下撑式钢连杆张拉高度v的确定

下撑式钢连杆张拉高度v的确定

1钢拉钢拉板加固方案公共汽车站的后门是一个单面框架，长15米。屋顶梁是钢筋混凝土的薄腹梁。原屋顶设计为圆形板上的素混凝土，并铺设柔性防水层。施工完毕,进行工程验收时,发现屋面薄腹梁上出现大量垂直裂缝,裂缝两面贯通,宽度大于0.5mm。整个屋盖的九榀薄腹梁都出现同样问题。后经查明,原因为屋面施工时,未按选用图集规定屋面做法施工。对已施工完毕的屋面荷载核算,比原设计恒载超出48%,屋面超载严重。因此必须对薄腹梁进行加固处理,以保证结构的安全。需加固薄腹梁除两端支座附近为T形截面外,跨内均为工字形截面。梁上跨中有垂直裂缝,支座附近有斜裂缝,说明梁的抗弯、抗剪承载力都不足,都要补强,方能满足各截面承载力的要求。因而加固时,不但要增强跨中正截面抗弯承载力,还要增强支座附近的斜截面抗剪承载力。根据上述分析及承载力需要,选择下撑式体外预应力钢拉杆加固方案,见图1;钢拉杆张拉节点竖向张拉器见图2;钢拉杆梁端锚固见图3;转向装置在钢拉杆转折处,见图4。1.1加固钢拉拉截面面积薄腹梁为变截面梁,各截面的抗弯刚度是变化的。加固设计时,要确定各控制截面的弯矩。即计算出原设计弯矩与实际施工超载所产生的弯矩之差ΔM,以此计算各控制截面需要补充的加固钢拉杆截面面积。经计算,跨中截面弯矩差值最大,以此作为计算薄腹梁加固钢拉杆所需的截面面积的依据。薄腹梁原设计荷载q=18.18kN/m,施工完毕实际荷载q′=26.90kN/m,比原设计荷载大Δq=8.72kN/m。据此计算出弯矩,然后计算出钢拉杆截面面积Ap=1028mm2,选用2|○282|○28,实际面积Ap=1232mm2。钢拉杆为Ⅰ级钢,抗拉强度设计值fpy=210N/mm2。1.2预应力钢拉拔施工段的计算预应力钢拉杆弯起部分(斜钢拉杆)的垂直分量,可以加强薄腹梁的抗剪作用。薄腹梁斜截面抗剪承载力为:V=Vcs+0.05Np0+0.8∑fpyApbsinθ(1)其中,Vcs=0.7ftbh0+1.25fyvAsvh0/s式中,fyv,fpy分别为薄腹梁箍筋、预应力钢拉杆的抗拉设计强度;Apb=Ap为斜钢拉杆截面面积;ft为混凝土的抗拉设计强度;b为薄腹梁腹板宽度;h0为薄腹梁计算截面处有效高度;Np0为计算截面上混凝土法向应力等于零时的纵向预应力筋及非预应力钢筋的合力;s为箍筋间距;Asv为箍筋截面面积;θ为斜钢拉杆与水平钢拉杆之间的夹角。由于薄腹梁支座附近已出现斜裂缝,可不考虑截面混凝土的抗剪能力;式(1)中的0.05Np0项数值较小,也不予考虑。只考虑式(1)第1项Vcs中的箍筋及第3项预应力钢拉杆弯起部分(斜钢拉杆)的抗剪承载力,式(1)可写为:V=1.25fyvAsvh0/s+0.8∑fpyApbsinθ(2)V=1.25fyvAsvh0/s+0.8∑fpyApbsinθ(2)箍筋为双肢箍2|○82|○8;s=120mm;h0=860mm;θ=10.56°。支座边最大剪力设计值为201.75kN。由式(2)算得箍筋及预应力弯起钢拉杆抗剪承载力为227.15kN>201.75kN,可见,考虑斜钢拉杆的抗剪贡献后,满足斜截面抗剪要求。1.3预应力筋张拉高度对于下撑式体外加固钢拉杆,其预应力值的大小与张拉高度有关。张拉高度v按下式计算: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为加固钢拉杆预拉应力设计值;Es=2×105N/mm2为加固钢筋弹性模量,其余符号意义如图5。