预应力加固技术简介.doc

关于预应力加固

概述
钢筋砼构件由于设计或施工错误、材质不符合要求、使用功能改变或耐久性等原因，其裂缝宽度超出规范允许值或承载能力不足，都应加固处理。加固方法分非预应力加固和预应力加固二种。非预应力加固法要待砼构件继续变形后才逐渐起作用，所以加固后裂缝宽度和挠度仍会继续增加，是一种被动加固法。预应力加固法的主要优点是见效快，随着预应力的施加，梁反拱，裂缝宽度减小，原有钢筋和砼的应力降低，是一种主动加固法。
预应力加固即在加固过程中有意识地建立永久的，与外部荷载作用效应相反的内力和内应力。以达到卸除远结构或构件的部分外力，改善其在不同条件下的变形性能或提高强度，从而提高承载能力，确保结构能继续安全有效地工作，达到加固的目的。
预应力砼可分为无粘结预应力砼和有粘结预应力砼。无粘结预应力法也叫体外预应力法，是预应力加固中主要用到的方法。体外预应力的概念和方法最早产生于法国，它的发展历经了几个阶段，在工程中大量应用则是20世纪70年代末开始的，是后张预应力结构体系的重要分支之一。
体外无粘结预应力加固技术通过无粘结预应力筋（钢绞线）对梁从体外施加预应力，以达到对梁加固的目的。与梁的其它加固方法相比，体外无粘结预应力加固是一种主动的全方位的加固方法。通过对梁从体味施加预应力，改变了梁 的内力分布，降低了应力水平，使其它加固方法中所存在的应力应变滞后现象得以完全清除，有效地提高了结构的承载能力，减少了梁的挠度，使梁上的裂缝得以部分或完全闭合。因而体外预应力加固具有加固、卸荷、改变结构内力、闭合裂缝四重效果。这是国内目前现有的其它加固方法所无法实现的。
无粘结体外预应力加固技术以高强钢材-钢绞线作为体外预应力筋，节省了材料，具有施工设备简单，操作方便，施工速度快，加固费用低，基本上不增加结构自重，加固后构件可以立即投入使用等优点。因而该技术的推广应用必将产生巨大的经济效益和良好的社会效果。该加固法使用无粘结体外预应力作为体外预应力筋，很好的解决了传统的体外预应力加固中的钢筋锈蚀问题，而且具有防腐、防水、耐磨耐久性好、提高加固构件的可靠度等优点。
传统的预应力加固法是采用Ⅰ级或Ⅱ级钢作为补强拉杆，有以下缺点：强度低、柔性差、长度短、耗材多、预应力水平低、需焊接。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、不能做连续跨加固。
预应力钢绞线加固
近年来发展了一种用高强钢绞线作为补强拉杆的“高效预应力加固法”,是以无粘结高强钢绞线作为补强拉杆，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的体外预应力加固技术。下面将详细介绍这种加固方法。
一、设计方法
1、钢绞线的布置：无粘结钢绞线的规格一般采用φj15（7φS5），极限强度为1570N/mm2或1860N/mm2，成对布置在梁的两侧，钢绞线的形心至梁侧的距离一般为40mm左右。
钢绞线的形状应与需补足的弯矩图形相近。一般情况下，采用二根钢绞线便能满足要求，当需要补强的钢绞线数量很多时可以排成数排。为了不影响使用净高，可以把钢绞线在跨中的支承点设在梁底以上的位置。钢绞线可采用连续跨布置，以加强结构的整体性，并简化节点构造。在实际加固工程中，曾采用过如图1中方法（1）～方法（4）的几种做法。

2、铁件的设置：
为了形成设计要求的钢绞线形状，要在钢绞线的转折点处设置支承垫板或钢吊棍等铁件，在两端要设置钢垫板或钢销棍。
3、中间连续书点的做法：
当采用多跨连续张拉，钢绞线在跨中的转折点设在梁底以上位置时，为了减少转折点处的摩擦力，在中间支座的两侧要设置钢吊棍。如图1中的方法（2）～（4）所示；若钢绞线在跨中的转折点设在梁底以下位置，则中间支座可不设钢吊棍，钢绞线直接支承在连系梁或次粱上，但应在跨中设置拉紧螺栓，如图1中的方法1所示。
4、端部锚固方法：
钢绞线端部的锚固采用园套筒三夹片式夹具。端部支承可采用下述二种方法：
1）、当具有垂直支承面时，可将夹具通过钢垫板支承于梁端，如图2所示；
2）、当无法设置钢垫板时，可用取芯机在梁端上部截面钻孔，设置园钢销棍，将夹具通过园钢销棍支承于梁端。当梁的砼质量较差时，可设置内径与园钢销棍直径相同的钢管垫，用快硬水泥砂浆坐浆，如图3所示。

