体外预应力加固技术

体外预应力加固技术
摘要：体外预应力加固方法是一种人为主动的加固改造和修复技术，首先对体外预应力加固体系的基本构成和加固方法进行了总结和分析研究体外预应力加固受弯构件的计算方法，在总结规范中给出的计算方法的基础上进一步探讨体外预应力筋在加固完成后，在荷载作用下应力增量的计算问题。

关键字：体外预应力、加固、加固效应
Abstract：The technology of structural reinforcement is developing rapidly and begins to takeshape. Firstly，the external prestressing system and strengthening methods axe summarized，the external prestressed strengthening flexural }}}err}bers was studied，a calculation method are summarized in detail，on the basis of externally prestressed tendons are discussed under load stress increment，according to the calculation problem of unbounded prestressed concrete suggestion into consideration of the calculation method.
Keywords：External prestressing；Strengthening；Reinforcement effect
1 绪论
采用体外预应力加固方法对钢筋混凝土梁进行加固时，特别适合于结构负荷增加、使用功能改变，需要提高结构构件的荷载等级情况；特别适合因设计失误、施工错误、材质不符合要求情况；适合因地震、火灾使结构或构件遭到损害，造成的结构承载力下降情况；适合控制梁体裂缝及降低钢筋的疲劳应力幅度情况；适合施工过程中的临时支撑和加固等情况。

目前体外预应力加固技术己广泛运用于房屋、桥梁、隧道和港口码头以及电力电网辅助设施等结构加固工程中，工程实践表明，体外预应力加固技术具有明显的技术优势。

现行《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006 )中列出了粘贴纤维复合材料加固法、加大截面加固法、外加预应力加固法以及粘钢板加固法等方法。

其中体外预应力加固法没有其它加固方法中常见的加固效应滞后的缺陷，是一种有效的主动加固方法。

近年来，我国在既有建筑结构(拔柱、拆墙、减小梁截面高度的改造工程，楼板的加固工程和水池池壁的抗浮加固等)、桥梁结构、隧道和港口码头以及电力电网辅助设施等结构的加固方面，己从多方面展开了研究和探索，并成功的应用于工程加固。

自从上世纪80年代起，体外预应力加固技术开始用于加固工程以来，已应用于数百项实际工程中，取得了良好的加固效果，产生了极好的经济效益和社会效益。

2 体外预应力体系及其加固方法
2.1 引言
在体外预应力加固出现的早期，由于可供选用的材料及机具的限制，由此导致体外预应力体系的构成相对比较简单简单地讲，体外预应力体系在构成上主要包括:转向块筋材锚固点和固定支座等。

筋材中的水平筋大多数情况下由粗钢筋加工制作而成，即在钢筋两端加工出粗制螺纹，配以螺母加以锚固和施加预应力筋材中的斜向布筋大都采用粗钢筋或型钢加工制作而成斜向布筋的下端通过设置在梁底的转向滑块与水平筋连接，上端锚固于梁端顶部或梁端腹板处锚固的位置可根据加固结构或构件的特点及施工现场情况选择:腹板部位锚固梁顶部位锚固梁端部位锚固。

在桥梁结构中，通常还会利用T形梁的横隔板作为竖向支承和水平筋斜筋转折点，此时可在该处设置U型承托，这样可以减少横隔板底部的摩擦力U型承托一般采用钢板弯制而成，并通过环氧砂浆和锚固螺栓加以固定转向块的制作大多数情况下则可由型钢钢铸件混凝土厚钢板等制作而成根据构造形式转向块分为楔形块与水平块转向块所起到的作用与体外预应力桥梁体系中的转向装置相同此外，当水平筋和斜向布筋为非同一型号钢筋时，转向块还具有将其连接为一体的作用。

近年来，体外预应力加固中大都用高强度的钢丝钢绞线钢丝绳或无粘结预应力筋来代替早期的螺纹钢筋，相应的预应力筋的布置形式更为多样化，预应力筋的张拉和锚固效率更高，预应力体系的防护措施也更为完善此外，通过使用钢绞线和高强度钢丝绳，体外预应力加固梁在布筋形式上突破了传统方法只能单跨布
置的局限，与无粘结预应力相似的连续多跨折线布置方式得以实现。