经计算张拉高度v=33.3mm。钢拉杆张拉前位置为abc,张拉后位置为ab′c′,如图5。1.4斜拉直拉拉力加固钢拉杆张拉到张拉高度v后,斜拉杆中应力应达到168N/mm2,斜拉杆中拉力:Np=σp×Ap=168×1232×10-3=207kN,直拉杆拉力:N2=Npcosθ=203.5kN;张拉后,各拉杆拉力能否达到设计值,尚需通过现场测试控制。1.5斜拉索的公式薄腹梁用下撑式预应力钢拉杆加固后,其受力状态如图6所示。按图6推导出下撑式预应力钢拉杆加固后薄腹梁反拱计算公式:f=KNpepl208EcI0(cosθ+lepsinθ−4l33epl30sinθ)(4)f=ΚΝpepl028EcΙ0(cosθ+lepsinθ-4l33epl03sinθ)(4)式(4)括号中后两项为张拉节点的向上顶力Nd所产生的竖向位移。当为直线预应力钢筋时,夹角θ=0°,式(4)括号中后两项为零,此时,反拱计算公式与文的简支梁反拱计算公式一致。式(4)中,I0=5.6×1010mm4为跨中截面惯性矩,混凝土弹性模量Ec=2.6×104N/mm2;斜拉杆拉力的水平分力与梁跨中截面形心的偏心距ep=197mm,见图7,8;薄腹梁计算跨度l0=14950mm;斜拉杆水平投影长度l=3.0m,最大反拱f=4.22mm。实测增大系数K=1.0。2水平拉紧张拉张拉加固钢拉杆时,用旋转张拉节点螺帽来实现张拉节点向下产生位移,将斜拉杆及水平拉杆拉紧,当张拉高度ν张拉到设计值,加固钢拉杆的预拉应力也就达到了设计要求。为了控制张拉时拉杆的拉力,张拉前,已在加固钢拉杆各段上粘贴了应变片,用来测量钢拉杆上的张拉应力,在薄腹梁跨中底面安装了位移计,测量跨中的竖向位移。2.1分级张拉阶段应力增量的预测由式(3)可解出,斜拉杆应变与张拉高度v之间的关系:εs=2v1v+v22l21+ll2(5)εs=2v1v+v22l12+ll2(5)将张拉高度v分为若干等级,并代入式(5)计算,即可预测分级张拉时斜拉杆的应变,由此可以预测加固钢拉杆在分级张拉施工过程中的应力增量。当张拉高度v=33.3mm时,斜拉杆拉应力达到应力设计值168N/mm2,最大应变达到840με。利用斜拉杆与水平拉杆的几何关系,同样可以预测张拉施工过程中水平拉杆的应变。2.2旋转螺帽张拉时,全球反拱值的预测加固钢拉杆经张拉后,在梁跨中截面产生偏心压力,由于偏心压力引起的弯矩使梁中和轴以上部分受拉,以下部分受压,因而薄腹梁向上产生反拱,张拉钢拉杆时,要实时测量与张拉高度对应的反拱值。同理,也可以利用反拱f与张拉高度v之间的关系,预测薄腹梁的反拱值,以判断实测反拱值的正确性。将Np=ApEsεs代入式(4),得:f=epl208EcI0ApEsεs(cosθ+lepsinθ−4l33epl20sinθ)f=epl028EcΙ0ApEsεs(cosθ+lepsinθ-4l33epl02sinθ)将式(5)代入上式得:f=epl20ApEs8EcI02v1v+v22l21+ll2(cosθ+lepsinθ−4l33epl20sinθ)(6)f=epl02ApEs8EcΙ02v1v+v22l12+ll2(cosθ+lepsinθ-4l33epl02sinθ)(6)将张拉高度v的分级数值代入式(6),即可预测旋转螺帽张拉时,跨中产生的反拱值的增量。