体外预应力加固钢结构的研究与发展.pdf

低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 0 期 总第 1 8 4 期 体外预应 力加 固钢结构 的研究与发展 王金花 ， 张晓光 1 ．同济大学建筑工程系 ． 上海2 0 0 0 9 2； 2 ．同济大学建筑设计研究院 。 上海2 0 0 0 9 2 【 摘要】 体外预应力加固钢结构具有加固工作可在不卸载情况下进行、 减小变形、 降低内力峰值、 扩大结 构弹性受力幅度等优点。本文给出了国内外体外预应力加固钢结构的几个工程实例 ， 综述了国内外学者在预应 力加固钢结构的承载力、 布索方案、 预应力损失、 设计方法、 构造措施方面的研究成果， 并指出有待进一步研究的 工作。 【 关键词】 体外预应力； 钢结构； 加固； 承载力 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 1 0 0 0 4 6 0 3 RES EA RC H AND DE、 ， E L0 P ] MENT ON EXI ER NA I Y P R E S T RE SS ED S I EI S T RUCT UR E WANG J i n ． h u a 。 Z HANG Xi a o ． g u a n g 1 ． D e p a r t m e n t o f B u i l d i n g E n g i ． ， T o n i U n i v ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 ． T h e A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f T o n i U n i v ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a Ab s t r ac t T he e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g t e c h no l o g y h a s ma n y a dv a n t a g e s s t r e n g t h e ni ng the e x i s t i n g s t e e l s t r uc t u r e s ．S e v e r a l h o me a n d a b r o a d e ng i n e e r i n g e x a mp l e s wi th t h e t e c h ni qu e we r e g i v e n． Re s e a r c he s i n t he fie l d o f s t e e l s t r u c t u r e s s e n g the n e d wi t h e x t e rna l p r e s t r e s s c o n c e rn i n g b e a tin g c a p a c i t y，t e nd o n d i s p o s i t i o n o p t i o n，l o s s o f p r e s t r e s s ，d e s i g n me t h o d s a n d c o n s t r uc t i o n a l me a s u r e s we r e s u mma r i z e d． Th e r e s e a r c h p r o j e c t s t o b e c o n d u c t e d a r e p r o p o s e d ． Ke y wo r d s e x t e r n a l p r e s t r e s s ；s t e e l s t ruc t u r e ；s t r e n g t h e n i n g ；b e a r i n g e a p a c i 在 国 内外钢 结 构蓬 勃 发展 的同 时 ， 由 于材 料 老 化、 使用条件改变或原设计考虑不周等原因， 许多旧 有钢结构建筑 的强度 、 刚度及稳定性 不能满 足现 有规 范的要求而需要加固。体外预应力加固钢结构是通 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 应力 峰值 ， 提高结 构或 构件 的承载力 ； 同时 可有 效改 善结 构 的变形 ， 减 少其跨 中挠度 ， 提高 结构 的刚 度和稳定性 。 1 9 8 8年， 铁科院西南研究所用体外预应力加固了 某大桥两孔 1 0 m工字型钢梁 ， 模 型试 验和实桥 测试表 明加固后梁的挠跨比符合规范要求， 且上翼缘最大应 力降低约 2 5 ％⋯。