2.2 体外预应力体系构成
体外预应力结构体系，是指对布置于承载结构或构件主体之外的预应力筋施加预应力所形成的预应力结构体系，属于后张预应力结构体系体外预应力体系在设计及施工方面，就材料设备承载能力计算预应力损失和耐久性等方面都具有自身的特点。

体外预应力体系的构成主要包括：
(l)筋材
(2)防护体系；
(3)锚固装置；
(4)转向装置
另外，对于普通的体外预应力体系，当所需施加的预应力较小时，还会设置简易的预应力张拉和调节装置。

图2.1体外预应力体系构成示意
2.3 体外预应力筋及防护体系
体外预应力加固钢材早期主要采用冷拉HRB400级粗钢筋和槽钢制作，目前多采用高强钢丝钢绞线和钢丝绳等预应力筋材由于缺乏混凝土保护层，体外预应力筋的外层通常需要进行专门的防腐处理目前，防护体系主要有预应力筋束本身防腐层护套管及灌浆料锚固段防腐三部分组成。

钢绞线外通常有起防腐作用的HDPE套管作为外护套，在锚固块和转向块处，因受力复杂且受力较大多采用钢套管作为外护套根据环境对防腐与防护能力的要求，也可以在外护套与钢绞线之间通过灌浆加以防护在体外预应力加固工程中应用较多的是采用成品的单根无粘结钢绞线，无粘结钢绞线有PE护套并内充油脂，可不再套管道而单独使用，并能取得良好的防腐效果。

体外预应力结构对预应力筋材料的要求主要包括以下3个方面：
(l)高强度及低松弛
预应力混凝土结构在施工及使用过程中将会出现各种预应力损失，因此，只有采用高强度及低松弛材料才有可能建立较高的有效预应力预应力筋中有效预应力的大小取决于预应力筋张拉控制应力值的大小，而控制应力又决定于预应力筋的极限抗拉强度。

(2)优良的塑性和使用性能
预应力结构的抗震设计要能够保证实现结构或构件的延性破坏，并要保证在施工中预应力筋能够满足弯曲和转向要求，这就要求预应力筋材要具有足够的塑
性，即预应力筋必须具有一定伸长率和优良的弯折性能
(3)可靠的耐久性能
较之普通低强度钢材，预应力钢材腐蚀的程度要严重得多，这主要是由于强度等级高的钢材对腐蚀更灵敏以及预应力筋的直径相对较小导致的因此，预应力筋材更要具可靠的耐久性。

2.3 体外预应力锚固装置
采用体外预应力法加固构件时，体外预应力要通过张拉或顶撑才能导入到预应力筋中，而预应力要实现长期有效，则必须把预应力锁定在体外筋中，这也就需要在梁上设置锚固装置根据设计及施工方便的需要，锚固装置可在梁端进行锚固和腹板进行锚固，并采取不同的相应构造措施锚固时一般需在梁体上打孔穿筋或螺栓，这时应避开梁受力较大和钢筋密集的区域，并采取合理的构造措施以减小锚后应力的影响。

预应力筋采用什么样的锚固形式，应根据结构或构件的实际情况加以处理，例如被加固的是端部有间隙的简支梁，可以在端部设置钢围套，预应力筋一方面可以直接焊接在钢围套两侧；另一方面也可在钢围套的侧面再焊接预留孔角钢，以供预应力筋材穿入后再通过螺帽锚固并预紧而对于薄腹梁或截面宽度较小的梁，则可以在梁腹部打眼，然后穿入高强螺栓以夹紧固定两侧的钢板，形成高强螺栓摩擦一粘结锚固；对于梁端有柱子的框架梁，则可以在柱端设置钢围套，连续梁可在梁端设置钢围套。

从目前的建筑结构加固来看，采用体外预应力技术多用于楼盖梁的加固，而在楼板的加固方面较少涉及到混凝土楼板的加固多采用钢筋网片一聚合物砂浆加固法或钢绞线网片一聚合物砂浆加固法由于存在应力滞后效应，后加的钢筋网片和钢绞线网片发挥的作用较小因此本文这里提出一种体外预应力加固板的方法:预应力钢丝绳加固方法该方法的锚固装置采用钢板配合聚合物砂浆进行端部锚固。

