预应力加固建筑结构的设计及应用

杨军兵

[摘要]文章介绍预应力加固建筑结构设计的基本方法，以及预应力加固建筑结构的设计要点和预应力技术在加固建筑结构设计中的实际应用，以供参考。

[关键词]预应力;加固建筑结构;设计;应用

文章编号：2095-4085（2019）03-0010-02

在我国工业与民用建筑的高速增长过程中，因设计考虑不足，施工质量缺陷及后期使用功能改变等原因导致一些建筑结构的构件承载能力不足，需要对其进行加固补强后，建筑物方能继续投入使用。

1预应力加固建筑结构设计的基本方法

预应力加固结构一般采用的是不破坏原有建筑结构的体外预应力加固法，预应力加固材料的选择如下。对结构柱的加固采用以型钢为预应力撑杆;对结构梁加固可采用普通钢筋、普通高强钢绞线，无粘结高强度钢绞线，其中采用普通钢筋作为预应力筋时，其产生的预应力值较低，预应力损失较大，需要较高预应力值时，与之对应需要布置很大的钢筋截面面积，且不宜对连续梁进行加固施工。普通高强钢绞线在施加预应力时会在转折点产生很大的摩擦力，不利于预应力的传递。无粘结高强度钢绞线解决了以上两种材料的不足，能提供较高的预应力值（可达0.7ptk），在转折点处摩擦力较小，钢绞线应力传递均匀，且钢绞线布置灵活，梁跨中水平段可在梁两侧设置，不影响建筑净高，防腐性能好，不易锈蚀。设计人员在进行预应力加固设计时，可按需选择合适的加固材料及方法。

图1是采用无粘结钢绞线预应力下撑式拉杆加固框架梁等受弯构件的其中两种常用布置方式。通过对预应力钢绞线实施张拉产生预应力，使原构件受拉区反向受压后，同时减小原混凝土构件截面受拉边缘的最大拉应力和受压边缘的最大压应力，提高原结构构件的承载能力，并减小构件变形，达到加固补强结构的目的。

2预应力加固建筑结构设计的要点

采用图1无粘结钢绞线预应力下撑式拉杆加固框架梁等受弯构件时，除应符合《混凝土结构设计规范》（GB50010）正截面承载力计算的基本假定外，同时满足以下假定：即假定构件达到承载能力极限状态时，预应力钢绞线的应力等于施加预应力时的张拉控制应力，即让钢绞线承受全部荷载时增加的应力等于预应力的损失值。

当结构梁的连续跨不超过两跨时，可采用一端张拉，取预应力钢绞线应力值σ，=σp0（σp0为预应力钢绞线张拉控制应力）;当结构梁的连续跨数大于两跨，采用一端张拉;或当结构梁的连续跨数大于四跨，采用两端张拉时，距离张拉端较远的梁会因为摩擦力产生较大的预應力损失，当该预应力损失大于钢绞线的应力增量时，会导致我们按规范算法取值偏大，使结构处于不安全状态。设计时须提高张拉控制应力，可在梁底跨中设置拉紧螺栓，用横向张拉的方法提高预应力或将钢绞线的张拉控制应力提高至0.75ptk，但仍按0.7ptk计算。钢绞线应在结构梁的两侧对称布置，须进行横向张拉补足张拉应力时，钢绞线跨中水平支承点应设在梁的底部，横向张拉增加的应力增量

△σ=公式

，该增量应控制在0.05ptk～0.15ptk范围内。

确定预应力钢绞线应力值σ，后，参考《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013），无粘结预应力钢绞线加固矩形截面受弯构件的正截面承载力计算公式如下（图2）。

公式

其中M为弯矩设计值（包括初始弯矩和增加的弯矩），ζpb=0.85ξ（ξb为构件加固前的相对界限受压区高度）。

斜截面承载力计算公式如下。

V≤Vb0+Vbp（Vb0为加固前梁斜截面承载力），

Vbp=公式

（Vbp为预应力加固后梁斜截面承载力提高值）。

3 预应力加固建筑结构设计的案例

湖北省某高速公路收费站办公楼建成后，因房间功能性调整，使用单位要求把原二楼三个柱网开间均为3.9m，进深为8m的会议室改为收费站监控室，功能变更后，楼面活荷载标准值由原设计的2kN/m2增加到6kN/m2。经计算，三个房间居中的框架梁的跨中弯矩由91.04kN·m增加至179.14kN·m，剪力V=223.92kN。原结构梁截面250mm*600mm，原混凝土强度等级C30（fc0=14.3N/m2），钢筋级别HRB400，梁底实配纵筋3  16（As0=603.19mm2，配筋率0.43%），箍筋8@100/200（2）。经比选后，决定采用无粘结预应力钢绞线对该段框架梁进行加固处理。

原构件配筋复核（不考虑受压钢筋）：x0=（360*603.19）/（1.0*14.3*250）=60.7mm。

原构件最大受弯承载力M0=1.0*14.3*250*60.7*（565-60.7/2）=116.02kN·m

<179.14kN·m。

原框架梁受弯承载力不足，需要加固。结构加固采用无粘结预应力钢绞线，钢绞线选用极限强度标准值ptk=1860N/m2，张拉控制应力σp0=0.7ptk=0.7*1860=1302N/m2，hp=600mm加固后混凝土受压区高度

公式

根据公式7.2.3-2，预应力钢绞线计算面积

公式

选用两根公称直径9.5mm的钢绞线对称布置，截面积

公式

，水平张拉的控制拉力

公式

预应力损失计算：钢绞线锚固方式采用焊接锚固，故σn=0，无粘结预应力钢绞线体外张拉σp=0，加固结构混凝土无须进行加热养护σp=0，预应力筋松弛引起的预应力损失

公式

，由于结构加固时，原结构已经投入使用，混凝土的收缩徐变已近似完成，取σs=0，总预应力损失

公式

，钢绞线张拉应施加的预应力

公式

，实际配筋及张拉控制应力均满足要求。

斜截面承载力验算：

公式

，斜截面受剪承载力满足荷载要求。加固布置简图如图3，端部锚固于框架柱。

4结语

在目前的加固建筑结构设计与施工中，比较常用的预应，力加固法不仅具有效率高且施工快捷的特点，而且具有良好的经济性优势。要重视加固设计以及节点设计，对施工现场实际情况进行综合考虑来确保方案的可行以及经济实用，确保被加固构件承载力的显著提高。

参考文献：

[1]房贞政.预应力结构理论第二版[M].中国建筑工业出版社，2015.

[2]CB50367-2013，混凝土结构加固设计规范[S].

[3]陈凤山，实用混凝土结构加固技术[M].北京：化学工业出版社，2013.