预应力技术在改造工程中的应用

预应力技术在改造工程中的应用东南大学大礼堂是该校的一幢标志性建筑，建于本世纪30年代。经检查，部分结构构件已不再符合规范所要求的安全等级，须对大礼堂进行补强加固，并将大礼堂东厢2层楼房的底层改造成一大空间报告厅，取名为春晖堂。这样，就需抽除底层4根300mm×300mm的柱子Z1~Z4(图4-18-1)，以满足建筑使用要求。该房建筑平面尺寸为17.28m×11.60m，属内框架混合结构。然而，抽柱后结构传力途径的改变使外纵墙及其地基基础上所受外载增加；另外，由于l964年增建的礼东教学楼引起原本较弱的地基(R≤60kN/m2)不均匀沉降，导致春晖堂东端南北外墙出现了明显的斜裂缝。因此，改造过程中，对外纵墙及地基基础也必须作相应的加固处理。第1章加固改造方案经检测，春晖堂原二层楼面的内框架梁L1、L2、L3和次梁L1′、L2′的截面尺寸均为300mm×400mm，四周承重墙宽占bw=370mm，混凝土强度等级C20，Ⅰ级钢，屈服强度设计值ƒy=210N/mm2。对此，补强改造的方案可以有多种，但主要有以下3种方案：【方案一】原则上不改变原梁的主次关系，直接加固梁L1、L2，用作主梁。而L1′、L2′仍为次梁，它们将楼面荷载传给L3，随后再传到L1、L2上，最后通过南北承重纵墙传入基础，但这样使梁L1′、L2′两端的纵墙上新增荷载过于集中。荷载传递流程如图4-18-2(a)所示。【方案二】将原梁L1、L2和次梁L1′、L2′均加固成主梁，而把梁L3改作次粱。这样，外纵墙上所承受的新增荷载分布较均匀，受力合理。荷载传递流程如图4-18-2(b)所示。【方案三】将原楼面梁L1、L2、L1′、L2′和L3加固转变成井式梁结构，使楼面荷载较均匀地传递到纵、横外墙上，但加固梁施工工作量大，且有一定难度。荷载流程如图4-18-2(c)所示。实际工程中，综合考虑各方案的加固梁工作量、施工难度和重新分布荷载的均匀程度，最后采用方案二。具体加固方法是：采用梁两侧对称设置折线形高强预应力钢绞线束进行补强，同时将加固梁L1、L2、L1′、L2′两头的预应力筋张拉锚固端内埋于纵墙外周边的圈梁(770mm×400mm)内，以满足建筑外立面要求。张拉结束后，用C30混凝土封堵外圈梁上局部缺口，并包裹钢绞线束，以达到防火、防锈蚀的目的，见图4-18-3。另外，一方面考虑到柱抽除后外纵墙上荷载增加，房屋侧向刚度削弱，故采用单侧配筋细石混凝土夹板墙结合钢筋混凝土扶壁柱法加固外纵墙(图4-18-4)，另一方面，因为地基基础较弱，以及传力途径改变使地基基础上荷载增加，所以采用压力注浆旋喷桩结合抬梁法加固外墙下地基基础(图4-18-5)，这样还可有效阻止不均匀沉降的继续发展。旋喷桩对称于墙中心线布置，扶壁柱下设4根，窗间墙下设2根。第2章加固改造设计计算春晖堂抽柱改造后，二层楼面梁L2′上还要增加一面3.5m高的内墙。为减轻自重，采用墙两侧各抹灰厚25mm砂浆的泰柏板轻质墙体。这样加固主梁分为两类：带墙的L2′和不带墙的L1、L2、L1′。在梁L1、L2、L1′和L2′的加固设计中，将原梁混凝土整截面视作加固梁的受压区，原梁钢筋的作用不再计入，而仅将其作为加固梁的一部分安全储备。另外，由于采用预应力加固改造法，抽柱前在对梁L1、L2、L1′和L2′的加固过程中，预应力产生的等效荷载可平衡掉原梁上的静载，，从而卸去柱上的压应力，方便了柱子的拆除。具体设计计算方法如下：第1节梁L1、L2、L1′和L2′的荷载与内力1.