预应力加固技术在某改造工程中的应用*
曹霞，严深，金凌志’，钟翔”，邓宁²（1.桂承理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004；2.广西建筑科掌研究设计院，广西南宁530005）
[摘要]某高校体育馆依据新的使用要求，需将原建筑物第3层的部分桂拆除.对结构的分析和计算表明，新生成 的荷载已超出原结构的允许承裁力.通过方案比选，使用预应力技术对原框架梁进行主动受力加固，此种加固法既能增加构件的抗弯强度，又能提高构件的刚度并减少其挑度值.若对框架柱采取扩大截面加固法，则增加了框架柱的截面及配筋.整个加调设计中着重考虑节点的构造措施，确保新老结构能共同工作，以提高结构的综合承载力，使得在改查加固后建筑物的整体抗震能力不降低.施工方案设计中采取先加固后拆除的工作流程，无需设 置大型的支撑结构，具有经济效益好、施工速度快、安全度高等优点.
[关键调]改造工程；加固：预应力：施工技术
[中图分类号】TU746.3 【文献标识码】A
[文章编号】1002-8498（2013)09-0070-04
Application ofPrestressingStrengtheningTechnology in a Reconstruction Project
Cao Xia' Yan Chen' Jin Lingzhi' Zhong Xiang'. Deng Ning”( 1. Guangxi Key Laboratry of Geomechanics and Getechical Enginering Gailin Uniserily af Technology Guilis Gosngxi S41004 China; 2. Bailding Scirnce Resurch and Design lautirte in Guangxi Nanning Guengxi 530o05 Chine)
be removed according to the new function requirements. Structure analysis showed that the new load has Abstract; During the renovation of a college gymnasium some of the columns on the third floor need toexceeded the lad earing capacity of the original stucture.Afterscheme parisn it was decided tstrengthen the original frame beam using pre-stressing technology becaase this strengthening could notbeam defectien. The columns were strengthened by enlarging the cros-section and ad extra only enhance the bending resistance of the member but also increase the fexural stiffness and reduce thereinforcements. Special altentioes were paid to the connection details to ensure that the old and newstructures can work together to provide an enhanced overall resistance and to maintain the seismicresistance level of the building. During the constnuction the strengthening was applied before removal ofthe columns so thal there is no need to set up temporary suppon. The constraetion techology had theadvantages of low cost fast construetion high security etc.
Key words ;reconstruetion; strengthening; prestress; construction
分荷载由梁传递给相邻柱，因此必须对原有梁、柱进行加固.对于基础来说薪增加的荷载附加值并
1工程概况
某高校体育馆于2003年建成投入使用，原设计进行改造.改造部位需拆除原结构第3层的4根框其满足设计要求，无需加固处理.改造前后轴副架柱，从而形或较为开商的空间，可作为多功能厅、面如图1所示.
会议厅等功能使用.框架柱拆除后，屋面结构的部2结构改造加固方案的确定
标准点，并做标记取初始值，然后从结构3层开始架 1）方案1：增大梁柱截面加固法先选取监测设大型结构支撑，直至屋面结构的梁底，利用液压
面的问题.
3.2预应力梁的计算分析
采用中国建筑科学研究院缩制的PK框排架计算机辅助设计软件，对单框框支结构进行分析，同时为确保结构计算的准确性，又采用SAP2000有限 元结构计算软件对单福框支结构进行校核，并结合整体计算结果进行结构分析和配筋设计.预应力梁计算按照荷载平衡法，预应力筋的数量确定主要考虑对梁施加预应力后，能够平衡原中柱所承受的荷载，其中预应力筋的布置采用抛物线形式.计算 过程中仅考虑新加的结构，同时忽略原有结构的作用.选取第输为计算单元，定义跨中为控制截面，进行配筋计算及强度和刚度验算.
图1改造前后结构剖面Fig. 1 Structure profle before andafter reconstruction
千斤顶对主要梁进行顶紧支撑.检查确认安全后破除柱，并监测、回顶，最后穿钢筋、连接钢筋、支 模、浇筑混凝土.在达到混凝土龄期后拆模，并逐步拆除支撑.采用这种方案需设置较多的垂直支撑，施工工程量较大.最为重要的是该方案是一种被动式受力方案，只有在原结构产生一定变形的情况下才能起作用.且新梁与旧梁的刚度不同，新旧 梁交界面连接是否牢靠，都会影响加固效果.
