体外预应力混凝土结构是将预应力筋布置于混凝土构件截面之外的一种预应力结构形式, 是无粘结预应力体系的重要分支之一, 它在预应力材料选择、张拉设备选择、施工顺序与方法、预应力损失估算、极限承载力计算、结构耐久性评估等许多方面都具有自身的特点^[1]。无粘结预应力结构与有粘结预应力结构受力性能的显著区别是预应力筋与混凝土构件之间协同工作的程度。体外预应力结构仅在预应力筋锚固处和转向块设置处与混凝土有一致的变形, 其他位置处预应力筋与混凝土变形不协调, 这种现象极易引起预应力损失, 会产生显著的二次效应, 而且这种现象在极限状态时非常明显, 导致预应力效果有所折扣, 从而一定程度上降低体外预应力混凝土结构的抗裂能力、抗弯极限承载能力和耐久性。

　　 随着体外预应力技术的发展, 国内外学者做了大量的研究, 并取得了一系列可喜的成果。文献[2]对采用不同线型体外预应力加固矩形RC简支梁挠度进行了试验研究与数值分析, 结果表明体外预应力加固法对减小梁挠度效果显著, 有限元方法可以有效模拟加固梁的荷载-挠度曲线。文献[3]采用横向张拉法体外无粘结CFRP预应力筋加固了3根T形RC梁, 提出了CFRP预应力筋加固受弯构件的抗弯承载力计算公式和考虑二阶效应的有效惯性矩法挠曲变形计算公式。文献[4]研究了体外预应力横向张拉技术在加固工程中的应用, 结果表明, 预应力横向张拉加固技术的锚固和节点处理简单、设备要求低、施工方法简便, 便于在加固现场应用, 特别适用于一些中小构件的加固。文献[5]进行了FRP预应力筋加固RC单向板的抗裂度与刚度研究, 得出体外FRP预应力筋能有效提高RC单向板的抗裂性能和刚度, 并提出体外FRP预应力筋加固RC单向板和RC梁的抗裂度和刚度计算方法。文献[6]通过试验方法, 采用体外预应力技术, 分析了加固梁的刚度和抗裂性能, 提出按修正方法计算加固RC梁短期刚度公式, 认为按压弯构件计算加固梁在正常使用极限状态下的最大裂缝宽度比较合适。文献[7]建议将被加固梁视为偏心受压构件, 利用既有变形计算方法分析构件的变形;建议了体外预应力施加阶段构件的反拱和后期荷载作用下挠度全过程实用计算方法;提出了承载力极限状态和正常使用极限状态下较为简便的体外预应力筋应力增量计算公式。文献[8]指出, 体外预应力加固方法在桥梁结构改造中应用较多, 在房屋建筑加固改造中由于缺乏相关的设计及施工验收规范, 故没有广泛应用, 但随着我国相关规范的完善和出台, 以及越来越多的旧建筑达到或临近设计使用年限, 业主对建筑功能改善要求越来越多, 体外预应力加固技术必将会得到更广泛的应用。

　　 目前, 基于业主需要和结构耐久性需求, 对房屋结构梁裂缝控制提出了更高的要求, 鉴于体外预应力加固技术的现实意义, 进一步加强体外预应力加固房屋结构梁的研究是十分必要的。本文对横向张拉体外预应力加固矩形RC梁的抗裂性进行了试验研究与分析, 为房屋结构梁裂缝修复加固实践提供参考。

　　 传统的体外预应力施加法包括千斤顶张拉法和横向张拉法。横向张拉法是在体外预应力钢筋两端被锚固的情况下, 利用扳手和螺栓等简易工具, 迫使预应力钢筋由直线绷紧变曲产生拉伸应变, 从而在预应力钢筋中建立预应力^[9]。体外预应力横向张拉加固方法施工简便, 施工速度快, 而且不受加固梁宽限制, 适用于中小构件的加固, 故本文采取横向张拉加固方法, 其试验施工示意见图1。