底层四柱抽除后，梁L1、L2、L1′和L2′均可简化成简支梁。梁上静、活荷载标准值分别以D、L表示，图4-18-6为加固梁的计算简图。2.由加固梁计算简图可计算出控制截面内力值：梁L1、L2和L1′的弯矩M1=623kN·m，剪力V1=215kN；梁L2′的弯矩M2=739kN·m，剪力V2二255kN。第2节预应力筋估算预应力筋选用1570级Фj15钢绞线，锚具选用JM15-3夹片锚。张拉控制应力：对梁L1、L2和L1′取σcon1=0.65ƒptk=1020N/mm2，对梁L2′取σcon2=0.56ƒptk=879N/mm2。根据公式Ap=M×(PPR)∕(0.9σps×hop)，估算出预应力筋面积，结果列于表4-18-1。式中：PPR—预应力度，因不考虑原梁钢筋抗弯作用，故取l.0；σps—预应力筋极限应力设计值，近似取σcon。第3节预应力加固梁承载力计算预应力损失σ1；预应力损失σ2主要包括预应力筋与钢盒间的摩擦损失σ12，锚固损失σ11，松弛损失σ14和混凝土压缩徐变损失σ15。计算结果见表4-18-2。预应力筋的极限应力设计值σps：按照公式σps=(1/1.2)(σpe+500－1400β0)计算，结果列于表4-18-2。加固梁的抗弯与抗剪承载方Ms与Vs：将加固预应力视作梁的内应力，根据力学平衡条件∑N=0，∑M=0，易得抗弯与抗剪承载力Ms，和Vs。最后，将其与设计弯矩M和设计剪力V比较，结果示于表4-18-2。Ms∕M、Vs/V均大于1，满足承载力要求。外纵墙、地基基础的设计计算：按照相应的加固规范计算，此处从略。第3章主要施工技术1.施工顺序：地基基础加固→承重墙加固→横向主梁预应力加固→拆柱。其中，关键是预应力加固梁后的反拱有效地方便了柱子的拆除。2.采用配备空压机的冲击钻杆高效率倾角打洞技术，在圈梁上快速打出穿预应力束的斜孔。预应力钢绞线采用单根穿。对3根Фj15钢绞线束采用JM15—3夹片锚，对2根Фj15钢绞线束也采用JMI5—3夹片锚，但张拉时，要在第3个锚具孔内插入约1.2m长的Фj15短钢绞线。张拉方式为：用2台千厅顶于梁两端斜对称同步一端张拉。为减少摩擦损失，张拉时，在钢绞线与钢盒支撑垫棍间放置滑动薄铁皮。3.采用跨过梁头的厚钢板(h=35mm)将预应力筋锚固力传至梁端，以避免梁端两侧圈梁因打洞使截面削弱而被剪坏。另外，完全将锚具埋置于外圈梁内，不影响建筑立面外形的美观。4.如图4-18-7所示，梁L1、L2南端间的圈梁由原先的770mm×400mm的矩形截面(虚线)改成了梯形截面，而Ll、L2正好各有一束预应力筋从该段梯形截面圈梁上穿过，并且其倾斜方向与梯形斜面方向相反。这给施工带来很大困难。因为当时工期非常紧，且此处锚固集中应力又很大，经多方案比较后，使用了特殊配方的高强混凝土浇筑于图4-18-7中阴影区范围，长度60cm。2d后，混凝土强度即超过了C30。张拉时，将这端作为锚固端，以降低应力集中峰值。施工结果表明，这一措施不但保证了质量，也保证了工期。5.最后利用混凝土抗拉强度低的特性，采用预应力快速破断技术，半天移除4柱。第4章结语改造后的春晖堂，成为一个宽敞气派的大空间报告厅，总使用面积为200.4m2，效果非常显著。现场测试结果为：加固梁总反拱值平均4.5mm；张拉阶段预应力产生的等效荷载等同于柱上所受拉力，这些结果与设计值较吻合。实践证明：预应力加固改造法不但能对普通梁进行常规体外加固，而且，能够有效地用于建筑物改造工程与拆除工程，它的推广应用前景和由此产生的综合经济效益则是不言而喻的。