下撐式鋼連桿張拉高度v的確定

1鋼拉鋼拉板加固方案公共汽車站的后門是一個單面框架，長15米。屋頂梁是鋼筋混凝土的薄腹梁。原屋頂設計為圓形板上的素混凝土，并鋪設柔性防水層。施工完畢,進行工程驗收時,發現屋面薄腹梁上出現大量垂直裂縫,裂縫兩面貫通,寬度大于0.5mm。整個屋蓋的九榀薄腹梁都出現同樣問題。后經查明,原因為屋面施工時,未按選用圖集規定屋面做法施工。對已施工完畢的屋面荷載核算,比原設計恒載超出48%,屋面超載嚴重。因此必須對薄腹梁進行加固處理,以保證結構的安全。需加固薄腹梁除兩端支座附近為T形截面外,跨內均為工字形截面。梁上跨中有垂直裂縫,支座附近有斜裂縫,說明梁的抗彎、抗剪承載力都不足,都要補強,方能滿足各截面承載力的要求。因而加固時,不但要增強跨中正截面抗彎承載力,還要增強支座附近的斜截面抗剪承載力。根據上述分析及承載力需要,選擇下撐式體外預應力鋼拉桿加固方案,見圖1;鋼拉桿張拉節點豎向張拉器見圖2;鋼拉桿梁端錨固見圖3;轉向裝置在鋼拉桿轉折處,見圖4。1.1加固鋼拉拉截面面積薄腹梁為變截面梁,各截面的抗彎剛度是變化的。加固設計時,要確定各控制截面的彎矩。即計算出原設計彎矩與實際施工超載所產生的彎矩之差ΔM,以此計算各控制截面需要補充的加固鋼拉桿截面面積。經計算,跨中截面彎矩差值最大,以此作為計算薄腹梁加固鋼拉桿所需的截面面積的依據。薄腹梁原設計荷載q=18.18kN/m,施工完畢實際荷載q′=26.90kN/m,比原設計荷載大Δq=8.72kN/m。據此計算出彎矩,然后計算出鋼拉桿截面面積Ap=1028mm2,選用2|○282|○28,實際面積Ap=1232mm2。鋼拉桿為Ⅰ級鋼,抗拉強度設計值fpy=210N/mm2。1.2預應力鋼拉拔施工段的計算預應力鋼拉桿彎起部分(斜鋼拉桿)的垂直分量,可以加強薄腹梁的抗剪作用。薄腹梁斜截面抗剪承載力為:V=Vcs+0.05Np0+0.8∑fpyApbsinθ(1)其中,Vcs=0.7ftbh0+1.25fyvAsvh0/s式中,fyv,fpy分別為薄腹梁箍筋、預應力鋼拉桿的抗拉設計強度;Apb=Ap為斜鋼拉桿截面面積;ft為混凝土的抗拉設計強度;b為薄腹梁腹板寬度;h0為薄腹梁計算截面處有效高度;Np0為計算截面上混凝土法向應力等于零時的縱向預應力筋及非預應力鋼筋的合力;s為箍筋間距;Asv為箍筋截面面積;θ為斜鋼拉桿與水平鋼拉桿之間的夾角。由于薄腹梁支座附近已出現斜裂縫,可不考慮截面混凝土的抗剪能力;式(1)中的0.05Np0項數值較小,也不予考慮。只考慮式(1)第1項Vcs中的箍筋及第3項預應力鋼拉桿彎起部分(斜鋼拉桿)的抗剪承載力,式(1)可寫為:V=1.25fyvAsvh0/s+0.8∑fpyApbsinθ(2)V=1.25fyvAsvh0/s+0.8∑fpyApbsinθ(2)箍筋為雙肢箍2|○82|○8;s=120mm;h0=860mm;θ=10.56°。支座邊最大剪力設計值為201.75kN。由式(2)算得箍筋及預應力彎起鋼拉桿抗剪承載力為227.15kN>201.75kN,可見,考慮斜鋼拉桿的抗剪貢獻后,滿足斜截面抗剪要求。1.3預應力筋張拉高度對于下撐式體外加固鋼拉桿,其預應力值的大小與張拉高度有關。張拉高度v按下式計算:v=?v1+2l1Δ1+2lΔ2+v21???????????????√(3)v=-v1+2l1Δ1+2lΔ2+v12(3)式中:Δ1=l1σp/Es,Δ2=l2σp/2Es,其中,σp=0.8fpy,fpy=210N/mm2為加固鋼拉桿預拉應力設計值;Es=2×105N/mm2為加固鋼筋彈性模量,其余符號意義如圖5。