反拱数值计算表明,式(6)括号中第一项为斜拉杆拉力引起的反拱,其值约占总反拱的1/4;第二项为张拉节点向上顶力产生的反拱,其值较大,约为第一项的3倍;第三项虽为负值,因其绝对值很小,影响不显著。因此薄腹梁加固后引起的反拱,张拉节点向上产生的顶力Nd作出了主要贡献。2.3预应力钢拉张拉在薄腹梁的两侧分别布置1根加固钢筋,在离梁端各3m处分别设置1个张拉螺栓节点,每个节点上设置2个螺栓。旋转螺帽张拉时,4个螺帽同步旋转产生同样大小的竖向位移,才能使两侧钢拉杆受力均匀。钢拉杆制作后,两侧钢拉杆的长度、弯折角度及焊接长度不可能完全一致;张拉螺帽的旋转由人工操作,螺帽的拧紧程度也不可能完全相同。因而会造成两侧的加固钢拉杆的应力不一致。如果两侧钢拉杆拉力相差过大,薄腹梁可能出现侧向弯曲。张拉加固钢拉杆时,将张拉高度转换为相应的应变,并分为若干等分,逐级张拉,每级应变对应于螺帽旋转产生的若干mm的位移。张拉时,同时旋转四个螺帽,尽可能做到动作一致,通过应变仪跟踪监测各钢拉杆拉伸应变,直至达到应变预测值,并即时将应变换算为相应的应力,以便核算拉杆中拉力增量,如发现两边拉杆应力或拉力相差较大,则即时调整一致,然后,再进行下一级张拉。同时还要观察跨中位移计测量的位移数值。当节点的螺栓拧紧向下移动时,其反作用力使薄腹梁向上产生竖向位移,这种位移是拉杆对薄腹梁横截面产生偏心压力引起的反拱,对薄腹梁是有利的,薄腹梁原已产生许多垂直裂缝和斜裂缝,钢拉杆张拉紧后,截面下部受压,可使其不再继续扩展,还可促进裂缝闭合。加固钢拉杆张拉节点处的张拉高度虽然可以计算出来,但是由于节点上的螺帽并不一定在设计要求的起始高度处,这就使得何处是设计要求的张拉高度起始点成为问题。预应力钢拉杆张拉中,先将各节点张拉螺帽逐渐拧紧,使钢拉杆中产生5%的拉力,以此为起点,测量钢拉杆中的拉应力和梁跨中竖向位移。该候车大厅屋面薄腹梁共九榀,都出现同样问题。为了观察加固效果,在对第一榀薄腹梁进行预应力钢拉杆加固时,将设计的张拉高度值分为十级,由式(5)计算出对应的应变,每张拉到一级时,暂停数分钟,观测仪器显示的应变和位移数值是否接近预测的数据。根据前述预测计算,节点向下拉伸十分之一的张拉高度,钢拉杆中会同时引起相应的应变。拉杆中的应力达到设计值后,节点张拉高度也应张拉到设计值。第一榀薄腹梁加固钢拉杆张拉至斜拉杆应变为840με时,中止张拉,此时张拉高度v=33.3mm,应力为168N/mm2,斜拉杆拉力为207kN,薄腹梁向上起拱0.84mm,第一榀薄腹梁张拉加固完成。薄腹梁预应力钢拉杆加固引起的应力和变形预斥值及实测值见表1。加固施工时,按表1的预测值控制钢拉杆中的应力和薄腹梁的反拱,以及张拉螺栓的竖向位移。预应力钢拉杆加固过程中,应力和反拱应同时监测,但起控制作用的是钢拉杆的应力,应以监控钢拉杆的应力为主。经过对第一榀薄腹梁预应力钢拉杆加固后24h观测,钢拉杆中的拉应力基本稳定,两侧拉杆拉力基本相同,跨中向上起拱1.2mm。24h后薄腹梁反拱增大可能薄腹梁预应力加固引起的应变与位移表1与薄腹梁下腹部裂缝及受压有关,预应力钢拉杆张拉后,梁下部受压,混凝土产生徐变,裂缝宽度减小,梁下部缩短更多,梁截面上下产生相对伸缩变形,引起反拱增加。预计反拱为4.22mm,而实测仅1.2mm,这是因为式(6)按简支梁上无荷载计算,反拱完全由预应力引起,而实测值是在有屋盖荷载的情形下测到的,屋盖荷载作用抵消了一部分预应力钢拉杆向上产生的反拱,所以实测的反拱小于预测计算值。其它薄腹梁经加固后,加固