体外预应力加固梁的受力性能分析

体外预应力加固梁的受力性能分析
体外预应力多应用于桥梁和建筑结构以及结构加固补强之中。

本文对体外预应力加固混凝土梁的研究概况及加固机理进行了阐述，为以后的加固设计提供理论参考。

标签：体外预应力；加固机理；等效荷载
现行《混凝土结构加固技术规范》（CECS 2590）中列出了加大截面加固法、外包钢加固法、改变结构传力途径加固法、外部粘钢加固法、预应力加固法等多种结构加固方法。

其中体外预应力加固法已愈来愈受到人们的关注，它克服了采用其他方法加固时加固材料中普遍存在的应力效应滞后的缺陷，保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作，是一种有效的主动加固方法。

工程实践表明：采用体外预应力法加固桥梁和房屋结构，不仅能提高其承载力，还可以减小挠度和裂缝宽度，提高结构的弹性恢复能力，并且具有施工简便、不占用空间等特点[1]。

1、体外预应力加固梁研究概况
体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。

传统的后张预应力结构中，预应力筋总是埋放布置在混凝土截面之内，而体外预应力混凝土结构是将预应力筋布置于混凝土截面以外施加预应力的一种结构体系。

我国于1996年10月首次采用体外预应力技术对一孔跨度为27.7m的预应力混凝土梁进行了加固[2]。

90年前后，东南大学以吕志涛为首的课题组，运用试验方法对体外预应力加固梁进行了研究，通过梁的正截面抗弯加固、梁的抗剪加固的试验研究和分析计算，对预应力加固梁进行了较为系统的研究，提出了预应力加固的设计计算方法[3]。

1991年，杜世生、叶见曙、赖国麟等[4]提出了体外预应力加固钢筋混凝土简支梁的抗弯极限强度的计算方法。

1999年北京建筑工程技术研究中心刘航[5]等人做了“体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究”。

其结论是钢筋混凝土框架结构采用按其弯矩图布置的折线体外预应力筋进行加固时，在正常使用极限状态下，可以显著减小梁的跨中挠度和裂缝宽度；在承载力极限状态下，可以显著提高原结构的抗弯极限承载力，效果好于直线体外预应力筋。

2000年奉龙成和赵人达通过对12片体外预应力加固试验梁的己有试验结果的分析，认为其等效塑性区长度与破坏截面中性轴高度之比是基本接近一常数，在确定这一常数数值后，给出体外预应力筋的极限应力计算公式以及正截面强度的计算方法，公式对样本试验数据精度较高，但其他学者的试验数据表明其等效塑性区长度与破坏截面中性轴高度之比浮动较大。

2、体外预应力加固原理及特点
体外预应力加固技术的基本原理是充分利用了混凝土抗压性能，通过体外
预应力钢筋对梁体施加预压力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的
内力，从而达到改善结构使用性能并提高其极限承载能力的目的。

和其他加固方法相比，体外预应力加固具有以下的优点[6]：
（1）对原结构损伤较小；
（2）没有湿作业，预应力筋布置简单，施工方便快捷；
（3）体外预应力加固，无需增大断面，不会影响建筑空间；
（4）对桥梁加固施工过程中，可以不封闭交通；
（5）增加恒重不多，可以能动地调节原结构中的应力状态，达到有效加固的目的；
（6）预应力筋的保养、检查方便。

使用过程中还可根据情况对预应力筋进行更换、调整；
（7）可加固超筋截面；
（8）可调整截面内应力，适宜于加固由温差引起严重裂缝的大梁；
（9）可充分发挥高强材料的强度；
（10）下撑式拉杆法可同时补强正截面强度和斜截面强度。

3、体外预应力加固梁受力性能分析
3.1 加固方法
将悬索结构的思想引入到预应力加固梁中，以高强钢绞线作为“悬索”，将其放置在被加固梁的下方，再用刚性撑杆代替吊索对结构进行预应力加固（见图3-1a）。