本工程弯矩值M=3618.54kNm，假定b×h=400mm×1400mm，依据计算结果预应力筋选配 14$15.2，4 =1946mm².跨中非预应力筋选配8业20.A，=2513mm².支座处不作为控制截面，经计算上部非预应力钢筋可按照构造配筋，结果为4业20，A=1256mm².裂缝宽度验算中求得w=0.032mm<0.2mm，满足规范要求. 2）方案2：预应力加固技术由于加固梁处于屋面层，可将预应力梁设置在屋面层标高上.通过张拉预应力筋产生等效荷载，从而抵消拆除中柱后增加的弯矩值.此种方法传力路径明确，是一种主 动式受力方案，梁的挠度及裂缝宽度都较易控制.施工中采取先对原结构进行加固，通过对预应力筋进行分批张拉，将结构荷载缓慢传递给预应力梁，然后拆除柱. 构件的挠度（考虑预压应力长期作用的影响，将预应力反拱值乘以增大系数2.0）f=37.26mm=54mm，同样能够满足要求.300 3.3预应力筋布置形式 预应力梁与原梁柱的传力受锚固长度、锚固类型等制约因素的影响，连接刚度并不大，特别是对于顶层柱，预应力筋靠近顶边缘布置对柱顶端截面受弯不利，易造成更大的偏心压弯状态，因此在施 加预应力后梁的两端部不易产生较大的次弯矩.基于以上考虑，预应力钢筋在端部作用点的偏心距不应过大，上下预埋的2个孔洞宜接近或处于毛截面重心处，达到缩小端弯矩M，的目的.经由计算M，=363.87kNm，端部的预埋件承载力可按照M. 值来设计计算.依据上文计算结果，预应力梁采用C40混凝土，预应力筋共使用14根低松弛15.2mm钢绞线，布置线形采用抛物线，上下预设2个孔洞，每个孔洞均放置1束7根钢绞线，如图2所示.预应力能锚具采用QM15-16型（标准4件 套），并配套使用直径为90mm镀锌波纹管.孔通灌浆料采用42.5级普通硅酸盐水泥配制的水泥浆，添加缓凝减水剂、微膨胀剂，其抗压强度≥30MPa. 艺简单，无需设置大型的支撑结构，具有造价低、经 综合对比分析2种方案后得出：方案2施工工济效益好等优点，因此确定采取方案2进行加固改造. 3框架梁抗震加固设计 3.1预应力梁概况 工程原结构概架梁截面尺寸为300mmx700mm，板厚为100mm，梁板混凝土强度等级为C40.去除中柱后梁承载力不能满足要求.与设计方协商后，在屋面层加设预应力梁对原梁加固，预应力梁的尺寸拟定为400mm×1400mm，混凝土强 度等级为C40.预应力筋采用低松弛15.2钢纹线，每根钢绞线截面面积为A=139mm，设计值f=1320N/mm²，非预应力纵向钢筋采用HRB335级的计算跨度取两端柱的中心线距离16200mm.由预应力梁加固法相对于体外预应力加固法具 于本工程是改造加固工程，预应力筋的布置和施工有防腐蚀、防火性能好及维护成本低等优点，但这受到很大限制，在设计和施工时应该着重考虑此方种方法在传递预应力时并不直接，因此传力方案的 钢筋，推筋及吊筋采用HPB335级钢筋.预应力梁3.4预应力梁传力方法设计 部承压计算.依据计算结果应在梁的端部横向及纵向设置6排业14@100的钢筋网片，减小应力集中对梁的不利影响，如图5所示. 成功与否是本加固工程的重点.施工时将原梁两 侧的上部板面按图3所示进行凿除，当遇到板筋时不得切断，减小对原结构的损伤.在预应力梁与原梁交接处布设业16@100吊筋，安装时应凿除原梁的混凝土保护层，露出底筋和箍筋，且吊筋应与原梁的底筋以及筋进行点焊固定，增加传力点的强 度，如图4所示.施工顺序为：先装吊筋后扎预应力梁的钢筋笼，然后布设预应力筋配件、预埋件，最后用压缩空气吹净交界面的尘渣后，方可进行浇捣混凝土. 4框架柱抗震加固设计 原主体结构的框架柱截面为400mmx500mm，配筋为4208壹18.拆除中柱后，两侧框架柱的承载 力不能满足设计要求，应进行加固补强，补强采用增大截面加固法.为了不破坏外立面的美观，仅将原柱三面各加60mm厚钢筋混凝土，室外一侧不作处理；补强后的柱截面尺寸为520mm×560mm.为了保证新旧混凝土能共同工作，采取如下措施. 3.5预应力梁锚固端设计 1）柱加固施工措施为了使新旧混凝土结合紧密，将要加固的混凝土柱表面凿毛，剔除表面的松散浮渣，用钢丝刷反复清洗其表面，使60%以上的新鲜石子外露为宜，浇筑混凝土之前先将原柱表面清洗后刷一层纯水泥素浆处理结合面.为了保 证施工质量，将其分段进行，分段长度为2.0m，2次 为避免在施加预应力后，梁间产生较大的屈曲和滑移，预应力梁与柱端也应有可靠连接.施工时先对相关柱头进行钻孔，然后按实际的孔位尺寸制作预理件，最后采用化学植筋法进行预理件的安装.