　　 试件为8根相同RC简支梁 (2根对比梁、6根加固梁) , 试验梁设计几何参数为l×b×h=1 800mm×100mm×150mm, 计算跨度l₀=1.68m, 见图2。混凝土强度等级为C30。梁受力主筋及预应力钢筋均为直径10mm的HRB335钢筋, 箍筋为直径6mm的HPB235钢筋, 双肢箍, 箍筋间距为120mm。

　　 (1) 未服役前加固, 模拟工程中实际结构在投入使用前, 因服役条件改变或用途改变或弥补设计与施工不当造成的构件强度不足^[10]而引起的需要提前加固情形。

　　 (2) 加载至裂缝产生后, 卸载为零后再加固。模拟结构受力开裂后, 加固前可完全卸载的情形。

　　 (3) 加载至裂缝产生后, 未卸载加固。模拟结构受力开裂后, 因结构形式、荷载类型与位置、使用需求等限制, 不允许对结构卸载进行加固的情况。

　　 本次试验按加固工况和预应力施加大小不同, 将试验梁分为四组, 分组类别如下:

　　 (1) 第一组:梁A1 (对比梁) , 不加预应力钢筋。

　　 (2) 第二组:梁B1 (对比梁) , 加预应力钢筋, 不施加预应力。

　　 (3) 第三组:梁C1, 未受荷前, 直接张拉预应力钢筋应力至0.5f_pyk (f_pyk为预应力筋的屈服强度标准值) ;梁C2, 加载至开裂后卸载, 加预应力至0.5f_pyk;梁C3, 加载至开裂后不卸载, 加预应力至0.5f_pyk。

　　 (4) 第四组:梁D1, 未受荷前, 直接张拉预应力钢筋应力至0.7f_pyk;梁D2, 加载至开裂后卸载, 加预应力至0.7f_pyk;梁D3, 加载至开裂后不卸载, 加预应力至0.7f_pyk。

　　 试验采用在梁的两个三分点处施加集中荷载对试验梁进行弯曲加载, 利用千斤顶和反力架装置, 通过分配梁, 将一点集中荷载分配为两点集中荷载^[11]。试验从开始加载至试验梁开裂, 荷载增量为1kN;试验梁开裂后, 荷载增量为2kN。荷载大小通过力传感器测出。

　　 试验梁的典型裂缝展开图如图3所示, 各级荷载与其对应的裂缝宽度实测值见表1。

　　 由图3的裂缝形态分布及表1中各级荷载与对应的裂缝宽度关系可以得出:

　　 (1) 试验梁中间区段合弯矩较大, 因而裂缝密布于梁中间区段。同级荷载作用下, 加固梁较对比梁裂缝间距小, 裂缝细且密。这是因为经体外预应力加固后, 梁整体的有效配筋率增加, 矩形梁体内受拉钢筋处的拉应力减小, 故裂缝间距、裂缝宽度均减小。

　　 (2) 同级荷载作用下, 加固梁裂缝发展较对比梁迟缓, 并且在荷载恒定情况下, 随着预应力的增加, 开裂荷载增大, 裂缝宽度减小。分析原因为预应力钢筋提高了试验梁的开裂弯矩, 减小了混凝土受拉区的拉应力, 对裂缝的开展有延缓作用。

　　 (3) 同级荷载作用下, 直接加固梁比卸载加固梁裂缝宽度要稍小, 卸载加固梁比不卸载加固梁的裂缝宽度要稍小。这是因为体外预应力钢筋发挥作用的时间顺序和充分度不同, 卸载加固梁截面预应力水平滞后于直接加固梁, 不卸载加固梁截面预应力水平滞后于卸载加固梁。

　　 (4) 同级荷载作用下, 加预应力钢筋不施加预应力的梁较对比梁裂缝宽度小。这是因为增加预应力钢筋后, 体外钢筋随梁体变形而参与工作, 截面有效配筋率增加, 矩形梁体内受拉钢筋处的拉应力减小, 故裂缝宽度减小。表明加预应力钢筋不施加预应力对控制裂缝开展及宽度的效果也比较好。因此, 当梁刚度满足要求、裂缝不大的情况下, 可采取粘贴型钢等抑制裂缝宽度的办法简化施工。

