体外预应力结构设计研究

・综　述・

体外预应力结构设计研究

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熊学玉　顾　炜

(同济大学预应力研究所　上海　200092)

雷丽英

(建设部标准定额研究所　北京　100835)

摘　要:阐述了体外预应力结构的概念与特性;系统地论述了体外预应力结构设计中应考虑的问题,包括预应力筋线型布置,正常使用和承载力极限状态下的内力分析,预应力损失计算方法,转向块和局部承压区设计,以及耐久性、抗火等问题。

关键词:体外预应力　结构加固　预应力损失　转向块　耐久性

A SYSTEMATICA L STU DY ON THE DESIGN OF EXTERNA LLY PRESTRESSE D STRUCTURE

X iong Xueyu G u Wei

(Research Institute of Prestress ,T ongji University Shanghai 200092)

Lei Liying

(Research Institute of S tandards &N orms of C onstruction P.R.China Beijing 100835)

Abstract :The concept and features of externally prestressed concrete structure are expounded.The design method of externally prestressed structure are systematically illuminated ,including the tendon profiles ,analysis of internal force at both the serviceability and ultimate state ,the evaluation of prestressing loss ,the design of deviator and local bearing capacity.Durability and fire resistance problem are als o considered.By doing the above w ork ,a foundation is laid for this new structure to be popularized and applied in our country.

K eyw ords :external prestressing structure rehabilitation prestressing loss deviator durability

3建设部《建筑结构体外预应力加固技术规程》规范编制的研究项目。第一作者:熊学玉　男　1962年8月出生　副教授　博士　副所长收稿日期:2004-04-22

0　前　言

体外预应力作为后张预应力体系的重要分支之

一,近年来成为预应力技术的热点。体外预应力是指预应力筋布置于混凝土截面以外的预应力,与之相对的即为传统的预应力筋布置于构件截面内的有粘结或无粘结预应力。

体外预应力与有粘结预应力和无粘结预应力在受力特性上的本质差别在于预应力筋和混凝土构件之间的协调工作程度不同,体外预应力结构只在端部锚固和转向块处与混凝土有相同的位移,力筋与混凝土变形非协调现象在极限承载力状态下表现明显,会引起显著的二次效应。体外预应力与有粘结和无粘结预应力在其他方面的差别,如摩阻损失较小、力筋内沿长度方向应力变化幅值小等,都是由此一本质差别衍生而来。

体外预应力相对于传统预应力体系有很多优点。首先,由于预应力筋布置在构件截面以外,预应力筋套管的布置、调整容易并简化了后张法操作,从而大大缩短了施工时间,对工程经济效益有积极影响。其次,除端部锚固区和转向块外,力筋与结构无

接触,减少了预应力摩擦损失,当混凝土受拉出现裂缝时也不会影响预应力筋的防护。第三,体外预应力筋的预应力对混凝土构件而言可以明确为外部作用,构件内部不考虑力筋布设,设计、计算、构造和施工可按普通混凝土构件要求进行,从而有效减小截面尺寸,并保证混凝土部分施工质量。第四,由于预应力筋设在混凝土截面外,施工阶段的灌浆和修补均容易进行,结构服役期内便于检查灌浆质量和预应力筋锈蚀状况,当体外预应力筋腐蚀严重时易于割断更换。

此外,体外预应力用于加固可提高构件的抗弯甚至抗剪能力,是一种主动加固方式。

然而,体外预应力混凝土结构亦有其自身的缺陷,主要有:1)体外预应力筋无混凝土保护易遭火灾,并要限制自由长度以控制振动;2)转向和锚固装置因承受着巨大的纵、横向力而特别笨重;3)对于体外预应力结构,锚固失效则意味着预应力的丧失,所

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Industrial C onstruction V ol 134,N o 17,2004

工业建筑　2004年第34卷第7期

以锚具防腐要求高;4)承载极限状态下体外预应力结构的抗弯能力小于有粘结和无粘结预应力结构,在开裂荷载和极限荷载的作用下,应力不能仅按最不利截面来估算;5)体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预兆的失效。1　线型布置