5、预应力施加方法：
当钢绞线采用连续跨布置，而在跨中的转折点设在梁底以上位置时，应尽可能采用两端纵向张拉以减少摩擦力损失；当钢绞线在跨中的转折点设在梁底以下位置时，可采用一端纵向张拉，但在纵向张拉以后，还应利用设在跨中的拉紧螺栓进行横向张拉，以补足由摩擦力引起的预应力损失值。当纵向张拉有困难时，也可将跨中转折点设在梁底，全部采用横向张拉的方法。这种方法一般适用于无外观要求的情况.

纵向张拉的工具采用穿心千斤顶和高压油泵，张拉力直接从油压表中读取。横向张拉采用手工旋紧U字形拉紧螺栓的螺帽，使梁侧的钢绞线向梁底中间位置靠拢，使钢绞线伸长，以补足预应力。采用横向张拉时可利用手持式引伸仪测读钢绞线的伸长率，进而求得预应力值。
6、张拉应力控制值：
当采用千斤顶纵向张拉时，钢绞线的张拉应力控制值一般可取0.7fptk，当连续跨的跨
数较多时，可采用0.75fptk。当全部采用手工横向张拉时，张拉应力控制值应适当降低，以免产生过大的塑性变形，影响应力测试精度，一般取0.6fptk左右。Fptk为钢绞线抗拉强度标准值。
7、防腐措施：
当采用无粘结钢绞线作为补强拉杆时，一般属于需吊顶的情况，或不需考虑外观要求的情况。铁件和钢绞线可采用C30细石砼或1∶2水泥砂浆分别进行包裹。
二、构件强度计算方法
钢绞线数量的确定需通过强度计算。由于钢绞线与大梁砼没有粘结在一起，在每一截面上钢绞线的应变与截面其它部位的应变不符合平截面假定，所以达极限状态时钢绞线应力增量的计算变得相当复杂，除利用截面上的轴向力平衡和弯矩平衡二个静力平衡条件外，还要利用下述变形协调条件：两锚固端之间钢绞线的总伸长值与钢绞线同高度处截面纤维的总伸长值相等。通常需根据钢绞线的形状和荷载的作用形式及截面的刚度曲线，利用积分的方法计算。考虑到加固构件的数量有限，而且钢绞线用量在整个加固费用中所占比例不是很大，所以可采用保守的近似计算方法。计算中，可以假定达极限状态时钢绞线的应力即为施加预应力时的张拉控制应力，即假定钢绞线的应力增量值与预应力损失值相等。于是便可以象普通钢筋砼大梁一样作正截面和斜截面的强度计算。

对于超筋截面，可将预应力引起的等效荷载来平衡掉一部分外荷载，然后根据减少了的截面内力作强度计算。此时可只考虑原截面的配筋。
如果原截面不是超筋截面，在考虑预应力钢绞线的作用以后才成为超筋截面，则应将计算结果与上述方法的计算结果作比较，取二者中较大的值。
三、无粘结钢绞线体外预应力加固法的优点
与采用横向张拉的光面钢绞线体外预应力加固法一样，与传统的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。
无粘结钢绞线体外预应力加固法与光面钢绞线体外预应力加固法相比，还具有下述优点；
1、由于无粘结钢绞线在转折点处的摩擦力较小，可以采用千斤顶纵向张拉，这样可减
少张拉工作量，而且张拉值容易控制。
2、由于无粘结钢绞线的防腐性能较好，在外观要求不高的情况下，可采取简单的防腐
措施，施工比较方便。
3、钢绞线储存方便，不会锈蚀。
4、铁件用量少。

