[科普中国]-预应力加固

简介

预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于大跨结构加固，以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状态下的大型结构加固。

体外预应力就是设置在混凝土体外的预应力筋给混凝土施加的预应力。体外预应力混凝土也称无粘结预应力混凝土，是一种预应力筋直接设置在体外，或者预应力筋设置在混凝土体内，但无需进行孔道灌浆的无粘结预应力混凝土。它与预应力混凝土的区别在于预应力筋与混凝土的无粘结性。自20 世纪80 年代开始，无粘结预应力混凝土在我国房屋建筑中得到广泛的应用，后来逐渐被应用于桥梁结构中。

体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠，预应力筋（束）可以单独防腐甚至可以更换等特点，近年来，已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明，利用体外预应力加固旧桥，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。

预应力加固钢结构的优点及分类在上述钢结构加固方案中，预应力是加固和修复钢结构的一种有效方法。预应力加固钢结构的方法就是通过施加预应力，使结构或构件产生与设计荷载作用下的应力符号相反的应力，从而调整结构的受力状态，降低内力峰值，提高构件或结构的承载力；同时可有效改善结构的变形性能，减少其跨中挠度，提高结构的刚度和稳定性。其主要优点有：
（1）加固工作可在不卸载、不停产、不中断行车的情况下进行，施工操作简便而又灵活；
（2）与加大构件截面法相比不需大量加固零配件及其连接固定工作，省工省料；
（3）通常增设预应力拉杆进行加固，因此，提高被加固结构的超静定次数，从而提高结构整体安全性，并且因为不破坏原结构，只在原来的基础上进行强化，因此安全可靠；
（4）可充分利用高强钢材，不增加结构的截面尺寸和自重；
（5）扩大结构弹性受力幅度。1

预应力加固钢结构时，根据结构类型不同，施加预应力的方法通常有两种：一种是通过张拉配置的预应力筋对结构或构件施加预应力，从而调整改善结构受力状态，致使内力重分布；另一种是不采用预应力筋，而通过调整现有钢结构的支座高差，改变支承反力的大小，从而也可使结构内力重分布，达到预应力的目的。其中前者是国内外工程实践中常用的加固方法，也称为体外预应力加固方法。1

预应力加固特点预应力加固钢结构除遵守一般钢结构加固的原则与规定外，还具有以下的特点：
（1）进行静力计算时必须首先确定一些与调整应力有关的数值，如张拉控制应力值、支座位移值等。
（2）要确定调整应力时的合理荷载值或应力水平，换言之，要分析判断加固结构时是否需要全部卸载，或卸载至某一水平。1

另外，通过张拉预应力筋，施加预应力加固钢结构的计算中还应遵守下列原则：
（1）预应力筋与被加固结构或构件均在材料弹性范围内受力，两者在加固后的荷载作用下同时达到各自材料的强度设计值；

（2）充分发挥钢材的强度潜力，应设计预应力筋的张拉控制应力使被加固结构或构件的荷载应力卸载至其反向应力的极值；
（3）预应力加固设计中同样应当考虑预应力分项系数和荷载分项系数等。1

预应力加固钢结构的设计计算理论设计计算内容1．内力计算

加固前，在荷载作用下结构构件按原结构构件采用手算或电算分析方法，运用力学知识进行内力计算；加固后将预应力视为外荷载作用在原结构或构件上，同时考虑其余的外荷载，结构构件仍按原结构构件进行内力计算。预应力筋的内力包括有效预张力和荷载在预应力筋中引起的内力增量值。 1

2．有效预应力的确定

因为在预应力加固钢结构中预应力筋的内力增量必须考虑，所以张拉控制应力宜定得低一些，具体计算时，可按加固前后的承载力差值和预应力筋在预应力阶段的稳定性进行初步确定。将张拉控制应力减去预应力损失即为有效预应力。1

3．构件计算的内容

（1）强度计算，所有受力构件均需满足强度，包括局部承压强度的要求。

（2）稳定计算，受压、受弯和压弯构件应满足稳定要求。稳定包括整体稳定和局部稳定。

（3）刚度计算，即为挠度计算，属正常使用极限状态。对受弯构件应进行挠度计算。

（4）疲劳计算，对直接承受动力荷载重复作用的构件，当其荷载产生的应力循环次数 n≥105时，如工业厂房内的重级工作制吊车梁、桥梁构件，应进行疲劳验算。1

构件的分类及需要进行的计算1． 轴心受拉构件应进行强度计算。

2．轴心受压构件应进行强度、整体稳定和局部稳定计算。

3． 受弯构件，包括简支梁和连续梁应进行强度、整体稳定、局部稳定和挠度计算。

4． 压弯构件应进行强度、整体稳定（弯矩作用平面内和平面外）和局部稳定计算对于结构体系，如桁架（屋架），除组成杆件应分别按轴心拉压构件进行计算外，还应进行整体结构的挠度计算。1

分阶段加固设计预应力加固钢结构或构件的设计可分为两阶段加固设计和三阶段加固设计。当完全卸载时，预应力加固钢结构构件的计算与预应力钢结构的两阶段设计计算基本相同。当部分卸（负）载或完全负载（不卸载）时，则与预应力钢结构的三阶段设计计算类似。完全卸载时，预应力的施加为预应力阶段，加固后应承受的荷载作用为荷载作用阶段。部分卸（负）载或完全负载（不卸载）时，未卸除的荷载作用为初始荷载作用阶段，加固后应承受的荷载与未卸除的荷载之差值荷载作用为续加荷载阶段。但应注意，在初始荷载作用阶段，未卸除的荷载仅有恒载。1