經計算張拉高度v=33.3mm。鋼拉桿張拉前位置為abc,張拉后位置為ab′c′,如圖5。1.4斜拉直拉拉力加固鋼拉桿張拉到張拉高度v后,斜拉桿中應力應達到168N/mm2,斜拉桿中拉力:Np=σp×Ap=168×1232×10-3=207kN,直拉桿拉力:N2=Npcosθ=203.5kN;張拉后,各拉桿拉力能否達到設計值,尚需通過現場測試控制。1.5斜拉索的公式薄腹梁用下撐式預應力鋼拉桿加固后,其受力狀態如圖6所示。按圖6推導出下撐式預應力鋼拉桿加固后薄腹梁反拱計算公式:f=KNpepl208EcI0(cosθ+lepsinθ?4l33epl30sinθ)(4)f=ΚΝpepl028EcΙ0(cosθ+lepsinθ-4l33epl03sinθ)(4)式(4)括號中后兩項為張拉節點的向上頂力Nd所產生的豎向位移。當為直線預應力鋼筋時,夾角θ=0°,式(4)括號中后兩項為零,此時,反拱計算公式與文的簡支梁反拱計算公式一致。式(4)中,I0=5.6×1010mm4為跨中截面慣性矩,混凝土彈性模量Ec=2.6×104N/mm2;斜拉桿拉力的水平分力與梁跨中截面形心的偏心距ep=197mm,見圖7,8;薄腹梁計算跨度l0=14950mm;斜拉桿水平投影長度l=3.0m,最大反拱f=4.22mm。實測增大系數K=1.0。2水平拉緊張拉張拉加固鋼拉桿時,用旋轉張拉節點螺帽來實現張拉節點向下產生位移,將斜拉桿及水平拉桿拉緊,當張拉高度ν張拉到設計值,加固鋼拉桿的預拉應力也就達到了設計要求。為了控制張拉時拉桿的拉力,張拉前,已在加固鋼拉桿各段上粘貼了應變片,用來測量鋼拉桿上的張拉應力,在薄腹梁跨中底面安裝了位移計,測量跨中的豎向位移。2.1分級張拉階段應力增量的預測由式(3)可解出,斜拉桿應變與張拉高度v之間的關系:εs=2v1v+v22l21+ll2(5)εs=2v1v+v22l12+ll2(5)將張拉高度v分為若干等級,并代入式(5)計算,即可預測分級張拉時斜拉桿的應變,由此可以預測加固鋼拉桿在分級張拉施工過程中的應力增量。當張拉高度v=33.3mm時,斜拉桿拉應力達到應力設計值168N/mm2,最大應變達到840με。利用斜拉桿與水平拉桿的幾何關系,同樣可以預測張拉施工過程中水平拉桿的應變。2.2旋轉螺帽張拉時,全球反拱值的預測加固鋼拉桿經張拉后,在梁跨中截面產生偏心壓力,由于偏心壓力引起的彎矩使梁中和軸以上部分受拉,以下部分受壓,因而薄腹梁向上產生反拱,張拉鋼拉桿時,要實時測量與張拉高度對應的反拱值。同理,也可以利用反拱f與張拉高度v之間的關系,預測薄腹梁的反拱值,以判斷實測反拱值的正確性。將Np=ApEsεs代入式(4),得:f=epl208EcI0ApEsεs(cosθ+lepsinθ?4l33epl20sinθ)f=epl028EcΙ0ApEsεs(cosθ+lepsinθ-4l33epl02sinθ)將式(5)代入上式得:f=epl20ApEs8EcI02v1v+v22l21+ll2(cosθ+lepsinθ?4l33epl20sinθ)(6)f=epl02ApEs8EcΙ02v1v+v22l12+ll2(cosθ+lepsinθ-4l33epl02sinθ)(6)將張拉高度v的分級數值代入式(6),即可預測旋轉螺帽張拉時,跨中產生的反拱值的增量。