體外預應力加固梁時附加彎矩及其計算模型

1、體外預應力加固梁時附加彎矩及其計算模型摘要體外預應力加固即在受力構件的外側采用外加預應力筋(粗鋼筋、鋼絞線或高強鋼絲)，使外加預應力筋與構件共同作用，組成復合構件，對構件進行補強，和加固，以提高受力構件的承載力、剛度和抗裂性能。體外預應力加固法將卸載和加固結合在一起，可以較好地發(fā)揮新老構件協同工作的能力，克服其它加固法難以避免的應力應變滯后的問題，是一種有效的主動加固方法。本文闡述了體外預應力加固的方法、設計概念、加固工藝以及計算方法?？偨Y了國內外學者以及各國規(guī)范對體外預應力梁及體外預應力加固梁的預應力筋應力增量的計算方法且指出了不足之處。介紹了各種預應力加固設計方法，簡介了二次效應。關鍵詞：

2、體外預應力、加固、受彎性能、應力增量、簡支梁正文1. 混凝土結構的加固方法混凝土結構加固方法主要有以下幾種：加大截面加同法、外包鋼加固法、預應力加固法（預應力拉桿加固和預應力撐桿加固）、改變傳力途徑加固法、外部粘鋼加固法以及近幾年發(fā)展起米的粘貼纖維增強復合材料(FRP)加固法。除此以外，還有植筋加固法、焊接補筋加固法、噴射混凝十加同法及化學灌漿修補法等。2體外預應力加固方法的優(yōu)缺點21體外預應力加固方法的優(yōu)點體外預應力與現有的各種加固方法比較，具有如下的優(yōu)點：1）加固與卸載合一，共同工作性能良好體外預應力加固結構在預應力加固時可以對原結構進行卸載。加固完成后，原結構與新加預應力筋共同承擔荷載，

3、改變了結構的受力性能，可調整結構的內力，屬于一種主動的加固方法。2）強度、剛度同時加固體外預應力在提高被加固構件承載力的同時，可使構件產生反拱變形和減少結構的撓度，裂縫寬度。3）適用于超筋截面的加固體外預應力加固法是一種體外布置預應力筋，與被加固構件內的配筋大小沒有必然的聯系，體外預應力作用是荷載平衡的概念。所以對超筋構件加固同樣有效，這一點其它許多方法所不具備的。4）對被加固構件的承載力提高幅度較大實驗研究表明，體外預應力加固法采用的高強度，低松弛鋼絞線，鋼絞線的數量可根據需要進行配置，其加固量較其他方法大。根據荷載平衡原理，體外預應力加固法可滿足現有使用要求條件下所有補強加固的需要。5）體

4、外預應力加固法適應性好體外預應力加固法對單跨梁、連續(xù)粱、框架梁、井字粱、單雙向板、偏心受壓柱均能起到加固作用，這是其他方法不易做到的。6）加固質量比較可靠由于體外預應力筋布置在構件截面外，其灌漿質量和體外筋的銹蝕狀況便于檢查，如有必要，可以定期或者不定期的進行修補或者更換，張拉后的預應力可以用預埋傳感器或是便攜式儀器進行檢查，若未達到設計要求，可以用千斤頂進行補張拉，以達到預期的設計效果。7）摩擦損失相對較小除錨固區(qū)和轉向塊，力筋與結構無接觸，減小了因管道偏差引起的預應力損失。8）便于施工預應力筋套管的布置，調整容易并簡化了后張法操作，從而大大縮短了施工時間，對工程經濟效益有積極的影響。9）體

5、外預應力筋的應力比較均勻由于體外預應力筋的變形與混凝土截面不協調，力筋沿長度方向上分布均勻，變化幅度小，由于應力變化引起的疲勞強度小。2.2體外預應力加固法的缺點體外預應力加固法具有自身的優(yōu)勢，但也存在不足之處：1) 體外預應力筋未受混凝土的保護，易遭受火災，并限制自由長度以控制振動；2) 轉向裝置和錨固裝置因要承受巨大的縱橫向力而2特別笨重；3) 對于體外預應力結構，錨固失效則意味著預應力的喪失，所以，錨固防腐要求比較高；4) 承載能力極限狀態(tài)下體外預應力結構的抗彎承載力小于有粘接和無粘接預應力結構體系，在開裂荷載和極限荷載的作用下，應力不能僅按最不利截面來估算；5) 體外預應力結構在極限狀