碳纤维预应力加固
一、概述
碳纤维具有的片材轻、强度高、施工便捷等优异性能，使得碳纤维加固技术在房屋、桥梁、隧道等混凝土结构得到了广泛的发展和应用。
大量试验研究证明，在正常使用极限状态下，碳纤维片材的高强度性能在混凝土结构加固中往往得不到完全的发挥，这是当前预应力碳纤维片加固技术得到充分重视的主要原因。
碳纤维片材虽然具有高于钢材近十倍的强度，弹性模量却与钢材接近，这意味着只有在碳纤维片材产生的变形近十倍于钢材的屈服变形时，才能充分发挥它的高强度性能，而此时结构已很难满足正常使用极限状态的变形控制。为了满足正常使用极限状态的变形要求，碳纤维片材的设计变形量必须进行控制，因而碳纤维的强度得不到充分的利用。
二、适用范围
1 、对于桥梁及工业与民用建筑等的梁、板、柱、剪力墙结构，由于设计、施工、使用、老化或因结构承载力不足等造成的原因，可以使用预应力碳纤维板进行加固，以恢复其整体性和使用功能。
2 、对于新建斜拉桥或者需要换索的斜拉桥，可以用碳纤维预应力索来代替当前使用的拉索。可以作为体外索在加固结构中使用。
三、工艺特点
（一）对加固构件采用预应力碳纤维板进行加固，其工艺特点有：
1、本装置结构稳定。
2、与碳纤维片材连接牢固。
3、碳纤维片材张拉应力均匀。
4、本装置安装方便，操作简单，可适用于各种形式的混凝土梁的预应力碳纤维梁的施工。
（二）对于新建斜拉桥或者已有斜拉桥进行换索采用碳纤维索替代现有的钢索。它具有结构自重轻，耐久性好，强度高，施工安装方便等优点。其关键技术在于索端部的锚固。本公司已掌握了关于预应力碳纤维索端部锚固的问题，并在实际结构中得到应用。端部锚固主要是采用嵌固式锚固，其工艺特点有

1、粘结性能好。
2、可用于一些恶劣环境的加固。
3、抗火性能好。
4、加固对结构强度提高更为明显。
四、预应力混凝土空心板粘贴碳纤维加固
目前一些工程使用中发现预应力混凝土空心板存在质量隐患，包括跨中附近裂缝，端部裂缝，板底或板肋蜂窝、麻面及露筋，混凝土强度不足和受力主筋质量不合格等。上述问题影响结构安全时，就必须采取措施进行加固处理。
　　加固处理的方法很多，如板面浇注混凝土叠合层、板孔剔槽埋筋现浇等，这些方法不仅施工难度大，周期长，有时还影响使用功能。碳纤维布有很高强度重量比、极好的耐腐蚀性能及耐久性，施工简便快捷，粘贴碳纤维布加固方法比其它方法更有优势。为此对粘贴碳纤维布加固预应力空心板技术进行试验研究，并用于实际工程。
（一）技术研究
1、试验材料
　　选用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号：L95G404,板号为YKBL33-22d，尺寸为3280mm×590mm×120mm，受力主筋为650级8φLL5冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级C25。其中B1、B2为对比试验板，未进行加固处理；B3～B6底部通长粘贴日本产FTS-C1-20碳纤维120㎜宽两道。
　　试验用FTS-C1-20碳纤维材料性能指标：厚度0.111㎜，单位面积重量200g/㎡，密度1.8 g/cm3,拉伸强度3550Mpa，拉伸模量235Gpa，粘贴碳纤维结构胶选用日本产FR-E3P。
2、试验方案
　　在预应力混凝土空心板跨中混凝土及碳纤维上粘贴电阻应变片，按《预制混凝土构件质量检验评定标准》（GBJ321-90）对预应力混凝土空心板进行结构性能试验。在1.0倍正常使用短期荷载检验值作用下持荷30min，其余每级荷载作用下持荷10min。持荷载结束时，使用静态电阻应变采集仪跟踪记录混凝土及碳纤维在各级荷载作用下的应力应变情况，用百分表量测空心板在各级荷载作用下的挠度变化，用读数显微镜观测裂缝宽度并记录裂缝开展情况，所有试验均做到破坏为止。试验结果见表1。
表1  空心板试验结果
板号
开裂荷载/KN
开裂弯矩/KN·m
极限荷载/KN
极限弯矩/KN·m
Mu，t/Mu
加固材料应变με
破坏特征
试验值Mu，t
计算值
Mu
B1
11.2
5.92
24.8
11.33
10.37
1.09
-
主筋拉断
B2
11.2
5.92
25.8
11.73
10.37
1.13
-
主筋拉断
B3
24.6
11.25
47.0
20.15
17.15
1.17
11000
主筋、碳纤维均拉断
B4
21.8
10.14
42.6
18.40
17.15
1.07
9876
主筋、碳纤维均拉断
B5
21.8
10.14
45.8
19.68
17.15
1.15
12000
主筋、碳纤维均拉断
B6
21.8
10.69
42.6
18.40
17.15
1.07
8884
主筋、碳纤维均拉断
3、试验分析
　　板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，根据现行规范抗弯设计计算的基本原理，参照国内外关碳纤维加固混凝土受弯构件正截面抗弯设计的试验研究成果，假定：⑴预制混凝土空心板受弯后，变形规律符合平截面；⑵忽略混凝土的抗拉强度；⑶在极限状态下，碳纤维的应力达到抗拉设计强度。正截面内力平衡方程：
ΣFx=0   Acfƒcf+Asƒy=bxƒcm                        （1）
ΣM=0    Mu=Acfƒcf（h-x/2）+Asƒy（ho-x/2）        （2）
4、试验结论
⑴采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，可以有效地提高预应力混凝土空心板的承载力。
⑵在同样荷载作用下，粘贴碳纤维加固后可以有效减少预应力混凝土空心板的挠度。
⑶粘贴碳纤维加固后预应力混凝土空心板的开裂荷载增大。
⑷采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，基本不影响构件的截面高度及自重，对用户空间的净高度及建筑物的其他结构没有影响。
⑸试验中碳纤维最大拉应变为12000με，建议设计时碳纤维抗拉强度取2000Mpa。

