体外预应力加固技术在大跨度结构改造中的应用*

赵国栋，段世薪，司 伟，李 窍，宋 杰

(1.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031； 2.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031； 3.平邑县人民政府建设工程质量监督站，山东 临沂 273300；4.山东建科特种建筑工程技术中心有限公司，山东 济南 250031)

0 引言

目前，越来越多的已建建筑物存在改变使用功能的需求。张开臣等[1]采用预应力与增大截面相结合的加固方法对结构实现抽柱，现有加固技术包括增大截面、外包型钢、粘贴钢板、粘贴纤维复合材料等[2]。但上述技术对于解决抽柱增加跨度问题存在局限性，可采用体外预应力加固技术，该技术基本不增加结构自重，可解决承载力不足的问题，同时可有效解决挠度过大及裂缝超限问题[3]。

1 工程概况

某已建综合楼为地下1层、地上4层混凝土框架结构，楼、屋面板采用密肋梁结构，建筑高度19.47m。原设计使用功能包括办公、商业等，现改为酒吧。为此，业主方要求对建筑物内部局部空间进行升级改造，增大使用空间，以满足娱乐性场所功能需求，即拆除地上2～4层②～⑥，～轴框架柱、框架梁和楼板，拆除后的平面布置如图1所示。

图1 平面布置

2 体外预应力加固技术应用

2.1 加固结构

每层抽除6根框架柱，东西向框架梁、楼盖跨度由8m增至32m，南北向框架梁、楼盖跨度由8m增至23m，为减小大跨度混凝土构件挠度及裂缝宽度，采用体外预应力加固技术将原结构改为型钢-混凝土组合结构+体外预应力结构(预应力钢桁架梁)，如图2所示，预应力筋采用14根抗拉强度标准值为1 860N/mm2的φs15.2低松弛预应力钢绞线。

图2 加固结构

2.2 承载力计算

附加恒荷载2.5kN/m2，活荷载0.5kN/m2(不上人屋面)。采用PKPM软件进行内力计算，计算得到附加恒荷载作用下预应力钢桁架梁跨中最大弯矩为1 400kN·m，跨中最大剪力为666kN；活荷载作用下跨中最大弯矩为80kN·m，跨中最大剪力为37.7kN；荷载标准组合下跨中最大弯矩为1 480kN·m，跨中最大剪力为703.7kN；荷载基本组合下跨中最大弯矩为1 969kN·m，跨中最大剪力为936kN，按JGJ/T 279—2012《建筑结构体外预应力加固技术规程》[4]的规定，预应力增量取为50N/mm2，计算得到张拉控制应力为1 209N/mm2，张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失为8.5N/mm2，预应力筋摩擦引起的预应力损失为117N/mm2，预应力筋应力松弛引起的预应力损失为22.67N/mm2，体外预应力筋预应力设计值为1 100.83N/mm2。

按新增工字钢为受拉钢筋计算预应力钢桁架梁承载力，工字钢与原混凝土梁通过采取有效的连接措施协同工作，梁截面高度为720mm，宽度为650mm，预应力筋矢高为600mm，工字钢采用Q345B，抗拉强度设计值为305N/mm2。Tan等[5]依托6根体外预应力加固混凝土梁，研究了转向装置、体外预应力筋布置对构件承载力的影响。参照Tan等的研究成果，计算时为忽略体外预应力筋二次效应的影响，将转向装置间距控制为<12m。参照《建筑结构体外预应力加固技术规程》的规定，计算得到受压区高度为513.3mm，正截面受弯承载力为2 533.8kN·m>1 969kN·m，满足要求，斜截面受剪承载力为5 095kN>936kN，满足要求。

2.3 变形计算

采用ABAQUS软件计算预应力钢桁架梁变形，工字钢与原混凝土梁采用刚性连接。计算结果表明，自重、附加恒荷载、活荷载作用下及荷载标准组合下预应力钢桁架梁均下挠，最大挠度分别为55，24，5，62mm，均小于规范要求的l/300=76.7mm(l=23m)，以荷载标准组合为例，预应力钢桁架梁变形云图如图3所示；预应力筋向上反拱，最大反拱量为23mm，小于规范要求的l/300=76.7mm(l=23m)。