预应力筋锚固示意
2.4 转向装置
转向装置一般采用较为简单的转向块，转向块是构件与体外预应力筋在构件中部相联系的构造转向块的作用是为预应力筋提供牢靠的转向支承，并以能够在尽可能小的摩擦力情况下使筋材顺利转向并传递有效预应力，转向块在设计时要考虑以下三个方面的因素:最小曲率半径R，转向装置是否可作为不动点，应避免产生锐角使预应力筋受转向块根据需要有多种形式大致可分成三类:钢管或HDPE管或两者组合；槽钢钢板和钢管(或粗钢筋)根据工程实际情况焊接而成；带弹性垫层及滑动部件的转向装置，转向块与构件联成整体。

转向节点
2.5 体外预应力加固方法
2.5.1 预应力筋的布置形式
对于需要加固的钢筋混凝土简支梁等受弯构件，常在梁(板)底或梁侧边增设预应力钢绞线钢丝绳或预应力粗钢筋补强，并分别锚固在梁的两端，通常，预应
力筋的布置方式：
对于折线式可以用于连续受弯构件的加固(这种加固方式既可以提高正截面抗弯承载能力，还可以增强斜截面受剪承载力，另外从施工工艺的角度来看，连续布置可以节省锚具，可以实现一次连续张拉，节约工期，但此时体外预应力的损失较大。

折线式布筋
连续折线布筋
当然，体外预应力筋加固的布筋形式不仅限于以上方法，考虑到实际建筑结构固时，现场环境一般较为复杂，很多情况下要照顾到原来建筑管线设备等，此时就要对通常的预应力筋布置方式进行调整。

另外从结构受力的角度考虑，预应力筋的集中布置对结构也存在着不利的方面，比如锚点和转向点处都会出现比较大的集中力，一次张拉时需要比较大的张拉力，对设备和张拉空间要求比较高等。

2.5.2 本外预应力筋的张拉
常用的张拉方法有以下几种:
(l)千斤顶张拉法
这是一种用千斤顶在预应力筋的顶端进行张拉并锚固的方法通常用于钢绞线夹片锚和粗螺纹钢筋的张拉其张拉预应力的工艺如图2.3.2.1所示千斤顶张拉法一般用于需要较大预应力情况的加固施工，在大型桥梁结构加固中应用较多。

千斤顶张拉法
(2)横向收紧张拉法
这是一种横向张拉预应力的方法即在加固筋两端被锚固的情况下，利用扳手和螺栓等简易工具，迫使加固筋由直线变曲产生拉伸应变，从而在加固筋中建立预应力其张拉预应力的工艺如图2.3.2.2所示横向收紧张拉法具有操作简便，易于施工的特点该方法在建筑房屋加固中应用最为广泛。

(3)竖向顶撑张拉法
该类方法又分为人工拧紧螺母竖向顶撑张拉法和千斤顶竖向顶撑张拉法两种，竖向顶撑张拉法工艺简单，一般不需要专门的张拉设备及机具。

应该指出的是以上三种施加预应力方法多用于混凝土梁受弯承载力加固，对于混凝土楼板受弯承载力及刚度的加固应用则不多见，由于混凝土板的加固面积一般比较大，且相对于梁其横截面面外刚度较小因此结合混凝土板的加固特点，本文提出了一种体外预应力筋交叉自平衡张拉法，该方法适用于张拉力不大，体外预应力筋根数较多且截面较小。

3 结语
从体外预应力体系的构成和加固方法来看，与梁底增焊或粘贴钢筋或钢板的加固方法相比，其不需清凿混凝土保护层，因此对梁体待损伤程度很小，加固施工工艺方便可以节约工期，对建筑物的正常使用影响小，能恢复或提高混凝土梁的荷载等级，经济效果较为明显。

另外，体外预应力用于建筑房屋结构的加固不仅可以加固梁(受弯构件)，而且用于楼板的加固也是可行的；同时采用该方法进行建筑结构加固不应拘泥于传统的体外筋布置及预应力施加方法，而应该具体问
题具体分析，综合考虑可操作性和经济性，遵循适用的就是最好的原则加以处理。

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