此外由于本工程设计预应力筋数量较多，每束 预应力筋在错固点所产生的集中应力大，需进行局 图2预应力线形布置 Fig. 2 Linear layout of prestressed reinforcement 图3板凿除部位平面 Fig. 3 Slab chiselling plan Flg. 4Layout of hanging prestressed reinforcement 图4预应力梁吊布置 Fig. 5 Embedded parts and stretching end 图5预理件及张拉端大样 浇筑时间间隔为2d.采用C40微影胀干硬性混凝土人工搞实. 2)框架柱钢筋设置根据SATWE的计算结果，柱每侧需设5业20，考虑到增加截面尺寸后，加大一侧的原柱中纵筋计算高度减小，其作用下降较 多，因此不考虑原柱中的钢筋作用，将其作为强度储备，用新配置的钢筋承担柱的弯矩和剪力.柱室外一侧，由于未增加混凝土层，原柱中的钢筋可充分发挥作用，在柱配筋时，应计人其配筋量.按照求，柱纵筋每间隔一根钢筋应有拉筋，因此需在原 《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006的要柱中设拉筋，拉筋采用植筋的方法设置，施工中对原柱按图纸设计要求进行打孔，洗净后注人植筋胶，将拉筋压人孔内，再进行后续工作. 高柱的承载力，降低长细比，加强刚度.此柱为偏 此种加固法增加了柱的截面和配筋量，可以提心受压，加固后的柱可按整体截面以《混凝土结构设计规范》CB50010-2010中的公式进行正截面承载力计算，考虑新增钢筋和混凝土的应力应变滞后筋的抗压强度设计值和受拉区新增纵向钢筋的抗 于原柱的应力应变，为此受压区新增混凝土纵向钢拉强度设计值应乘以0.9的折减系数.将柱截面尺寸加大到520mm×560mm，经由计算复核达到设计要求.柱新增纵向钢筋上下均贯通全柱，整体性良好，其加固断面如图6所示. 图6柱加固断面Fig.6Column strengthening section 5中柱拆除施工设计 6结语 参考文献： 如何利用预应力将中柱的荷载缓慢有效地传递给新加固的边柱，避免影响上部结构安全，是拆除工作中重点考虑的问题.经过论证，结合拆除模拟计算结果，最终确定预应力筋分批张拉、中柱逐拆除过程中，中柱对预应力卸载应力卸载作用的影 步拆除的方法.分批张拉的目的主要是克服中柱响.中柱拆除的过程如下：在原梁底设置垂直支撑，进行两端对称分批张拉，当张拉预应力筋达到设计值的50%后，开始在原框架梁底500mm处凿除柱身混凝土，然后切割柱纵向主筋.待结构变形 稳定后，继续进行预应力筋张拉，至设计值的100%后凿除原框架柱.整个过程应对柱周围处的梁底进行垂直方向位移测试，并依据测试值来调整张拉应力的大小，使张拉反拱值控制在设计范围内，确荷7d，待预应力梁完成大部分收缩变形后，再观测 保建筑物施工和使用安全.预应力筋张拉完毕，持反拱值，如果变化趋于稳定，方可焊接梁端预埋件，最后灌浆、封头. 的应用进行了探讨，分析了预应力加固法的特点及 主要对预应力加固法在托梁拆柱改造工程中优势；对预应力加固法的计算步骤及考虑事项进行了总结；并对预应力加固法应注意的问题进行补充；最后对施工流程提出了优化方案.通过工程实这种方法有着广泛的推广价值，在结构加固与改造 例较为详细地展示了采用预应力技术的加固过程.工程中发挥着越来越重要的作用.该楼投人使用至今，经现场多次察看，加固的钢筋混凝土梁未出现裂缝和其他异常情况，加固改造效果良好，满足设计和使用要求. [1]黄兴，建筑物鉴定加固与增层改查[M].北京：中国建筑工[2]中国建筑科学研究院，CB50010-2010混凝土结构设计规范 业出版社，2009.[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.[3]中国建筑科学研究院.JC92-2004无粘结预应力混发土结 构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.[4]唐业，建筑物改造与病害处理[M].北京：中国建筑工业出[5]学玉.体外预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版 版社，2003.社，2005.[6]李是光，体外预应力结构技术与工程应用[M].北京：中国建 筑工业出版社，2008.[7]四川省建筑科学研究院，GB50367-2006混凝土结构加图设[8]曹霞，谢且，金凌志，桂林市某派出所办公楼加固改造浅析 计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.[J] .工业建筑 2012 42(4) ：143-146.
