下?lián)问戒撨B桿張拉高度v的確定

下?lián)问戒撨B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(shè)計為圓形板上的素混凝土，并鋪設(shè)柔性防水層。施工完畢,進(jìn)行工程驗收時,發(fā)現(xiàn)屋面薄腹梁上出現(xiàn)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(xiàn)同樣問題。后經(jīng)查明,原因為屋面施工時,未按選用圖集規(guī)定屋面做法施工。對已施工完畢的屋面荷載核算,比原設(shè)計恒載超出48%,屋面超載嚴(yán)重。因此必須對薄腹梁進(jìn)行加固處理,以保證結(jié)構(gòu)的安全。需加固薄腹梁除兩端支座附近為T形截面外,跨內(nèi)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(bǔ)強(qiáng),方能滿足各截面承載力的要求。因而加固時,不但要增強(qiáng)跨中正截面抗彎承載力,還要增強(qiáng)支座附近的斜截面抗剪承載力。根據(jù)上述分析及承載力需要,選擇下?lián)问襟w外預(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固方案,見圖1;鋼拉桿張拉節(jié)點(diǎn)豎向張拉器見圖2;鋼拉桿梁端錨固見圖3;轉(zhuǎn)向裝置在鋼拉桿轉(zhuǎn)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(shè)計時,要確定各控制截面的彎矩。即計算出原設(shè)計彎矩與實際施工超載所產(chǎn)生的彎矩之差ΔM,以此計算各控制截面需要補(bǔ)充的加固鋼拉桿截面面積。經(jīng)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(jù)。薄腹梁原設(shè)計荷載q=18.18kN/m,施工完畢實際荷載q′=26.90kN/m,比原設(shè)計荷載大Δq=8.72kN/m。據(jù)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(qiáng)度設(shè)計值fpy=210N/mm2。1.2預(yù)應(yīng)力鋼拉拔施工段的計算預(yù)應(yīng)力鋼拉桿彎起部分(斜鋼拉桿)的垂直分量,可以加強(qiáng)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(yù)應(yīng)力鋼拉桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度;Apb=Ap為斜鋼拉桿截面面積;ft為混凝土的抗拉設(shè)計強(qiáng)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(yīng)力等于零時的縱向預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)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(xiàn)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(shù)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(yù)應(yīng)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(shè)計值為201.75kN。由式(2)算得箍筋及預(yù)應(yīng)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(xiàn)后,滿足斜截面抗剪要求。1.3預(yù)應(yīng)力筋張拉高度對于下?lián)问襟w外加固鋼拉桿,其預(yù)應(yīng)力值的大小與張拉高度有關(guān)。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(yù)拉應(yīng)力設(shè)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(jīng)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(yīng)力應(yīng)達(dá)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(dá)到設(shè)計值,尚需通過現(xiàn)場測試控制。1.5斜拉索的公式薄腹梁用下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固后,其受力狀態(tài)如圖6所示。按圖6推導(dǎo)出下?lián)问筋A(yù)應(yīng)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(jié)點(diǎn)的向上頂力Nd所產(chǎn)生的豎向位移。當(dāng)為直線預(yù)應(yīng)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(shù)K=1.0。2水平拉緊張拉張拉加固鋼拉桿時,用旋轉(zhuǎn)張拉節(jié)點(diǎn)螺帽來實現(xiàn)張拉節(jié)點(diǎn)向下產(chǎn)生位移,將斜拉桿及水平拉桿拉緊,當(dāng)張拉高度ν張拉到設(shè)計值,加固鋼拉桿的預(yù)拉應(yīng)力也就達(dá)到了設(shè)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(yīng)變片,用來測量鋼拉桿上的張拉應(yīng)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(yīng)力增量的預(yù)測由式(3)可解出,斜拉桿應(yīng)變與張拉高度v之間的關(guān)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(yù)測分級張拉時斜拉桿的應(yīng)變,由此可以預(yù)測加固鋼拉桿在分級張拉施工過程中的應(yīng)力增量。當(dāng)張拉高度v=33.3mm時,斜拉桿拉應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力設(shè)計值168N/mm2,最大應(yīng)變達(dá)到840με。