横向张拉预应力加固悬挑楼梯2.doc

横向张拉预应力技术加固混凝土悬挑楼梯韩敏1,韦子牛1,李青松2（1连云港市住房保障和房产管理局，江苏连云港 222002 2淮海工学院土木工程学院， 江苏连云港 222005 ）摘 要：为了研究横向预应力张拉技术在工程加固中的应用，通过将该项技术应用于某住宅悬挑楼梯工程的加固，研究了对被加固结构采用横向张拉施加预应力的原理与方法，以及实现加固目标的施工工艺和质量控制方法。与纵向预应力张拉技术相比，横向预应力张拉有其独特的优势，更加方便于在加固现场的应用，特别适用于一些中小构件的加固。实践表明，采用横向张拉预应力加固技术，锚固和节点处理简单，设备要求低，施工方法简便；加固后结构能够满足安全性和耐久性要求，效果良好。关键词：预应力，横向张拉，加固，悬挑，施工工艺Vertical Tension Prestress-reinforcing Concrete Cantilevered Stairs Han Ming1, Wei Ziniu1 , Li Qingsong2(1.Lianyungang Housing Security and Housing Authority Bureau, Lianyungang 222002, China 2School of Civil Engineering, Huaihai institute of technology )Abstract：To study the vertical tension prestressing reinforcement in engineering applications, through the practical application of reinforcement in a cantilevered stairs of a residential project, the research focuses on the principles and methods of the vertical tension prestressing, and the construction technology and quality control methods of achieving the goals of reinforcement. Compared with lengthway prestressing technology, vertical prestressing has its unique advantages, which is easier to apply in the spot of reinforcement, especially for some small or medium member of the reinforcement. Practice shows that the vertical prestressing reinforcement technology has its advantages of simpler anchor and node, less equipment requirements and more convenient construction methods; reinforced structure can meet the requirements of safety and durability with the good effect. Keywords：prestressing; vertical tension; reinforcement; cantilever; construction technique建筑物和工程构筑物在投入使用前或服役后，由于设计、施工、使用和环境因素等原因其功能将逐渐减弱，而不能满足当前的工程性能要求，必须进行局部或整体的加固、改建或重建。如果能够科学地评估这种损伤的程度和规律，及时采取有效处理措施，可以延缓结构的损伤进程，达到延长结构使用寿命的目的。从节约投资和可持续发展的原则来看，在结构物功能没有完全丧失，只是减弱及安全度下降的情况下，可优先考虑对其进行补强与加固处理，提高其承载能力，延长其正常使用年限1。使这些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求，继续为社会服务。