在新建桥梁结构方面,大都采用箱形梁室内布设体外力筋的方式,力筋的张拉和锚固均在端部进行。力筋往往在靠近梁壁一侧作单一平面的布置,少有空间布置的方式。

既有建筑和桥梁采用体外预应力加固,加固梁的预应力筋总是置于梁体之外,张拉和锚固也在梁外进行。悬臂梁的破坏形态往往是在固定端处由于梁的抗剪承载力不足,在外荷载的作用下沿斜截面剪切破坏。因此用体外预应力加固时,可以采用在梁侧布置倾斜直线筋的方式;如果是因为受拉钢筋布置量不足,钢筋屈服破坏,宜采用在悬臂梁固定端上部布置直线筋的方式,可以通长布置,也可以仅在近柱一侧局部布置。两种方法必要时可以联合使用。

简支梁和框架中的两端固定梁在选择体外预应力筋线型时需要考虑建筑的实际用途,采用直线型或相应的折线型布置;固端梁支座处的负弯矩在有些情况下会相当大,可以采用布置单根筋连续双折线的形式同时对正、负弯矩区段进行加固,也可以分别在正、负弯矩区段的混凝土受拉部分布设直线型力筋(图1)。连续和局部布置方式各有优缺点:连续布置方式施工时需要设转向装置,在转向处会产生较大的摩擦损失,但只需在力筋端部一次张拉就能完成全梁正、负弯矩区段的正截面和斜截面的补强;多段直线型的布置方式更为灵活,不会产生由于力筋弯折造成的摩擦损失,

但需要在多处张拉锚固。

a -直线型力筋;

b -双折线型力筋;

c -单折点力筋;

d -分段局部布置力筋;

e -连续双折线型力筋

图1　简支梁和固端梁体外预应力筋布置方式

除了将力筋对称布置在加固梁两侧的方式之

外,力筋也可以穿过梁底。过梁底的预应力筋不仅可以平行布置,也可以交叉布置或成折线布置,从而形成力筋的空间布置(图2)。除了起到限制预应力筋横向位移的作用外,还能限制力筋的自由长度,进

而控制其自振频率,避开混凝土梁的固有频率

。

图2　力筋的空间布置

对于在梁跨中部进行横向收紧和竖向张拉的方法以建立预应力的工程,力筋的空间布置形式直接

关系到张拉控制量的计算,显得尤为重要。用横向收紧法建立预应力时,力筋在梁底用收紧螺丝和撑杆构成折线型;竖向收紧张拉法则依靠顶撑螺栓和固定钢板。

在多跨连续梁中,可以采用与布置张拉曲线型体内预应力筋类似的双向张拉多段折线连续布设的方式(图3a )。为减小摩阻力,在各转折点处布置半圆钢垫板;预应力筋的张拉锚固应采用顶压装置,减小锚具内夹片的回缩量;当连续跨数过多时应分段张拉,以避免连续转折点过多引起的预应力损失过大(图3b )。在不等跨预应力混凝土框架体系中,梁中预应力筋的布置与等跨梁相比有较大的不同,当两跨跨度相差较大的时候,短跨跨中弯矩值可能为负(图3c )

。

图3　连续梁体外预应力筋布置形式

2　内力分析

211　正常使用阶段的弹性分析

在新建结构或既有结构加固工程中,体外预应

力应用的对象既有静定结构,同时也有大量的超静定结构。预应力超静定结构在施加预加力以后,预

加应力使构件产生的变形受到冗余支承的约束,从而产生次内力。目前工程界广泛采用的荷载平衡法是由林同炎教授于1963年在美国著文提出的,该法大大简化了超静定预应力结构的分析和设计计算。体外预应力结构的弹性分析也可以用该方法完成。但是当预应力筋线型布置较复杂或梁截面沿梁长方向几何特性变化较复杂时,其中等效荷载的计算甚

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