2 0 0 4年， Y o u n g H o o n P a r k等对一 使用 2 3年后采用体外预应力加固的钢板梁桥进行研 究 ， 加 固运 营 四年 之后进行 的现场 测试表 明 ， 在 试验 车辆荷载作用 下加 固后桥 梁的跨 中挠度 减少 1 0 ％ ～ 2 4 ％ ， 且加 固并未 明显 影响原桥 的动力 特性 。体外 预应力 加固钢结 构技 术正 在得 到越来 越 多的研 究 与 应用 。 1 承载力和 刚度的研究 1 。 1 体外预应力索应力增量 的研究 体外预应力索只在锚 固端和转向块的位置与钢 梁相连， 与相邻钢梁不存在应变协调关系， 其应变为 各转向点 或锚固端 之间钢梁应变的平均值， 因而体 外 预应力索 的应 力增 量不 能 通过最 大弯矩 截 面的应 力分析求得。预应力索应力增量对体外预应力钢梁 的极 限承载力有很大影 响。许 琦 、 张南 在 弹性 阶段 下用曲率法计算组合梁预应力索的应力增量， 研究表 明体外预应力组合梁弹性 阶段下预应力索跨中处应 力增量是初始应力的 1 3 ． 0 2 ％ 。2 0 0 3 年孙云 通过计 算简支钢梁在各种荷载及常见预应力索布置情况下 的预应力索应力增量， 认为应力增量值可取有效预应 力的 2 0 ％ ～ 4 0 ％。H o a d l e y 在 1 9 6 3年用力法和 虚功 原理推导了预应力索应力增量的表达式为 ⋯ 一 竺 ⋯ 一 6 l 1一 r L e d f L d r L d x 、 J 0 E ， p 。J 0 E 。A p 。J 0 E pA p H o a d l e y 提出的公式计算简单， 物理概念明确， 该 方法在计算组合 梁 的预应 力束 应力 增量 时未考 虑混 凝 土和钢梁问的滑移效应 ， 因而得到的弹性极 限承 载 王 金花等 体外预应力加固钢结构 的研究 与发展 4 7 力会较试验值偏大。但对预应力钢梁而言， 不存在这 一 滑移效应， 计算时将 ， 和 分别代以钢梁的截面 惯性矩 和截面面积 。 1 ． 2 承载力和刚度的试验研究 陈世鸣口 先后对在正、 负弯矩 区布置体外预应 力索的钢 一混组合梁的承载力进行了试验研究。结 果表明， 在正弯矩区布体外预应力索可显著增大梁的 屈服荷载 和极 限荷载， 并减小正常使 用状态下 的挠 度。在负弯矩区布体外预应力索时随预应力 的增大 梁的屈服弯矩 不一定增 大。 2 0 0 8年 ， S u n k y u P a r k 制作了 7根 5 ． 6 m长的三 跨连续钢梁， 采用试验和有限元分析方法研究体外预 应力技术对其受弯性能的影响。结果表明， 布置折线 型预应力索能显著改善钢梁的受弯性能， 跨中挠度减 少 1 5 ％ 一 2 0 ％ ， 应变减少 4 0 ％。 S u n k y u P a r k等 还通过对 1 1 根 I 型钢梁 的试 验 和数值计算研究发现， 转向块的存在能显著减小跨 中 挠度， I 型钢梁加固效果主要预应力大小、 预应力索线 形有关而与预应力索的种类关系不大。 2 布 索方 案的优化 钢结构体外预应力加固法适用于大跨及空间结 构体系 ， 如桁架、 拱、 梁、 门式刚架、 空间网格结构及其 组成的组合结构体系。常用的有体外预应力钢索加 固法和体外预应力钢索 十撑杆加固法 ， 如图 1 所示。 a 预应力钢索加 固法 b 预应力钢索 撑杆加固法 图1 体外预应力加固法示意图 结构采用不合理 的布索形式施加体外预应力后 加 固效 果甚 微 ， 经济性 也 不理想 ， 因此 对 于大跨 度及 空间结 构的加 固研究其合理 的布索方案是很有必 要 的。 研究表明 ， 网壳中部配索的方案能产生较多的 静力卸载杆件， 但卸载的程度较低， 在只承受重力荷 载的条件下网壳边缘布索 比中部布索有更好的卸载 效应 ， 且索宜密布。另有研究 建议， 网架结构采用 体外折索布索方案时， 折索的转折点宜在距边界第 二、 第三个节点处。此外， 在结构位移的减小 、 索初始 预拉力值的高低 、 水平支反力的降幅、 杆件内力分布 的均匀性及结构稳定性的提高 5个方面， 对折线型立 体桁架拱结构， 按桁架拱在极限荷载作用下的屈曲形 态布置撑杆拉索最为有效 。 3预应 力损 失 预应力钢结构的预应力损失主要包括 锚具变形 引起的损失 摩阻力引起的损失 ， 预应力索松弛 引起 的损失 ， 1 对锚具变形引起的损失 。， 可按材料力学 弹性方法进行计算 E a ／ l 。 2 摩阻力引起的损失 or 指的是预应力索张 拉时因和转向块之间产生摩擦而造成的损失。其关 键参数是预应力索与转向块之间的摩擦系数 。T r o i - t s k y _ l 建议的 值取值在 0 ． 1 5～ 0 ． 3 5之问， 当涂润滑 剂时， 在0 ． 0 5～ 0 ． 1 之间。