（二）工程实例
1、工程概况
　　某住宅楼采用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号L95G404，板号YKBL33-22d，尺寸为3280㎜×590㎜×120㎜，受力主筋为650级8φLL5冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级C25，跨中弯矩设计值为5.79KN·m。居民入住后，陆续发现多处空心板跨中附近存在垂直受力主筋的裂缝，裂缝宽度在0.6～1.2㎜范围，上下贯通，相邻3块空心板裂缝并排在一块的有1处。《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）规定，冷拔低碳钢丝或冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板在正常使用条件下不允许出现裂缝。裂缝的存在严重影响预应力混凝土空心板的整体性和承载力，埋下了结构安全隐患，必须进行加固处理。
　　通过对现场裂缝情况分析，上述预应力混凝土空心板裂缝是因吊装、运输不当引起的，在施工安装前即已出现。
2、加固方案确定及计算分析
　　按居民要求，对空心板加固后要保证房间恢复原状，不影响原使用功能。时至冬季，处理速度要快，尽量不影响居民正常生活。为此，选择灌浆封缝和粘贴碳纤维布的加固处理方案。通过灌浆封闭裂缝，堵塞有害介质腐蚀钢筋的通路，并将已开裂的混凝土粘结起来，使空心板成为一个整体，提高其耐久性，在板底粘贴碳纤维可减少空心板的变形，提高其承载力。
　　板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，本工程计算不考虑原钢筋作用。考虑碳纤维布与混凝土粘贴破坏特性，碳纤维布设计抗拉强度ƒcf=2400Mpa。经计算实配2条100㎜宽碳纤维，并在端部各横贴1条100㎜宽碳纤维以加强端部锚固。
3、施工工序
3.1 支撑卸荷
　　将空心板上下抹灰层剔除，露出空心板顶面和底面。在每块空心板底设直径或边长为100㎜的原木或方木支撑2根，支撑上下设垫块，用木楔打紧。
2.3.2　封缝灌浆
　　灌浆封缝工艺如下：⑴在裂缝处粘贴两个灌浆嘴、出气嘴；⑵裂缝外表封闭；⑶按比例配制好灌浆浆液，开始压力灌浆；⑷待浆液固化后进行下道工序。
2.3.3　粘贴碳纤维
　　按所选定的碳纤维和粘结胶的品种、规格准备材料后，按下列工序进行：基面处理→涂刷底胶→粘贴面修补→粘贴碳纤维→养护→表面防护处理。

3.2 荷载试验
　　加固施工后，选取有代表性的空心板做结构性能试验，以试验结果评价加固技术的可靠性和加固效果。本工程选择裂缝并排的3块空心板做试验。试验时上下抹灰层已施工完毕，恒载全部作用到空心板上。按图集L95G 404规定，YKBL33-22d空心板活荷载为2.0KN/㎡，试验荷载加至活荷载的1.4倍，检验加固后的空心板在各级荷载作用下的变形及卸荷后变形恢复情况，验证空心板裂缝的加固效果。
　　试验过程采用分级加载，逐级观察挠度变化情况和裂缝的开展情况。
　　整个加荷过程中，空心板的挠度变化很微小，正常使用短期荷载作用下3块空心板的实测挠度分别为0.09㎜、0.07㎜和0.05㎜，加荷至1.4倍活荷载时，3块空心板的最大实测挠度分别为0.11㎜、0.08㎜和0.06㎜，被灌浆封闭的裂缝未开裂。最后分3级卸荷，每级卸荷后持荷10min观察挠度回弹情况。挠度的回弹量与卸荷量成正比，卸荷完成后观察，外加荷载使空心板产生的挠度全部回弹。说明加固后的空心板在上述荷载作用下，外在弹性工作状态，满足正常使用要求。