显然，为使预应力线形为抛物线，须使其受到均匀分布荷载，则撑杆必须连续分布。

然而在现实中难以实现，只能通过沿梁长度方向等间距设置一定数量的撑杆来近似模拟，这时钢绞线不再是一条光滑的曲线，而是一条折线，每个折点在同一条抛物线上。

撑杆的长度、位置和数量可以根据实际情况灵活布置。

加固时，通过对悬索进行张拉施加预应力，此时撑杆在预应力作用下对梁提供向上的反力，以抵消原结构上部分或全部外荷载，达到卸载的目的。

加固后，在新增荷载作用下，撑杆又和梁共同作用，分担部分梁上部荷载。

通过以上描述可以看出，这种体外预应力加固法实际是通过钢-预应力组合
结构来实施的，即通过悬索（预应力筋）提供预应力，并利用钢撑杆作为预应力的转换构件，将预应力转换为反向荷载作用在被加固梁上，分担梁上的部分荷载。

这种做法无疑提高了加固体系与结构的整体协调性。

3.2 加固机理
利用等效荷载的概念，将加固体系对原混凝土梁的作用视为等效荷载作用于原梁上，预应力筋和撑杆在折点和端点处所产生的等效荷载对被加固梁而言是外力，而就整个预应力加固梁而言却是内力，用体外预应力加固简支梁，张拉完毕后，体外预应力筋在加固梁中引起的附加内力自成平衡体系，不改变整体平衡。

所以，撑杆在端点处所产生的等效荷载不与外荷平衡，而与预应力筋在其端部两竖向等效荷载相平衡，并没有传入支座，即支座反力不与平衡，而与外荷载平衡；预应力筋端部两水平向等效荷载自相平衡。

由于的作用，被加固梁由受弯构件转为偏心受压构件，加固后原梁的受力情况如图3-1。

由图3-1，预应力在锚固点的竖向分力和撑杆的等效荷载对原梁产生反向弯矩和反向剪力（图中阴影部分所示），预应力在锚固端的水平分力对梁体施加偏心压力，因此，施加预应力的结果，一方面对原梁起了卸载作用，另一方面，改变了原梁的受力特性，使其具备了弯压构件的特性。

这些预加力使梁体内储备了一部分抗力，可以部分地抵消外荷载引起的内力，从而提高了原梁的承载力。

由此可见，体外预应力加固过程即是对原梁施加一组自平衡力系的过程，在这组自平衡力系中，所施加的外力自平衡，所产生的外力偶参与抵抗原梁所受的荷载弯矩，自平衡外力作用位置的合理分布，参与抵抗原梁所受的剪力和弯矩，减小截面内力和应力水平，改善原梁的裂缝和变形情况，达到加固目的。

结论：
体外预应力的加固过程即是对原梁施加一组自平衡力系的過程，在加固过程中，预应力钢筋受拉，并且，由于预应力作用，梁截面应力减小，加固完毕后，预应力悬索能与原梁共同工作，克服了其它加固方法中存在的后加部分应力、应变滞后现象，提高了材料的利用率。

对于本文中的悬索加固体系，撑杆作为混凝土梁和预应力悬索之间的传力构件，其刚度应当有足够保证。

一方面，其弹性支撑作用提高了加固梁的刚度，另一方面，其自身刚度的大小又影响着预应力悬索应力的变化程度。

撑杆刚度越大，则其竖向压缩变形越小，体外预应力悬索在荷载作用下的应力增量也就越高。

参考文献：
[1]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]牛斌.铁路混凝土梁的体外预应力加固.铁道建筑，1997（12）.
[3]张继文，吕志涛.预应力加固钢筋混凝土简支梁的受力性能与分析计算.建筑结构，1995（9）.
[4]杜世生等.体外预应力筋加固梁桥后抗弯极限强度的计算.华东公路，1991（4）：25一29
[5]刘航，李晨光，白常举.体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究.建筑技术，V ol.30No.12，855一857.
[6]胡淳清，傅玉良.体外预应力特征及其在加固中的应用[J].淮阴工学院学报，2006.。