2 0 0 3年薛伟辰和王骅 纠 的试验结果也表明 的平均值是 0 ． 2 。 3 预应力索的应力松弛主要与张拉初始应力 和预应力筋种类有关。T r o i t s k y 在 1 9 9 0年给出了应 力松弛损失的计算公式 2 ， 并给出了松弛系数的大 致范 围在 l ％ ～ 5 ％ 。 a f 一 0 ． 5 5 2 u J P Y 1 9 9 2年 A y y u b Ⅲ 等人测试了负弯矩作用下预应 力筋 的松弛损 失 ， 提 出公式 厂 p [ 1 ～ - 0 ． 5 ] 3 J PY 式中， P 和 分别为初始应力和预应力索名义屈 服强度 ； 为经验系数。 式 3 得到的预应力索应力松弛系数仍在 1 ％ ～ 5 ％之间 ， 与 T r o i t s k y 的建议基本一致 。 4 设计方法与构造措施 4 ． 1 设计方法 体外预应力加固钢结构时若被加固件完全卸载， 加 固时分为被加 固件受预应力 作用 、 预应 力索 和被加 固件共同承受全部荷载作用二阶段； 若加固前被加固 件部分卸载或不卸载， 分为被加固件受未卸除的荷载 作用 只有恒载 、 被加固件受未卸除荷载和预应力共 同作用、 预应力索与被加固件共 同承受续加荷载作用 三阶段 ， 设计计算步骤可按流程图2 。 目前我国尚未编制预应力加固钢结构方面 的设 计标准和规程， 在房屋结构工程中预应力加固钢结构 的设计和计算可参照 预应力钢结构技术规程 [ 1 5 1 。 预应力加固的钢结构构件， 采用荷载的基本组合进行 承载能力极限状态验算时 ， 按式 4 进行计算 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 O期 总第 1 8 4期 强度和稳定h 应力累 性验算 I I 倔心距 计算预应 力损失 不满足 计算预应 力索根数n 计算预应力索有效 预应力 。 、 确定预应力索承 担的Ⅳ 口 。 、 。 确定预应力 索面积 ． 和 稳 定 性 验 算 ／ ＼／ f 满足 计算预应力 I l荷载阶段强度 索应力增量f I和稳定性验算 图2 设计流程图 Y o Y G s G K A p i T s p i y Q l Js Q i K y Q j i s Q i K iI l2 ≤ R y R 4 4 ． 2 构造措施 体外预应力加固钢结构设计的关键构造包括转 向块构造和端部锚固构造。 体外预应力 结构 的预 应力 索需 要通 过转 向装置 改变方向， 转向装置将正确地保证体外索的形状， 牢 靠地将索的分力传递到该处梁的整个断面上。在转 向装置与预应力索的接触区域存在摩擦和横向力的 挤压作用 ， 因此设计时应尽量减少此处的摩阻损失。 板式梁 包括工字 型钢 梁 的体外 预应力 索转 向装 置 的构造形式如 图 3所示 。 ①一 预应力索；⑦ ～ 支承板 ；③一 加劲板 图3 体外预应力索转向装置构造 对于箱 型钢梁 ， 转 向装置 可 采用 鞍座 式 、 横隔 板 式和肋式， 鞍座式转 向装置体积较小、 自重轻， 但其应 力分布较复杂， 易引起应力集中； 横隔板式转向装置 可与结构的顶板或底板相连成整体， 自重较鞍座式和 肋板式大， 在体外预应力束作用下的受力模式接近于 受压柱 ， 因而 承载 能力较 强 ； 肋 板式转 向装 置的 自重 较横 隔板式小 ， 受力状 态介 于前二者 之间。对体外 预 应力加固的钢结构 来说 ， 锚具 失效 意 味着 整个预应 力 体系的失效 ， 因此预应力的锚固构造是保障结构安全 性和可靠性的关键。通常采用配有夹片群锚 的非平 行钢绞线或配有墩头锚、 冷铸锚的平行高强钢丝。必 要时需单独设计一个钢锚箱， 以实现结构的连接和内 力的传递。 5 结语 从国内外研究情况来看， 对体外预应力加固钢结 构的研究主要集中在以下方面 体外预应力加固技术 对简支梁承载力和刚度的贡献 ； 体外预应力加固简支 钢梁承载力的计算； 体外预应力索应力增量的计算 ； 转向装置和锚固装置等局部构造的研究。而预应力 加固连续钢梁或钢桁架性能的研究； 预应力加 固钢结 构 的弹塑 性分 析 ； 预应 力在大跨 空 间钢结 构、 悬 索结 构等领域 的加固应用； 预应力加固钢结构的长期性 能、 疲劳性能、 抗震性能等方面的研究则有待进一步 开展 。 同时， 钢结构体外预应力加固法在应用中也存在 一 些缺点 ， 如 对体外索的防腐 、 保护相对较 困难 ； 锚 固及转 向区域容易产生应力集中， 锚固施工要求高； 体外索张拉力较小， 不能充分发挥体外索强度高的优 点等。通过改进体外预应力加固技术采用 的材料和 体系， 可以有针对性地进一步扬长避短。可采用非钢 材预应力索， 如纤维加劲塑料 F R P 预应力索 ， 其具有 轻质、 高强 强度接近或大于预应力钢索 、 耐腐蚀、 耐 疲劳、 非磁性等优点， 其中耐腐蚀耐疲劳的特点使其 在体外预应力领域的发展前景广阔。 