反拱數值計算表明,式(6)括號中第一項為斜拉桿拉力引起的反拱,其值約占總反拱的1/4;第二項為張拉節點向上頂力產生的反拱,其值較大,約為第一項的3倍;第三項雖為負值,因其絕對值很小,影響不顯著。因此薄腹梁加固后引起的反拱,張拉節點向上產生的頂力Nd作出了主要貢獻。2.3預應力鋼拉張拉在薄腹梁的兩側分別布置1根加固鋼筋,在離梁端各3m處分別設置1個張拉螺栓節點,每個節點上設置2個螺栓。旋轉螺帽張拉時,4個螺帽同步旋轉產生同樣大小的豎向位移,才能使兩側鋼拉桿受力均勻。鋼拉桿制作后,兩側鋼拉桿的長度、彎折角度及焊接長度不可能完全一致;張拉螺帽的旋轉由人工操作,螺帽的擰緊程度也不可能完全相同。因而會造成兩側的加固鋼拉桿的應力不一致。如果兩側鋼拉桿拉力相差過大,薄腹梁可能出現側向彎曲。張拉加固鋼拉桿時,將張拉高度轉換為相應的應變,并分為若干等分,逐級張拉,每級應變對應于螺帽旋轉產生的若干mm的位移。張拉時,同時旋轉四個螺帽,盡可能做到動作一致,通過應變儀跟蹤監測各鋼拉桿拉伸應變,直至達到應變預測值,并即時將應變換算為相應的應力,以便核算拉桿中拉力增量,如發現兩邊拉桿應力或拉力相差較大,則即時調整一致,然后,再進行下一級張拉。同時還要觀察跨中位移計測量的位移數值。當節點的螺栓擰緊向下移動時,其反作用力使薄腹梁向上產生豎向位移,這種位移是拉桿對薄腹梁橫截面產生偏心壓力引起的反拱,對薄腹梁是有利的,薄腹梁原已產生許多垂直裂縫和斜裂縫,鋼拉桿張拉緊后,截面下部受壓,可使其不再繼續擴展,還可促進裂縫閉合。加固鋼拉桿張拉節點處的張拉高度雖然可以計算出來,但是由于節點上的螺帽并不一定在設計要求的起始高度處,這就使得何處是設計要求的張拉高度起始點成為問題。預應力鋼拉桿張拉中,先將各節點張拉螺帽逐漸擰緊,使鋼拉桿中產生5%的拉力,以此為起點,測量鋼拉桿中的拉應力和梁跨中豎向位移。該候車大廳屋面薄腹梁共九榀,都出現同樣問題。為了觀察加固效果,在對第一榀薄腹梁進行預應力鋼拉桿加固時,將設計的張拉高度值分為十級,由式(5)計算出對應的應變,每張拉到一級時,暫停數分鐘,觀測儀器顯示的應變和位移數值是否接近預測的數據。根據前述預測計算,節點向下拉伸十分之一的張拉高度,鋼拉桿中會同時引起相應的應變。拉桿中的應力達到設計值后,節點張拉高度也應張拉到設計值。第一榀薄腹梁加固鋼拉桿張拉至斜拉桿應變為840με時,中止張拉,此時張拉高度v=33.3mm,應力為168N/mm2,斜拉桿拉力為207kN,薄腹梁向上起拱0.84mm,第一榀薄腹梁張拉加固完成。薄腹梁預應力鋼拉桿加固引起的應力和變形預斥值及實測值見表1。加固施工時,按表1的預測值控制鋼拉桿中的應力和薄腹梁的反拱,以及張拉螺栓的豎向位移。預應力鋼拉桿加固過程中,應力和反拱應同時監測,但起控制作用的是鋼拉桿的應力,應以監控鋼拉桿的應力為主。經過對第一榀薄腹梁預應力鋼拉桿加固后24h觀測,鋼拉桿中的拉應力基本穩定,兩側拉桿拉力基本相同,跨中向上起拱1.2mm。24h后薄腹梁反拱增大可能薄腹梁預應力加固引起的應變與位移表1與薄腹梁下腹部裂縫及受壓有關,預應力鋼拉桿張拉后,梁下部受壓,混凝土產生徐變,裂縫寬度減小,梁下部縮短更多,梁截面上下產生相對伸縮變形,引起反拱增加。預計反拱為4.22mm,而實測僅1.2mm,這是因為式(6)按簡支梁上無荷載計算,反拱完全由預應力引起,而實測值是在有屋蓋荷載的情形下測到的,屋蓋荷載作用抵消了一部分預應力鋼拉桿向上產生的反拱,所以實測的反拱小于預測計算值。其它薄腹梁經加固后,加固