预应力混凝土结构在大跨度建筑结构中应用较为广泛,结构中的预应力因施工因素、混凝土结构的收缩与徐变、荷载作用和结构使用过程中的累积损伤作用会有所降低,现存预应力大小是确定现役结构状态的关键指标,对结构的加固设计有重要影响。

　　 本文以某预应力钢筋混凝土框架密肋梁板结构为例,结合工程现场实际情况,采用特制工装检测了原有钢绞线的现存预应力,对主梁协调扭矩过大的问题进行了研究,提出了相应的加固修复方案。

　　 某三层现浇钢筋混凝土框架密肋梁板结构,竣工于1988年。其中一层顶为12m跨现浇无粘结预应力单向密肋梁板结构,梁截面为200mm×450mm,板厚为80mm,柱截面为500mm×500mm。二、三层顶为12m跨现浇单向密肋梁板结构,梁截面为250mm×480mm,板厚和柱截面尺寸同一层。结构模型见图1。结构后续使用年限为30年。因楼梯在主体结构外部,为独立结构,图1中未包含。

　　 检测鉴定结果表明,柱原混凝土设计强度为200号,实际一层为C30,二、三层为C25;梁、板原混凝土设计强度为400号,实际一层梁、板均为C30,二层梁为C30、板为C35,三层梁、板均为C35。结构抗震鉴定计算结果表明,地震作用下结构X方向的最大层间位移角为1/548,Y方向的最大层间位移角为1/484,均大于1/550,不满足规范要求。一层和二层部分混凝土梁的实际配筋不满足抗弯计算要求。一层梁原有预应力钢绞线为1570级直径15.2mm,每根梁有4根钢绞线(分为2束,每束两根钢绞线),每根钢绞线均套有PE管。在拆除一层内部回形钢筋混凝土楼板后,发现钢绞线张拉端锚具均暴露在外,大部分钢绞线外留长度均有1米多,部分锚垫板、锚具锈蚀、松动,见图2。锚头未松动的预应力钢绞线的实际预应力较小,实际拉力范围为10.2～95.1kN。预应力钢绞线跨中距梁底高度为60～102mm,端部距梁底高度为365～415mm。

　　 由于工期要求,在拆除一层内部回形钢筋混凝土楼板、发现原有预应力钢绞线问题前,已经进行了部分结构的加固,一层部分墙体也已砌筑,其中屈曲约束支撑已施工完毕,见图3和图4。屈曲约束支撑加固后,地震作用下结构X方向的最大层间位移角为1/669,Y方向的最大层间位移角为1/606,已满足规范要求。

　　 本工程密肋梁板结构中,密肋梁为次梁,其中原有钢绞线现存预应力大小是加固修复方案的关键指标,因此需选择合适的检测方法。

　　 经分析和试验采用钻孔法或超声波法检测密肋梁的现存预应力是不适用的。密肋梁的截面尺寸为200mm×450mm,其中楼板厚度为80mm,采用钻孔法可能伤及梁内钢筋和预应力钢绞线,混凝土应变片也无法有效布置,同时钻孔对结构的受力性能影响较大。通过对强度等级为C20,C30,C40的标准混凝土试块在不同应力状态下的超声波试验结果进行分析发现,超声波速与试块的应力受外界因素的干扰较大,无规律性,难以保证检测结果的准确性和有效性。

　　 根据本工程的现场情况,原有钢绞线张拉端锚具均暴露在外,其外留长度满足采用穿心式千斤顶直接张拉检测有效预应力的要求,但采用拉脱法检测钢绞线则不可行,因为锚头、夹片部分有的已经锈蚀,可能难以拉脱或者勉强拉脱,也会导致夹片破坏,因此采用特制工装拉离锚头的方法检测钢绞线的现存预应力。特制钢绞线张拉装置见图5,该装置也用于加固施工张拉钢绞线时放置镀锌开口钢垫板或钢垫圈。

　　 因为原有钢绞线锚垫板、锚具锈蚀、松动,已经不可更换,另外其锚固端情况和在梁体内部分的完好情况无法采用无损方法检测,因此需采用体外预应力加固方法增加其可靠性 ^[1]。

　　 检测结果表明,所检测的原有预应力钢绞线实际现存预应力为10.2～95.1kN,因为有的锚头已经松动,因此所有原有钢绞线的现存预应力为0～95.1kN,预应力大小是不确定的,因此确定结构中密肋梁的预应力是加固设计的关键问题。

　　 先不考虑原有钢绞线作用,即假设原有钢绞线的有效预应力为零,PKPM鉴定加固模块计算结果表明,柱间密肋梁除1根不满足抗弯承载力要求外,其他均满足抗弯承载力要求;非柱间密肋梁均不满足抗弯承载力要求,见图6(a),图中有标记的为不满足要求的密肋梁。

　　 为解决原有钢绞线预应力大小不确定的问题,根据所检测的钢绞线预应力值的大小和分布特点,采用特制的1,1.5,2,5mm厚的镀锌开口钢垫板或钢垫圈,根据现场情况组合放置在锚头和锚垫板之间,将每根梁的原有预应力钢绞线平均张拉至50kN,即每根梁的预应力达到200kN,同时考虑到荷载变化和温差的影响,原有钢绞线的有效应力要满足不小于0.15f_ptk(f_ptk为钢绞线的极限抗拉强度标准值)的要求。将原有钢绞线张拉至平均有效预应力为45kN时,根据原有钢绞线抛物线索形参数,预应力等效荷载如图7所示。将预应力等效荷载施加在计算模型中,结果表明,除了图6(b)中两个椭圆内圈中的4根梁外,其他密肋梁均满足承载力要求。