6、態(tài)下可能因延性不足而產生沒有預兆的失效。但是，隨著結構形式，預應力材料和設備的不斷發(fā)展，體外預應力技術將體現更大的優(yōu)越性，缺陷也將逐漸得到克服。3. 體外預應力筋的加固原理3.1 加固原理用體外預應力加同結構構件時，一方面對原梁起了卸載作用，另一方面，改變了原梁的受力特性，使其具備了彎壓構件的特性。這些預加力使梁體內儲備了一部分抗力，可以部分地抵消外荷載引起的內力，從而提高原梁的承載力。由此可見，體外預應力加固過程即是對原梁施加一組自平衡力系的過程，在這組自平衡力系中，所施加的外力自平衡，所產生的外力偶參與抵抗原梁所受的荷載彎矩，自平衡外力作用位置的合理分布，參與抵抗原梁所受的剪力和彎矩，減小

7、截面內力和應力水平，改善原梁的裂縫和變形情況，達到加固目的。利用等效荷載的概念，將體外預應力加固體系對原混凝土梁的作用視為等效荷載作用于原梁上，預應力筋在折點和端點處所產生的等效荷載對被加固梁而言是外力，對整個預應力加固梁而言卻是內力。用體外預應力加固鋼筋混凝土梁，張拉完畢后。體外預應力筋在加固梁中引起的附加內力自成平衡體系，不改變整體平衡。所以預應力筋端部兩水平向等效荷載自相平衡。由于預應力軸向作用，被加固梁由受彎構件轉為偏心受壓構件。3.2 平衡荷載的設計概念預加力Np對梁截面產生的彎矩是拋物線的，即：M=4Npf(l-x)x/l2對x求導可得由M引起的等效荷載w,即：w=d2M/dx2=

8、-8Npf/l2式中負號表示w作用方向朝上。設各截面預應力筋的預加力Np相等，并設e(=y)為預應力鋼筋至梁截面形心的偏心距Npe=w(l-x)x/2梁內配有預應力筋，其線型符合拋物線方程：y=4f(x/l-(x/l)2其中f為拋物線矢高，x為計算截面離梁左端的距離。如果梁上作用的均布荷載值q與w相等，則該荷載將全部被預加力所平衡，由此，稱為平衡荷載法。若q=w,梁演變?yōu)槭艿剿捷S力Np作用的軸心受壓構件。若qw,梁演變?yōu)槭芩捷S力Np作用的偏心受壓構件。3.3 轉移荷載的設計概念轉移荷載的概念認為預加力除了一部分用于平衡外荷載，其余部分力作為新引入的荷載作用于結構端部。 當Ppres=P時，

9、混凝土受彎構件就成為兩端鉸支的軸壓構件，荷載的形式和傳遞路徑被完全改變了。轉移荷載的概念不僅保留了平衡荷載概念中通過預應力筋的作用，將外荷載的作用相抵消一部分，改變結構受力形式的基本點，同時指出了預應力筋改變了外荷載的傳遞路徑，將跨中的部分荷載轉移至兩端的本質。 體外預應力技術在加固工程中具有鮮明的特色，有著其它加固方式所沒有的減小或消除裂縫及撓度的作用。 4. 預應力加固法的工藝張拉方式：千斤頂張拉法（與普通預應力筋張拉方式一致）、橫向收緊法、豎向收緊法 。人工橫向收緊法張拉預應力1-原梁；2-加固筋；3-U形螺絲；4-撐桿；5-高強螺栓a-豎向收緊張拉；b-豎向頂撐張拉1-原梁；2加固筋；

10、3-收緊螺栓；4-鋼板；5-高強螺栓；6-頂撐螺絲；7-上鋼板；8-下鋼板預應力筋的錨固:1）U形鋼板錨固；2）高強度螺栓摩擦粘結錨固；3）焊接錨固；4）扁擔式錨固；5）套箍錨固；6）利用原結構錨固預應力筋錨固方法示意圖aU形鋼板錨固；b高強度螺栓摩擦粘結錨固；c焊接錨固；d扁擔式錨固；e套箍錨固。1原梁；2加固筋；3上鋼板；4下鋼板（棒）；5焊接；6螺栓；7外拉式千斤頂；8錨接接頭；9高強螺栓4. 體外預應力受彎構件截面的受力特性二次效應:當構件受荷載作用產生變形后，體外預應力筋在錨固端與轉向塊之間仍保持直線，因此構件的形心線與力筋之間的距離會發(fā)生變化，這種現象稱為二次效應。體外預應力筋偏心

