摘 要:体外预应力技术是加固既有钢筋混凝土梁最有效的方法之一。体外预应力加固既有钢筋混凝土梁,加固概念明确,加固效果明显。该文主要阐述体外预应力加固的概念、加固机理、计算方法及设计建议。
关键词:钢筋混凝土梁;体外预应力;加固
体外预应力是后张法无粘结预应力体系的一种,是将预应力钢筋布置于梁体之外的一种结构形式。其力学原理与无粘结预应力基本相同,两者区别主要在于体外预应力钢筋与结构一般不直接接触而是通过锚具和转向块作用于结构上,一般的布筋形式有折线型或直线型[1]。目前,该技术广泛应用于各种结构工程及对既有结构的加固中[2]。利用体外预应力加固钢筋混凝土简支梁有很多优点。
1 加固机理
体外预应力加固钢筋混凝土简支梁时,体外力筋的线形多设计为折线形,梁中间部分布置在腹板两侧靠近梁底,在距梁端一定距离处向上弯起,形成一个由被加固构件和下撑式拉索组成的复合超静定结构体系[3]。加固对原结构增加了一次超静定约束。无粘结预应力钢绞线加固梁的机理是对原梁施加了一组自平衡力系,这一自平衡力系在原梁中产生了与外荷载内力相反的内力,抵消了部分外荷载,改变了原构件截面内力特征,从而提高了构件的承载能力[4]。
2 体外预应力加固梁计算方法
(1)抵抗弯矩及剪力计算。在这一复合超静定体系中,预应力下撑式拉索对原结构产生了反向荷载作用,抵消了部分外荷载作用,即被加固构件除了受到外荷载作用效应外,还受到拉索反向荷载产生的附加效应,原构件由受弯构件转化为偏心受压构件。被加固构件的受力可按结构力学方法分析,拉索和支承处的摩擦忽略不计,按图1根据静力平衡条件可求出被加固构件各截面附加内力效应。
图1 加固后附加内力计算简图
锚固点至下撑点之间附加内力效应为
nt= tcosα(1)
mt= h1tcosα-xtsinα(2)
vt= tsinα(3)
下撑点之间附加内力效应为
nt= t (4)
mt= h2t (5)
vt=0(6)
其中,t为预应力筋总有效拉力;α为预应力筋弯起角度;h1、h2分别为预应力筋锚固点、下撑点至梁中和轴的距离;mt、vt、nt为加固预应力在被加固梁中引起的附加弯矩、剪力及轴力。图2为被加固梁由加固预应力作用引起的附加弯矩mt、附加剪力vt和由外荷载引起的荷载弯矩mq、荷载剪力vq图。
(2)加固后梁截面内力,即
m = mq+mt(7)
v = vq+vt(8)
n = nt(9)
其中,m、v、n为加固后梁弯矩、剪力和轴力。
图2 拉索和外荷载引起的内力效应
(3)预应力筋面积的确定。体外预应力筋面积的确定,可由梁危险截面(通常是跨中截面)的抗弯强度确定。具体方法是[5]:①验算加固前梁承载能力。②确定加固后要达到的承载能力,找出二者的差值。③假设此差值完全由体外索承担(偏于安全),初步确定力筋的有效预应力和力筋偏距,然后预估体外力筋的面积。④根据抗剪强度和构造的要求确定体外力筋转向块和锚固点的位置。⑤根据初步确定的体外力筋面积及有效预应力大小按上述方法计算加固后梁截面内力,进而进行加固后梁截面承载力验算。
(4)截面承载力计算。正截面承载力可按文献
[6]计算;斜截面抗剪承载力计算应考虑截面压力对抗剪承载力的有利影响,即
v < vu0+0.05nt
当nt>0.3fca0时,取nt=0.3fca0,a0为构件的换算截面面积。
3 体外预应力加固梁设计建议
(1)建议在跨中增设转向块(支点)。加固梁最终破坏,一般是由于跨中位置裂缝和挠度太大导致上部混凝土压碎引起的。增设转向块虽不能起转向的作用,但可使体外约束的变形与结构变形相一致,相应减小跨中挠度,并减小由于体外预应力束相对位置上移、偏心矩变化对加固梁的影响。
(2)处于高预应力区的锚固区和转向块的设计应特别注意。由于锚固区和转向块位置的局部应力较大,一旦破坏即导致预应力钢筋松弛,应力水平明显下降,会影响加固效果。转向块应根据体外束产生的垂直分力和水平分力进行设计,并应考虑转向块处的集中力对原结构混凝土产生开裂或剥落的影响。
(3)体外预应力筋由混凝土收缩、徐变及摩擦等引起的预应力损失,比普通预应力混凝土梁预应力筋要小;此外,结构濒临破坏时,体外预应力筋的应力增量很大。因此,体外索的张拉控制应力应适当降低,以避免预应力筋长期处于高应力状态以及结构的突然脆性破坏。体外预应力筋的张拉控制应力σcon不宜超过0.6fptk,但为了充分发挥体外预应力筋的强度,σcon也不应小于0.4fptk;当要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉等因素产生的预应力损失时,上述张拉控制应力限值可提高0.05fptk。
(4)为避免发生突然脆性的失效和节约材料,体外预应力筋截面不宜选得太大。体外预应力筋的数量增加到一定程度后,再增加预应力筋的数量不会提高结构的极限承载力,此时增设的钢筋仅能改变加固梁的破坏形态(从弯曲破坏的形态变为上部混凝土受压区压碎的脆性破坏形态)。
(5)体外预应力钢筋直接暴露在外,预应力筋补强设计时应考虑能够进行体外预应力筋的检查和检测,同时应考虑在特殊情况下锚具更换或预应力筋松锚重新张拉的需要。
4 结束语
体外预应力技术是加固既有钢筋混凝土梁最有效的方法之一。体外预应力加固既有钢筋混凝土梁,加固概念明确,加固效果明显。利用体外预应力对既有混凝土梁进行加固,可以从根本上提高梁的弯曲性能,能较大程度地恢复梁的挠度、提高梁的抗弯强度及抗剪强度。体外预应力技术在结构加固与改造工程中正发挥越来越重要的作用,是一种值得推广的结构加固技术。
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