参考文献 [ 1 ] 方 立志 ， 朱天镕 ， 吴红斌 ， 等 ．体外 预应力 加固钢梁 的试 验与 实施[ J ] ． 建筑结构， 1 9 8 8 ， 2 2 4 3 8 ． [ 2 ] Y o u n g H o o n P a r k ， C h e o l w o o P a r k ， Y o n g G u l P a r k ． T h e b e h a v i o r o f a n i n s e r v i c e p l a t e g i r d e r b rid g e s t r e n g t h e n e d w i t h e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g t e n d o n s[ J ] ． E n gi n e e r i n g S t r u c t u res ， 2 0 0 5， 2 7 3 7 9 ． [ 3 ] 赵玲军， 张国龙， 吴涛 ． 体外预应力法在加固钢桁架中的实践 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 增刊 5 05 2 ． [ 4 ] 许琦， 张南 ．钢箱组合梁体外索预应力增量计算方法研究 [ J ] ． 公路工程， 2 0 0 8 ， 3 3 3 5 6 5 9 ． [ 5 ] 孙 云 ．预应力加 固钢结 构的理论分 析 与设 计计算 研究 [ D] ． 南京 东南大学 ， 2 0 0 3 ． [ 6 ] H o a d l e y P G B e h a v i o r o f p r e s t res s e d c o m p o s it e s t e e l b e a m s[ J ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u re D i v i s i o n ， A S C E， 1 9 6 3 ， 8 9 3 2 1 3 4 ． [ 7 ] S h i m i n g C h e n ，P i n g G u ． I J 0 a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f c o m p o s i t e b e a ms p res t res s e d w i t h e x t e rnal t e n d o n s u n d e r p o s i t i v e mo me n t [ J ] ． C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 5， 6 1 5 1 5 5 3 0 ． [ 8 j S h i m i n g C h e n ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o f p r e s t r e s s e d s t e e l c o n c rete c o m p o s i t e b e a m s wit h e x t e rna l t e n d o n s f o r n e g a t i v e m o me n t s[ J ] ． Co n s tr u c t i o n al S t e e l Re s e a r c h， 2 0 0 5， 61 1 6 1 31 6 3 0 ． [ 9 ] S u n k y u P a r k ， T a e w a n K i m， S u n g N a m H o n g ． F l e x u r al b e h a v i o r 牛广峰等 超 重车作用 下桥梁 承载能力分析 4 9 超重车作用下桥梁承载能力分析 牛广峰 。 1 ．河北工业大学 土木工程学院 ， 天津3 0 0 4 0 1 ； 杜青 2 ．河北省土木工程技术研究中心 ． 天津3 0 0 4 0 1 【 摘要】 以一质量达 1 3 9 ． 3 t 的超重车通过河北省某桥为背景， 考虑到按常规荷载等级设计的预应力混凝 土空心板斜桥的承载力一般难以满足超重荷载通行的要求， 利用桥梁通用有限元软件建立实体模型进行结构承 载能力验算 ， 对超重车过桥进行桥梁承载能力分析。 【 关键词】 超重车； 实际荷载验算法； 有限元计算； 承载能力分析 【 中图分类号】 T U 3 7 8 ． 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 1 0 一 o o 4 9 0 2 河北省某桥 原建 于 1 9 9 9年 ， 由于桥 面系力学性 能 不满足设计荷载要求 ， 对该桥上部结构进行 了改建。 