11、距 二次效應是一個十分復雜的受力過程，要想準確地計算很困難，因此，在實際工程中一般不從設計計算來考慮二次效應的影響。5. 計算方法5.1 正截面承載力計算為受壓區(qū)混凝土截面對受拉區(qū)鋼筋合力點的靜矩為受壓區(qū)非預應力鋼筋合力點至截面受拉邊緣的距離實際上，加固工程中的體外預應力筋往往達不到其屈服強度，所以其設計值 應取其實際應力值參與截面平衡條件，即： 參照無粘結預應力我國無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程（JGJ/T92-93）規(guī)定了其應力設計值按受彎構件跨高比l/h及綜合配筋指標0來確定。對l/h35，且00.45的構件，p=pe+（500-7700）/1.2對l/h>35，且00.45的構件

12、，p=pe+（250-3800）/1.2而為配筋綜合指標5.2 斜截面承載力計算對于直線型外露的預應力加固筋，則有：式中：Vu原梁的斜截面抗剪承載力； Np 預應力產生的縱向作用力。預應力加固筋為元寶式布設，斜直線段預應力筋相當于普通混凝土梁中的彎起筋，則有： 預應力筋與原梁澆筑為一體的加固梁 :6. 預應力加固設計方法基本要求：1）對正截面受承載力不足的梁、板構件，可采用預應力水平拉桿進行加固；正截面和斜截面均需加固的梁式構件，可采用下撐式預應力拉桿進行加固。2）采用外加預應力方法加固混凝土結構構件時，原構件的混凝土強度等級應基本符合國標現行混凝土結構設計規(guī)范對預應力結構混凝土強度等級的要求

13、。3）新增的預應力拉桿、撐桿、綴板以及各種緊固件等均應進行可靠的防銹處理。對有防火要求的構件，應按耐火要求對新增的預應力件進行防護。6.1 采用預應力水平拉桿加固混凝土梁1)預應力水平拉桿的總截面面積Ap,est: 式中：M加固梁驗算點處受彎承載力需要的增量，一般可按計算；M=M fyAs(h0-x/2) 1 內力臂系數，取1=0.85fpy 預應力鋼拉桿抗拉強度設計值； h01 由被加固梁上緣到水平拉桿截面形心的距離。2）計算新增外荷載作用下該拉桿產生的作用效應增量N 當預應力產生并發(fā)揮作用時,預應力拉桿與原梁組成超靜定結構,在新增外荷載作用下,拉桿內力必然增加,此時需驗算在水平拉桿作用效應

14、作用下梁跨中及支座截面的偏心受壓承載力,以及支座附近抗剪承載力, 滿足要求時,拉桿截面尺寸隨之確定； 對于采用預應力加固的梁,其抗彎承載力增量不宜大于原梁的1.5倍,總配筋率不宜超過2.5%3）確定水平拉桿應施加的預應力值p： 除應按混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定的控制張拉應力并計算預應力損失值外，尚應按下式進行驗算：Ap 實際選用的預應力水平拉桿總截面面積；1 兩根水平拉桿的協同工作系數，取1=0.854) 施工控制量應按采用的施加預應力方法計算。若采用千斤頂張拉，可按張拉力pAp控制； 若按伸長率控制，伸長率中應計入裂縫閉合的影響。 6.2 采用兩根預應力水平拉桿橫向拉緊時橫向張拉量H可近似按下式

15、計算:式中：L1張拉后的斜段在張拉前的長度； Es拉桿鋼筋的彈性模量； 6.3 采用預應力下撐式拉桿加固混凝土梁時1）預應力下撐式拉桿的總截面面積Ap： 式中： 2 內力臂系數，取2=0.85fpy 下撐式預應力鋼拉桿抗拉強度設計值； h02 由下撐式拉桿中部水平段的截面形心到被加固梁上緣的垂直距離。2）計算新增外荷載作用下該拉桿中部水平段產生的作用效應增量N3）確定水平拉桿應施加的預應力值p 除應按混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定的控制張拉應力并計算預應力損失值外，尚應按下式進行驗算：式中：2下撐式拉桿的協同工作系數，取2=0.8。4）驗算被加固梁跨中和支座截面的偏心受壓承載力，以及由支座至彎折處的斜截面受剪承載力。驗算時，將下撐式拉桿的作用效應作為外力處理。若驗算結果不能滿足現行混凝土結構設計規(guī)范要求時,應加大拉桿截面或改用其它加固方法 。5)施工控制量與水平拉桿控制方法