无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术
无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术
项剑锋
（浙江剑锋加固工程有限公司，浙江剑锋震宇结构设计有限公司）
摘要：本文较系统地介绍了笔者创造的无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术的发展历史、优点、适用范围，并介绍了九个典型的工程案例的施工照片。
关键字：无粘结；体外预应力；加固改造
1 发展历史
在我国现行混凝土结构加固设计规范[1]中，有一种传统的体外预应力加固法，分水平拉杆法，下撑式拉杆法和组合式拉杆法三种。这种方法是五十年代从苏联传进来的，由于当时还没有高强度的钢材，只能采用低强度的钢筋作为补强拉杆。其中下撑式预应力拉杆法的做法如下图所示。
传统的预应力下撑式拉杆加固法由于采用强度低，柔性差，长度短的Ⅰ级或Ⅱ级钢作为补强拉杆，存在下述缺点:
1）当需要拉杆承担较大的内力时，材料面积很大使施工很困难；
2）预应力数值不高，预应力损失所占的比例比较大，长期预应力效果不好；
3）拉杆端部固定需要焊接，对于不允许有明火的场所不适宜采用；
4）要弯成三折线形状，并进行横向张拉比较困难，弯折处的摩阻力很大；
5）不能搞连续跨加固。
为了克服上述缺点，笔者自1988年开始，在传统的下撑式预应力补强拉杆法的基础上发展了一种以光面高强钢绞线作为补强拉杆的“高强钢绞线预应力加固法”。具体的设计和施工方法见参考文献[2]、[3]。这种加固方法只能采用手工横向张拉的方法施加预应力。当市面上出现无粘结高强钢绞线以后，笔者又以无粘结高强钢绞线作为补强拉杆，它可以采用千斤顶纵向张拉，或手工横向张拉或二者结合的方法施加预应力。我们称它为“钢筋混凝土大梁无粘结钢绞线体外预应力加固法”。具体的设计和施工方法见参考文献[4]。其做法如图2 所示；后来又将其用于楼板的加固工程中，也是采用“无粘结钢绞线下撑式预应力拉杆法”的做法。我们还将其用于拔柱、拆墙和减小梁的截面高度等高难度的改造工程中。其中加固大梁的技术已编入我国新的《混凝土结构加固设计规范》的报批稿中。
2 优 点
无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术是一种主动加固法。它与常用的加大截面法、外包钢加固法、改变结构传力途径加固法、构件外部粘钢加固法、构件外部粘贴碳纤维布加固法等非预应力被动加固法相比，具有立即见效的优点。随着预应力施加，裂缝宽度随即变小，大梁产生反拱，构件原有钢筋的应力随即变小；而且还可以同时加固正截面强度和斜截面强度。它还有一个明显的优点是可以用于超筋截面的加固。而非预应力加固法要待大梁继续变形以后才能逐渐起作用，加固以后裂缝宽度和挠度仍会继续增加，而且正截面强度和斜截面强度一般不能同时得到加强。对于近几年广泛采用的外部粘贴碳纤维布法，更具有一个致命的弱点：当充分发挥碳纤维布的高强度时，构件的裂缝宽度将达到不能容忍的程度。实际上当构件中的非预应力钢筋达到屈服强度产生塑性变形以后，即使荷载卸除，构件的裂缝也不会再闭合，而这时碳纤维布的强度发挥还不足20%。因此，在加固工作中应该慎用粘贴碳纤维布法，它将会给加固了的构件留下严重的安全隐患，而且它的使用寿命很有限。无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术与传统的采用低强钢筋作为补强拉杆的下撑式预应力加固法比较，具有下述优点：
1）由于钢绞线的强度高，当需要拉杆承受较大内力时，材料面积也不需要很大，施工起来比较方便。
2）由于张拉应力高，预应力损失所占比例小，所以长期预应力效果好；
3）端部锚固有现成的夹具可以利用，安全可靠，不需现场烧电焊，适用范围广；
4）钢绞线的柔性好，很容易形成设计形状，施工起来方便；
5）由于钢绞线的长度长，可以采用连续跨加固，加强了结构的整体性；
6）施工速度快，而且不受气温影响；
7）大梁加固后对房屋净高影响不大；
8）由于原有大梁的强度可以充分利用，而且只需要对大梁本身进行加固，柱子和基础可以不加处理，所以加固费用比较低；
9）由于预应力可以提供反向弯矩，有效控制了构件的挠度，所以可以用于楼面使用荷载增加很大时楼面梁、板的加固。当用于拔柱、拆墙和减小梁截面高度等改造工程时更为理想；
10）由于预应力可以在梁截面上提供一个长期的轴向压力，所以对控制由砼干缩、温差和荷载共同引起的裂缝具有特别明显的作用；
11）由于预应力可以有效的调整梁截面内应力，使对砼强度的要求降低，所以可以用来加固砼强度很低或经火灾受损的钢筋砼大梁；
12）预应力加固技术还可以加固超筋截面，因为它可以平衡掉部分外荷载，提高了超筋截面的承载能力。
13）由于无粘结钢绞线在转折点处的摩擦力很小，可以采用千斤顶纵向张拉，施工速度快，劳动强度低，而且应力均匀可靠。
3 适用范围
3.1 用于加固砼强度严重不足的钢筋砼大梁
预应力技术由于给构件提供了一个反向弯矩，使大梁截面受拉边缘的最大拉应力和受压边缘的最大压应力同时减小，有效地调整了截面应力的分布，降低了对大梁砼强度的要求，只要端部支承垫板处的砼局部承压力满足要求即可。所以无粘结钢绞线体外预应力加固改造技术很适宜用于加固砼强度严重不足的钢筋砼大梁。在我们加固的工程中，有的钢筋砼大梁的砼强度仅C10左右。