一 横向张拉预应力加固技术预应力技术在加固工程中的应用具有诸多先天的优势，主要表现在：1.能够重新调整原结构内力状态和应力水平，实现对原结构受拉钢筋的卸荷，恢复构件的变形，提高构件刚度；2.减少补强材料的应力滞后现象，充分发挥补强材料的补强效果，提高加固效率；3.加固手段灵活，能够更好地适应工程现场加固的特殊要求； 4.结构设计概念明确，从预应力施加的情况即可方便评估加固的效果。因此构件或结构的加固，应优先选择预应力加固方案。每个加固工程均有其特殊性，灵活地应用预应力技术可以取得良好的加固效果。预应力技术在加固工程中应用的关键就是张拉工艺，传统的纵向预应力张拉技术对设备要求高，技术难度大，实施成本高，同时由于现场条件的限制，对于大量的中小型构件，难以适用，极大地限制了预应力技术在加固改造工程中的推广应用。横向预应力张拉技术与纵向预应力张拉技术不同，可采用先锚固后张拉的方式，以构件自身作为反力装置，其张拉方向与材料的受力方向垂直，张拉力小，预应力损失小（主要为材料的应力松弛），成本低；横向预应力张拉技术无需复杂的机械设备，只需简易的辅助工具即可完成；所需空间小，操作简便，特别适合中小构件的现场加固，且成本低廉。 二 横向张拉预应力加固原理采用横向预应力张拉时，张拉方向与补强材料的受力方向基本垂直，通过横向张拉使补强材料产生变形，产生预应力2，从而实现主动加固；通过施加预应力，可人为地控制和调整结构的受力，使得加固方式更加灵活。一般情况下，梁板在竖向荷载作用下，使得支座部分上部受拉，跨中下部受拉；而通过施加预应力，可使构件受力状态与荷载作用下恰好相反，减轻构件负荷，以达到加固的效果。图1 横向张拉几何关系示意图Fig1. Schematic diagram of vertical tension geometry横向张拉方式实现预应力的原理如图1所示，钢筋原长为，横向张拉距离为，张拉后钢筋长为，此时钢筋伸长量；因此钢筋的应变，张拉预应力，张拉力； 加固设计时，只需调整与的比例关系，即可得到设计需要的张拉应力。三 工程应用实例（一）工程现状及评定某住宅为七十年代建造的砌体结构房屋，墙体部分采用实心粘土砖与混合砂浆砌筑。该工程楼梯为埋墙式悬挑楼梯，无维护结构，楼梯平台部分的主要承重构件为悬挑梁以及现浇平台板，走道部分采用预制空心板，搁置于挑梁之上；楼梯踏步部分采用L形预制踏步板，一端埋入墙内，另一端悬挑。该工程悬挑楼梯主要存在以下几个方面的问题：1 混凝土挑梁以及踏步板混凝土材料老化，构件局部破损严重，部分钢筋外露；2 钢筋出现明显的锈蚀现象，部分锈蚀严重，造成钢筋有效截面明显减少；3 楼梯护栏根部连接损坏严重，部分已脱落，护栏晃动，影响安全。该房屋是上世纪70年代末的建筑，设计标准偏低，且无法找到相关的设计资料，外观判断混凝土强度等级偏低，构件的尺寸偏小，承载力储备较少；同时构件的破损及老化会进一步削弱构件的承载力；另外，由于悬挑构件为静定结构，无多余约束，一旦出现超载现象极有可能发生楼梯坍塌事故，危害极大。针对上述情况，对该楼梯进行了必要的检测，经测定混凝土的残余强度约为15，钢筋的锈蚀程度较为严重，通过对部分钢筋进行取样分析，断面锈蚀率达到15%，挑梁的基本参数如图2所示，估算挑梁的残余承载力约为22。经过对负载最大的挑梁进行验算，仅恒载部分在挑梁根部产生的弯矩就达20，考虑1.2的荷载分项系数后已达24，如再计入2的活载，计算所需承载力高达313，该构件已处于极度危险的状态，其余的挑梁也存在着不同程度的承载力不足现象，急需进行加固处理。图2 挑梁基本参数Fig2. Basic parameters of cantilever beam（二）加固设计由于该住宅处于城市的老旧小区，情况较为复杂，工程加固的方案设计必须避免产生新的矛盾，同时要尽可能减少对住户的影响，加固设计以提高挑梁和挑板的承载力为主要目的，同时对破损的混凝土进行修复，以满足现阶段的承载力以及耐久性的要求。1、楼梯悬挑梁加固 挑梁加固采用角钢焊接的三角形支架（详见图3），采用Q345镀锌角钢，支架节点设计承载力28，可增加挑梁抗弯承载能力16，可充分满足承载力要求。支架通过310膨胀螺栓与墙体连接（螺栓抗剪承载力38），考虑到墙体质量较差，所有膨胀螺栓及角钢与墙体、角钢与梁底相连处均用结构胶粘结。