潘立, 刘明保. 钢绞线预应力筋用齿合型单孔开口锚具的设计与试验研究[J]. 建筑结构, 2009, 39(2):101-104.

[3]JGJ85-2002, 预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程[S].

[4]JGJ92-2004, 无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].

[5]GB50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

[6]陈维超, 陈浩, 刘玉辉. 既有无黏结预应力混凝土建筑拆除改造施工监测分析[J]. 施工技术, 2015, 16: 4-7.

[7]周建发. 无粘结预应力结构预应力筋重锚及截断施工工艺分析[J]. 中外建筑, 2014(9): 147-150.

[8]陈浩, 刘玉辉, 陈维超,等. 既有无黏结预应力混凝土楼盖改造钢绞线重锚施工技术[J]. 施工技术, 2014(18): 26-30.

(责任编校：徐赞)

An Experimental Study on Concrete Prestressed Building with Unbonded Tendons Transforming the Opening Anchorage

CHEN Lei, CHEN Bo-wang
(School of Civil Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, China)

In order to ensure the unbonded prestressed concrete structure after transforming the stress performance, we must decrease the loss of prestress as much as possible. Two types of simple and high effective opening anchorages have been developed by combining rebuilding of a tall building. Working anchorage and tool anchorage are prepared. Demolish in the tensioning state of unbonded prestressed steel strand with special opening anchorage anchor after truncation, and then remove it .The former has effective anchor ability and the latter can keep tendons from dispersing and improve force station when being cut. Cooperation of two types of opening anchorage can greatly reduce pre-stress-lose of the retained prestressed tendons and achieve the rebuilding effect.

unbonded prestressed concrete; structure transformation; opening anchorage; experimental study

TK22

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.03

1672–7304(2017)01–0009–06

2016-12-04

陈磊(1990-)，男，湖南宁乡人，硕士，主要从事开口锚具研究．E-mail：1191222523@qq.com：陈伯望(1965-)，男，湖南汉寿人，教授，博士，主要从事钢管混凝土研究.