3.2 用于加固火灾受损的大梁
钢筋砼大梁经火灾受损以后，表面砼的强度已降低，而且往往已出现许多裂缝。这种情况采用“无粘结钢绞线体外预应力加固法”最为理想。与砼强度严重不足的大梁一样，由于预应力提供了一个反向弯矩，有效地调整了大梁截面的应力分布，使对大梁砼强度的要求降低，还可以减小大梁裂缝宽度，并有效控制裂缝的进一步开展。我们已用无粘结钢绞线体外预应力加固法加固了十多个火烧工程的受损大梁，都取得了满意的结果。
3.3 用于加固楼面使用荷载增加幅度较大的梁和板。
当楼面使用荷载增加幅度较大时，例如要将办公楼面改作密集型档案库使用，还有设备上楼，要在普通楼面上建桑拿浴池，这些情况下梁和板不仅承载能力严重不足，还会产生过大挠度。采用无粘结钢绞线体外预应力加固可以同时解决大梁的强度和刚度不足的问题；而且由于大梁产生的反拱可以平衡掉需要补足的荷载产生的挠度，大梁端部不会增加截面转角，也就是说梁的端节点不会产生新的负弯矩。因此，一般情况下不需要对负弯矩进行补强。这点很重要，因为负弯矩的补强很困难；采用植筋的话很难满足锚固长度的要求；采用粘贴钢板和外包钢加固也很难满足锚固要求。还有，在楼面荷载增加很大的情况下，采用非预应力加固很容易出现超筋的情况，采用预应力加固不会出现超筋问题。
3.4 用于加固已严重开裂的楼、屋面大梁
钢筋砼楼、屋面大梁在砼收缩、室内外温差和荷载的共同作用之下，往往要在跨中产生竖向裂缝，在两端产生斜向裂缝。当砼质量较差时，裂缝情况更加严重，裂缝宽度经常要超出国家设计规范的要求，需要进行加固处理。采用无粘结钢绞线体外预应力加固法加固这种已严重开裂的楼、屋面大梁最为理想。因为加固以后，大梁的裂缝宽度要变小，而且大梁上始终作用有轴向压力，可以有效抵抗砼收缩和室内外温差引起的轴向拉应力，使得裂缝有效地得到控制，一般将裂缝封闭以后将不再出现。
3.5 用于减小大梁截面高度时的加固
在房屋改造工程中，有时要将大梁截面高度减小。当要减小梁的截面高度时，梁的下部钢筋已全部去除，只保留了上部负钢筋。梁的承载能力和截面刚度都将严重不足。由于预应力技术可以提供反向弯矩平衡外荷载，所以可以用这种技术来减小梁的截面高度。在预应力施加以后再将要去掉的梁截面凿掉。当需要作抗震考虑时，还要在梁的两端梁底位置用植筋的方法将正弯矩钢筋植入柱子内。
3.6 用于拔除承重柱
早年的建筑，柱距一般比较小，许多已不适用，经常要碰到将承重柱拔除的情况。当柱子所受荷载不是很大时，可采用无粘结钢绞线体外预应力技术将柱子二侧的大梁托起，然后将柱子凿除。由于预应力提供了一个向上的反力，可以平衡掉柱子所受的轴力，所以柱子凿除以后不会产生过大的挠度而使上部结构出现裂缝。
3.7 用于拆除承重墙
当要拆除承重墙而上部荷载不是很大时，也可以采用无粘结钢绞线体外预应力技术对圈梁进行加固。一般在圈梁底面设置2 个支点或四个支点，把圈梁变为三跨或五跨连续梁，用预应力在支点处产生向上的力来平衡圈梁上部的荷载。承重墙拆除后不会产生过大的挠度而使上部楼板或墙体出现裂缝。
3.8 用于加固抗浮能力不足的水池池壁
当水池抗浮能力不足时，由于水池四周的悬挑板上有回填土压着，当空池时中间水池池壁在浮力作用下上部会开裂，加上砼收缩和温差影响，裂缝有时会很严重。在中间水池池壁上部设置通长的预应力钢绞线，可以产生反向弯矩平衡掉一部分浮力，而且可以有效地控制裂缝的开展。
4 典型工程案例的施工照片
4.1 浙江永康求是工贸厂房砼强度严重不足楼面主次梁加固后的照片图1
4.2 浙江宁海县跃龙电控器材厂厂房C火灾受损后楼面大梁加固后的照片图2
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4.3 永康市城建大楼档案库楼面梁和板加固后的照片图3
4.4 辽宁省丹东市大东港区码头严重超载下大梁加固后的照片图4
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4.5 浙江上虞天丰粮食有限公司面粉厂仓库严重开裂楼面梁加固施工照片图5
4.6 浙江慈溪市三环钢管有限公司15m跨度屋面梁减小截面高度改造施工照片图6
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4.7 浙江宁海县越溪乡政府大楼底层门厅拔柱改造施工照片图7
4.8 浙江慈溪市职业高中教学楼顶层拆除承重墙改造施工照片图8
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4.9 宁海县兴海污水处理厂污水处理池抗浮处理后的照片图9
图9
参考文献
[1]《混凝土结构加固设计规范》[S]（GB50367-2006）.
[2]项剑锋，高强钢绞线预应力加固法[J]，建筑技术，1990年第6期.
[3]项剑锋，钢筋砼大梁高强钢绞线预应力加固法，后张拉预应力砼设计手册（陶学康主编）[J]，中国建筑工业出版社，1996年11月。
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