改建时保留下部桩柱一盖梁结构不变， 按原荷载等级 与设计方案重建桥面结构 ， 并于2 0 1 1年竣工。超重车 过桥给桥梁安全性带来隐患， 为保证桥梁结构的使用 安 全 ， 在 超 重车过 桥 前 ， 有 必要对 桥梁 进行 承载 能力 分析， 确保超重车的安全通过。 1 超重 车基本情 况及桥梁概 况 运输的梁体重量为 1 3 9 ． 3 t ， 运输车自重3 8 t 。运输 方案拟采用桥式运输车进行运输， 桥式运输车由 1台 牵引车， 一辆 2 X 8轮和一辆 4 X 8轮半挂车组成。梁 式运输车长 4 0 ． 9 m， 宽 3 m， 高 3 ． 6 m， 运输车辆示意图 及车辆轮轴分 布示 意 图分 别见 图 1 、 图 2 ， 图中标 注单 位均为 c m。 该 桥为 1 2 X 2 0 m 预应 力 混凝 土空 心 板桥 ， 全 长 2 4 4 ． 0 4 m， 斜交角 4 0 。 ， 其标准横断面示意图见 图3 ， 图 中标注单位均为 m m。桥面宽度为净 1 1 ． 4 m 行车道 图1 车辆运输示意图 围2 车辆轮轴分布示意图 图3 标准横断面示意图 2 0 ． 3 m 栏杆 ， 荷载标准为公路二级 ， 空心板梁设 2 超 重车辆过桥时桥梁承载能力验算方法 计强度为 C 4 0 混凝土。 等代荷载法和实际荷载验算法是超重车辆过桥 O● O O● OO● O0 ● OO● OO ● OO● 00 ◆o 0● 0O◆ 0O ● OO● OO ●O O◆ 00● Oo ●O O● 0O● O 0● OO● oO ● oO● 00 ●O O● 0O● OO ● OO● 00● OO ●0 O● OO● 0 O● 0O● Oo ●O O◆ OO● O0 ◆ O0● O0 ●O O● oO● OO ●0 O● OO● OO ● 0O● O o f c o n t i n u o u s s t e e l g i r d e r wi t h e x t e r n a l p o s t t e ns i o n i n g a n d s e c t i o n e n h a n c e me n t[ J ] ． C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e a t ， 2 0 1 0， 6 6 2 4 8 ． [ 1 0 ] S u n k y u P a r k ，T a e w a n K i m，K w a n g s o o K i m，S u n gN a m Ho n g ．F l e x u r a l b e h a v i o r p f s t e e l Ib e a m p r e s t r e s s e d wi t h e x t e r n al l y u n b o n d e d t e n d o n s[ J ] ． C o n s t ruc t i o n a l S t eel R e s e a r c h， 2 0 1 0 ， 6 6 1 2 5一l 3 2． [ 1 1 ]李建勋， 韩庆华 ．预应力拉索网壳结构布索方式分析[ J ] ． 工 业建筑 ， 2 0 0 8 ， 增刊 1 0 4 51 0 5 3 ． [ 1 2 ]李明． 预应力网架结构布索方案研究[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 5 ， 3 5 5 9 29 4 ． [ 1 3 ]贺拥军， 章小桐， 周绪红 ． 拉索预应力折线型立体桁架拱布索 方案研究【 J ] ． 湖南大学学报， 2 0 1 1 ， 3 8 8 7 1 2 ． [ 1 4 ]T r o i t s k y M S ． P r e s t r e s s e d S t e e l B ri d g e ， T h e o r y a n d D e s i g n[ M] ． V a n No s t r a n d Re i n h o l d C o mp a n y，Ne w Yo r k， 1 9 9 0 ． [ 1 5 3中国工程建设标准化协会 ． C E C S 2 1 2 0 0 6 ， 预应力钢结构技术 规 程[ s ] ． [ 1 6 ] 薛伟辰 ， 王骅 ．体外 预应力钢 一混凝土组合梁长短期性 能研究 [ 1 7 ] 1 8 ] [ 1 9 ] [ c ] ∥2 0 0 3 年全国桥梁学术会议 ． 成都 人民交通出版社， 2 0 0 3 5 7 25 7 8 ． Ay y u b B M ， S o h n Y G ，S a a d a t ma n e s h 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