利用斜拉桿與水平拉桿的幾何關(guān)系,同樣可以預(yù)測張拉施工過程中水平拉桿的應(yīng)變。2.2旋轉(zhuǎn)螺帽張拉時,全球反拱值的預(yù)測加固鋼拉桿經(jīng)張拉后,在梁跨中截面產(chǎn)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(chǎn)生反拱,張拉鋼拉桿時,要實時測量與張拉高度對應(yīng)的反拱值。同理,也可以利用反拱f與張拉高度v之間的關(guān)系,預(yù)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(shù)值代入式(6),即可預(yù)測旋轉(zhuǎn)螺帽張拉時,跨中產(chǎn)生的反拱值的增量。反拱數(shù)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(jié)點(diǎn)向上頂力產(chǎn)生的反拱,其值較大,約為第一項的3倍;第三項雖為負(fù)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(jié)點(diǎn)向上產(chǎn)生的頂力Nd作出了主要貢獻(xiàn)。2.3預(yù)應(yīng)力鋼拉張拉在薄腹梁的兩側(cè)分別布置1根加固鋼筋,在離梁端各3m處分別設(shè)置1個張拉螺栓節(jié)點(diǎn),每個節(jié)點(diǎn)上設(shè)置2個螺栓。旋轉(zhuǎn)螺帽張拉時,4個螺帽同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生同樣大小的豎向位移,才能使兩側(cè)鋼拉桿受力均勻。鋼拉桿制作后,兩側(cè)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(zhuǎn)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(cè)的加固鋼拉桿的應(yīng)力不一致。如果兩側(cè)鋼拉桿拉力相差過大,薄腹梁可能出現(xiàn)側(cè)向彎曲。張拉加固鋼拉桿時,將張拉高度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的應(yīng)變,并分為若干等分,逐級張拉,每級應(yīng)變對應(yīng)于螺帽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的若干mm的位移。張拉時,同時旋轉(zhuǎn)四個螺帽,盡可能做到動作一致,通過應(yīng)變儀跟蹤監(jiān)測各鋼拉桿拉伸應(yīng)變,直至達(dá)到應(yīng)變預(yù)測值,并即時將應(yīng)變換算為相應(yīng)的應(yīng)力,以便核算拉桿中拉力增量,如發(fā)現(xiàn)兩邊拉桿應(yīng)力或拉力相差較大,則即時調(diào)整一致,然后,再進(jìn)行下一級張拉。同時還要觀察跨中位移計測量的位移數(shù)值。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的螺栓擰緊向下移動時,其反作用力使薄腹梁向上產(chǎn)生豎向位移,這種位移是拉桿對薄腹梁橫截面產(chǎn)生偏心壓力引起的反拱,對薄腹梁是有利的,薄腹梁原已產(chǎn)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(xù)擴(kuò)展,還可促進(jìn)裂縫閉合。加固鋼拉桿張拉節(jié)點(diǎn)處的張拉高度雖然可以計算出來,但是由于節(jié)點(diǎn)上的螺帽并不一定在設(shè)計要求的起始高度處,這就使得何處是設(shè)計要求的張拉高度起始點(diǎn)成為問題。預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉中,先將各節(jié)點(diǎn)張拉螺帽逐漸擰緊,使鋼拉桿中產(chǎn)生5%的拉力,以此為起點(diǎn),測量鋼拉桿中的拉應(yīng)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(xiàn)同樣問題。為了觀察加固效果,在對第一榀薄腹梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固時,將設(shè)計的張拉高度值分為十級,由式(5)計算出對應(yīng)的應(yīng)變,每張拉到一級時,暫停數(shù)分鐘,觀測儀器顯示的應(yīng)變和位移數(shù)值是否接近預(yù)測的數(shù)據(jù)。根據(jù)前述預(yù)測計算,節(jié)點(diǎn)向下拉伸十分之一的張拉高度,鋼拉桿中會同時引起相應(yīng)的應(yīng)變。拉桿中的應(yīng)力達(dá)到設(shè)計值后,節(jié)點(diǎn)張拉高度也應(yīng)張拉到設(shè)計值。第一榀薄腹梁加固鋼拉桿張拉至斜拉桿應(yīng)變?yōu)?40με時,中止張拉,此時張拉高度v=33.3mm,應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固引起的應(yīng)力和變形預(yù)斥值及實測值見表1。加固施工時,按表1的預(yù)測值控制鋼拉桿中的應(yīng)力和薄腹梁的反拱,以及張拉螺栓的豎向位移。預(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固過程中,應(yīng)力和反拱應(yīng)同時監(jiān)測,但起控制作用的是鋼拉桿的應(yīng)力,應(yīng)以監(jiān)控鋼拉桿的應(yīng)力為主。經(jīng)過對第一榀薄腹梁預(yù)應(yīng)力鋼拉桿加固后24h觀測,鋼拉桿中的拉應(yīng)力基本穩(wěn)定,兩側(cè)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(yù)應(yīng)力加固引起的應(yīng)變與位移表1與薄腹梁下腹部裂縫及受壓有關(guān),預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉后,梁下部受壓,混凝土產(chǎn)生徐變,裂縫寬度減小,梁下部縮短更多,梁截面上下產(chǎn)生相對伸縮變形,引起反拱增加。預(yù)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼拉桿向上產(chǎn)生的反拱,所以實測的反拱小于預(yù)測計算值。其它薄腹梁經(jīng)加固后,加固