　　 对锚垫板和锚具、钢绞线采取除锈防腐处理进行修复 ^[2]。打磨锚垫板,用钢丝刷清除锚具各构件的锈迹,除锈防锈采用文献[3]中涂装体系,即无机富锌底漆1道厚度40μm,无机富锌面漆1道厚度30μm。

　　 进行体外预应力加固的密肋梁包括两种情况:第一种情况的梁是对原来钢绞线补张拉后其承载力仍不满足要求的4根梁;第二种情况的梁是对原有钢绞线补张拉后其承载力满足要求,但需进行安全储备加固的密肋梁。

　　 这种情况的梁为图6(b)上、下2个椭圆中的梁,其中上椭圆中为1根梁,下椭圆中为相邻3根梁。受使用净空要求的限制,经方案对比,采用三分点三折线体外预应力加固方法进行加固 ^[4]。

　　 对于图6(b)下椭圆中相邻3根梁中最上边的梁,由于钢支撑节点已经安装完毕,所以采用在楼板开洞的方法实施预应力加固,见图8。

　　 考虑到后续的安全储备、可修复性和避免超筋 ^[5,6],体外预应力筋采用1860级直径15.2mm钢绞线,梁两侧各设置2根共4根钢绞线,钢绞线有效应力为0.2f_ptk,其预应力等效荷载见图9。

　　 对于图6(b)下椭圆中相邻3根梁中下边的2根梁,经计算,单纯采用体外预应力加固仍不能使其承载力满足要求,因此首先在梁底增大截面高度100mm后,再采用1860级直径15.2mm钢绞线共4根,在加固梁的中和轴位置处穿过边梁实施预应力加固,钢绞线有效应力为0.2f_ptk,见图10,其预应力等效荷载见图11。

　　 对于图6(b)上椭圆中的1根梁,由于梁两端均有柱,所以采用钢绞线绕过柱在加固梁的中和轴位置处穿过边梁的方法实施预应力加固。经计算,也需首先在梁底增大截面高度100mm后,再实施体外预应力加固,见图12,其预应力等效荷载见图11。

　　 对于第二种密肋梁,虽然对原来钢绞线补张拉后,经计算其承载力满足要求,但由于无法采用无损方法检测钢绞线的锚固端和钢绞线在梁体内部分的情况,其可靠性难以评估,所以采用在梁两侧各布置2根1860级直径为15.2mm钢绞线,钢绞线有效预应力为0.2f_ptk,作为安全储备,以防原有钢绞线失效。

　　 由于本工程的特殊性,为防止超筋和增加合理的安全储备,体外预应力钢绞线均为低预应力,因此采用防松锚具。

　　 当体外预应力钢绞线有效荷载施加在计算模型后,考虑除框架梁外的密肋梁与边梁按刚接和铰接两种情况进行计算和分析。当密肋梁与边梁为刚接时,除了密肋梁板部分3根柱外,在其他密肋梁板部分框架柱两侧的梁段受扭承载力不满足要求,见图13(a);当密肋梁与边梁为铰接时,在框架柱两侧的一个或两个梁段受扭承载力不满足要求,见图13(b);图13中有标记的为不满足要求的梁段。

　　 当密肋梁与边梁按刚接计算分析时,体外预应力钢绞线的等效荷载在端部的等效集中弯矩和跨中间的等效集中力产生的弯矩会平衡一部分,分配给边梁的扭矩就小些;而密肋梁与边梁按铰接计算分析时,体外预应力钢绞线的等效荷载在跨中间的等效集中力产生的弯矩不会平衡梁端部的等效集中弯矩,分配给边梁的扭矩就较大;这样导致按铰接计算分析时,边梁端部梁段所受到的累积扭矩就大,因此不满足扭矩要求的边梁梁段就多。

　　 针对在施加安全储备体外预应力钢绞线等效荷载后,边梁扭矩不满足要求的问题,经分析,不采取加固措施。边梁的扭矩为密肋梁的弯曲变形引起的协调扭矩 ^[7,8,9,10],由图6(a)可知边梁已有配筋满足承载力要求。不考虑原有钢绞线的预应力时,边梁的协调扭转变形最大,即扭矩最大,但其已有配筋满足承载力要求,而施加预应力后,无论是对原有钢绞线补张拉,还是张拉体外预应力钢绞线,都可减小密肋梁的弯曲变形,从而减小边梁的协调扭转,即降低边梁的扭矩。之所以产生当施加安全储备预应力钢绞线后,边梁扭矩不满足要求,是因为在计算模型中为方便施加荷载,将等效荷载分拆为几个等效的集中力和集中弯矩,尤其密肋梁在计算模型中与边梁的连接设置为铰接时,人为地大幅度增加了边梁的计算扭矩。

　　 在施工阶段,为考虑体外预应力对结构的不利影响,不计恒载、活载、风载和地震作用,对结构进行计算分析,根据计算结果,对结构加固施工前、后的内力及变形进行了比较,结果表明边梁、密肋梁均满足要求。

　　 (1)通过补张拉原有钢绞线至确定的值,从而解决了原有预应力大小不一的问题。

　　 (2)对不同位置、不同施工条件、不同加固目的的密肋梁,分别采用低预应力钢绞线穿板、穿梁中和轴和抱柱方法进行加固,增加结构的可靠性。

　　 (3)有效荷载导致边梁的协调扭矩大幅度增加,可通过密肋梁的变形对比确定合理的加固措施。