通过调节螺孔，可使支架与挑梁底接触紧密，并使支架初步受力，同时在支架与挑梁之间楔入钢片（4厚），迫使支架产生变形，可产生约8的预压力，使得附加结构主动参与结构受力，提高加固效率。为满足楼梯下通行的净空要求，支架高度控制在250以内，采用镀锌角钢以满足耐久性要求。图3 三角支架详图Fig3. Triangle bracket detail2、楼梯踏步板加固加固方案：采用在踏步板埋墙端设置12加长螺栓（埋墙约12）与墙体连接（因墙体质量较差，为改善螺栓的受力状态，孔洞可略向下倾斜，清孔后，先期灌注结构胶）。为避免受力集中，螺栓间距应控制在78之间；悬挑端设置角钢与原有的预埋件连接，两根8（HRB400）钢筋一端焊在膨胀螺栓上，另一端焊在角钢上（角钢与原楼梯护栏的预埋铁件焊接），间距设计为5，两根钢筋不等距以便于调整受力（具体形式见图4），设计承载能力3 .完成后对钢筋采用横向张拉技术施加预应力，设计预应力150，单根钢筋拉力为7.5；施工时，因考虑预应力损失，实际的横向控制位移可取2.5。固定后浇筑高粘性的早强自密实细石混凝土(C25)，同时增强了楼梯的整体性，确保结构的受力性能和耐久性。 图4 踏步板加固详图Fig4. Reinforcement detailing of treads4、破损混凝土修复对构件表面进行清理，刷界面剂，用聚合物砂浆（内掺早强减水剂）对破损严重的混凝土进行修复，恢复构件的外观，提高构件的耐久性；5、楼梯护栏加固在护栏根部焊角钢，灌注结构胶，并进行饰面处理，对护栏进行加固、对栏杆及扶手进行防锈处理，提高护栏的安全性和耐久性。（三）加固方案的主要特点1、因地制宜，充分结合工程现有的情况制定加固方案，如利用楼梯挑板端头的预埋件制定挑板的加固方案，将护栏的加固与楼梯挑板的加固结合起来。2、灵活利用预应力加固技术，突破传统的预应力加固方法，根据工程实际条件选择不同的加固材料和张拉形式，方法简便可行，原理清晰。3、充分利用横向张拉的优点，操作简便，无需复杂的锚夹具和机械设备，经济高效。（四） 施工工艺及技术细节图5 钢片楔入Fig5. Steel wedge加固施工中，施工工艺和质量将直接关系到加固的效果。先进合理的施工工艺和可靠的施工质量是取得良好加固效果的前提，其施工工艺如下4：挑梁部分：1.构件表面清理，剔除破损及松动的混凝土，尤其是挑梁底部。2.刷界面剂，用聚合物砂浆对破损严重的混凝土进行修复；3.在挑梁下的墙体上按设计要求打孔，用压缩空气清孔后灌注结构胶，并植入膨胀螺栓；4.将按设计要求加工好的角钢支架用螺栓初步安装在一起；5.将杆件按设计要求安装与膨胀螺栓上，注意角钢背面抹结构胶，向上敲击杆件，将其与梁底顶紧，然后将螺栓拧紧；6.将杆背面抹结构胶，并分别将连接杆件的安装螺栓初步拧紧，向上敲击杆，将杆向上与梁底顶紧，并将所有螺栓拧紧，然后按设计要求将各杆件之间焊接牢固；因挑梁底部有一定的倾角，所以三杆之间均需设置安装螺栓，以方便将杆向上顶紧；7.将钢片打入杆的端部，如图5所示，注意钢片的中心要靠近角钢的肢背。8.对构件表面进行饰面处理，满足构件的耐久性和观感要求。踏步板部分：1.构件表面清理，剔除破损及松动的混凝土。2.刷界面剂，用聚合物砂浆对破损严重的混凝土进行修复；图6 钢筋张拉完成图Fig6. Tensioning complete graph3.在踏步板根部的墙体上按设计要求打孔，用压缩空气清孔后灌注结构胶，并植入螺栓；4.将按设计要求加工好的角钢用螺栓安装在踏步板根部；5.将角钢在踏步板端部焊牢在原预埋铁件上；6.将钢筋按设计要求焊在两端的角钢之上，并进行横向张拉、用粗铁丝固定拧紧，；7.绑扎横向钢筋，浇筑细石混凝土面层。8.对构件进行饰面处理，满足构件的耐久性和观感要求。四 结语本工程的加固根据业主要求，本着避免增加新的矛盾，少干扰居民的正常生活的原则进行，其主要特点有：1结构加固设计中灵活地应用预应力加固的思想，使加固部分主动参与整体结构受力，实现对原结构的卸载，提高了加固效率，达到了加固补强、提高承载性能、增强耐久性等目标；2结构加固中所用镀锌角钢和聚合物细石混凝土面层加固技术，具有高强、聚合力强、防腐、无污染等特点，且锚固和节点处理简单、运输方便，施工方法简单可行，经预应力张拉检验，质量控制直观明了；3采用预应力钢架加固，角钢自重非常小，细石混凝土面层厚度仅为2025，结构自重增加有限；该工程已经完工并投入使用一年，目前状况良好。预应力加固技术是一种可靠、灵活、高效的加固技术，具