图3 荷载标准组合下预应力钢桁架梁变形云图(单位：mm)

2.4 加固流程

杨学中等[6]采用体外预应力技术加固玻璃采光屋面钢梁，刘洪等[7]对大跨度异形钢结构张弦梁预应力张拉技术进行介绍，李栋坤等[8]将无损切割技术应用于改造工程中。借鉴已有研究成果，本工程抽除地上2～4层②～⑥，～轴框架柱，为保证预应力钢桁架梁在框架柱位置连续，需先拆除框架柱，再进行预应力钢桁架梁加固处理。框架柱拆除前，需根据PKPM软件计算当前荷载工况下框架柱轴力，根据框架柱轴力设置支撑，将轴力转移至支撑后，采用静力切割法分段切割框架柱，具备加固施工条件后施工预应力钢桁架梁，预应力钢桁架梁施工完成后可逐渐拆除支撑，观察预应力钢桁架梁变形情况，无异常变形后完全拆除支撑。

2.5 正常使用极限状态荷载检验

依据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[9]有关规定，选取具有代表性的预应力钢桁架梁进行正常使用极限状态荷载检验。采用原位分级加载的方式，加载曲线如图4所示，加载物为钢块，距地面100mm，按照内力等效原则确定点荷载数值及吊点位置，如图5所示。

图4 加载曲线

图5 吊点布置示意

采用3台顶杆式位移计实时监测预应力钢桁架梁跨中和端部变形情况，每级荷载加载结束后，当预应力钢桁架梁变形保持20min无变化时，记录最大跨中挠度并施加下级荷载。此外，在加载试验过程中，实时观察预应力钢桁架梁混凝土、焊接节点有无裂缝或变形等，发现异常立即停止试验。根据试验记录的每级荷载作用下预应力钢桁架梁跨中和端部变形量及GB/T 50784—2013《混凝土结构现场检测技术标准》[10]的规定，计算得到1～8级荷载作用下消除支座沉降影响后的预应力钢桁架梁跨中最大挠度分别为0.16，0.32，0.45，0.54，0.62，0.71，0.75，0.78mm，完全卸载后跨中残余变形0.02mm，可知预应力钢桁架梁在加载过程中基本处于弹性阶段。加载过程中未发现因承载力不足导致的开裂等现象，预应力钢桁架梁处于安全状态。

预应力钢桁架梁跨中变形速率曲线如图6所示，由图6可知，预应力钢桁架梁在第6级荷载作用下进入弹塑性阶段，开始产生塑性变形。

图6 预应力钢桁架梁变形速率曲线

考虑自重及荷载长期作用对挠度的影响，根据《混凝土结构现场检测技术标准》的规定，计算得到修正后的预应力钢桁架梁跨中最大挠度为57.5mm，满足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》[11]的有关要求。

3 结语

抽除6根框架柱后进行体外预应力钢桁架梁加固，采用PKPM，ABAQUS软件对体外预应力钢桁架梁进行承载能力极限状态、正常使用极限状态分析，结果表明，承载力、挠度、裂缝密度均满足规范要求，可知采用体外预应力钢桁架梁的加固方案合理。以计算结果为依据，指导加固施工方案编制，采用先支撑后拆除再进行体外预应力钢桁架梁加固的施工顺序，以满足加固后结构实际受力状态与设计受力状态吻合。加固施工完成后，为保证结构安全，选取具有代表性的预应力钢桁架梁进行正常使用极限状态荷载检验，结果表明，考虑自重及荷载长期作用影响的挠度检验值满足规范要求。

体外预应力加固技术在基本不增加结构自重的情况下，可有效提高结构承载力，减小挠度及裂缝宽度，可应用于抽柱增大使用空间的改造工程中。