　　 文献[12]考虑截面受拉区实际存在的塑性变形性质, 采用考虑截面高度修正的截面抵抗矩塑性系数γ, 给出预应力混凝土结构构件截面抗裂弯矩M_cr计算公式:

　　 其中γ按下式计算:

　　 式中:γ_m为与截面特征及截面应力分布图形有关的截面抵抗矩塑性系数, 对矩形截面γ_m=1.55;h为截面高度, 当h≤400mm时, 取h=400mm, 当h≥1 600mm时, 取h=1 600mm;σ_pc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算截面边缘的混凝土预压应力;f_tk为混凝土轴心抗拉强度标准值;W₀为构件换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩, 矩形截面中和轴在底部时W₀=bh²/3, 中和轴在截面中间时W₀=bh²/6。

　　 不考虑预应力纵向分布损失和张拉角度影响的计算开裂荷载与实际试验开裂荷载的对比见表2。

　　 由表2对比发现, 仅对比梁A1, B1的相对偏差在5%以内, 原因为对比梁A1, B1没有建立体外预应力, 不需要考虑预应力的有效分量值对开裂荷载的影响;C1, D1两根梁的试验开裂荷载与计算开裂荷载的相对偏差均超过了10%, 并且试验值均小于计算值, 是偏于不安全的, 这不符合工程技术要求, 经过分析, 主要是由以下两个方面的原因造成其计算开裂荷载大于试验开裂荷载:

　　 (1) 由体外预应力横向张拉方式建立的预应力沿预应力筋长度方向是不均匀分布的。预应力筋中真实的预拉应力比量测点的钢筋张拉应力小, 这个结论已经通过对不同位置的应力监测结果证明。对于真实预应力的求解, 可先测量出预应力筋的应变增量, 然后借助预应力筋弹性模量求出其真实的预应力筋张拉力, 计算结果表明:通过应变增量及弹性模量计算得出实际预应力钢筋的张拉力只有量测张拉力的50%左右。这说明计算截面的有效预应力并不是张拉应力, 是有预应力损失的, 并且这种横向张拉法预应力损失较为严重。

　　 (2) 预应力筋张拉角度对截面有效预应力有一定的影响。如图4所示, 由于横向张拉预应力加固方式的特殊性, 使得预应力钢筋两边相对于水平方向 (构件纵向) 有一定的夹角α, 张拉力F的水平分量Fcosα才是真实有效的预加张拉力, 而开裂荷载计算时采用F, 从而使得开裂荷载计算值偏大。

　　 考虑预应力纵向分布损失与张拉角度影响修正后的计算开裂荷载与实际试验开裂荷载的对比见表3。

　　 考虑预应力纵向分布损失与张拉角度修正后的计算开裂荷载与试验开裂荷载相比, 相对偏差大大减小, 并且开裂荷载试验值均大于开裂荷载计算值, 基本符合工程技术要求。说明矩形RC梁采用横向张拉加固法计算开裂弯矩时, 考虑预应力纵向分布损失与张拉角度后得出的结果更加准确, 提出的计算方法可供工程加固设计参考。

　　 通过体外预应力横向张拉法下8根试验梁裂缝宽度、裂缝开展及分布形态, 以及计算开裂荷载与试验开裂荷载的对比分析结果, 得出如下结论:

　　 (1) 体外预应力能有效抑制裂缝开展, 提高梁的开裂荷载, 并且随有效预应力水平的增加, 开裂荷载增大。

　　 (2) 体外预应力钢筋发挥作用的时间顺序和充分度因加载工况不同而异, 卸载加固梁截面预应力水平滞后于直接加固梁, 不卸载加固梁截面预应力水平滞后于卸载加固梁。

　　 (3) 预估采用体外预应力横向张拉法加固矩形RC梁的开裂荷载时, 考虑预应力纵向分布损失与张拉角度修正后的结果可以较为准确并偏于保守地预估其开裂荷载。