预应力技术在托梁拔柱工程中的应用
杜吉坤 张群梅
（江苏省苏科建设技术发展有限公司，南京 210008）
Prestress in Cutting off the Column for Expanding the Span
Du Jikun Zhang Qunmei
(Jiangsu Suke Construction Technology Inc., Nanjing, 210008）
摘要：通过托梁拔柱实现大空间在工程中并不少见,本文通过一个实际工程,介绍了采用托梁换柱的方式,运用预应力加固技术,成功地抽除了建筑物顶层的中间柱,使房屋从原来的3跨变成了1跨,满足了使用要求,为今后类似工程提供了借鉴。
关键词：托梁换柱 预应力加固
Abstract: It’s a passive method to reinforce RC beam with glued steel plate and enlarging cross section while the post stressed method is an active one. This paper introduced a reconstruction project of a long span RC beam with demolishing column, which applied the advantages of the above two types. The beam column joint is designed as a hinged one to reduce the effect on bending bearing capacity of columns, and the transfer of external prestress is also set properly ,which may be served as reference for the design of similar reconstruction projects.
Keywords: supporting beam and removing column, pre-stressed reinforcement
1． 前言
目前,对于钢筋混凝土梁的加固通常有以下几种方法:增大梁截面法、外包钢法、粘贴钢板或碳纤维法，体外预应力法等；上述加固方法中，增大梁截面法、外包钢法和外贴钢板或碳纤维法等被动加固方法在一定的适用条件下，取得了良好的加固效果。但用这些方法加固的梁体只能在原构件受力发展到一定阶段后，才能起作用，因而有一定的局限性。而体外预应力加固法作为一种主动加固法，它克服了采用其它方法加固时普遍存在的应力滞后问题，保证了体外预应力筋和原结构的整体性与协同工作，不仅能提高其承载力，还可以减小挠度和裂缝宽度，提高结构的弹性恢复能力，并且施工方便，经济节约。虽然该方法对加固后构件的外观影响较大，但仍值得在加固工程中推广使用。在对加固后构件外观要求不高的前提下，预应力加固法应用范围很广泛，如托梁换柱工程，因使用功能改变造成上部荷载增加的房屋结构改造工程，或因施工质量低劣等原因造成的加固工程等。本文将结合一个托梁换柱工程来介绍预应力技术在加固工程中的运用。
2．体外预应力技术简介
2.1 体外预应力定义
体外预应力混凝土结构是后张无粘结预应力混凝土结构的重要分支之一，它与体内预应力即传统的布置于混凝土截面内的有粘结或无粘结预应力结构技术相对应。体外预应力是指布置于承载结构主跨本体之外的钢束或纤维束张拉而产生的预应力，预应力束仅在锚固区域设置在结构本体内，转向块可设在结构体内或体外。
2.2 体外预应力技术的优点
体外预应力技术主要有如下优点:
（1）体外预应力筋设在结构的外部，减少了截面尺寸，尤其是腹板的尺寸，从而减轻了结构恒载；
（2）由于混凝土截面与体外预应力筋分离，主要的施工工序较为简单，使浇注混凝土较方便，混凝土的质量容易得到保证，提高了混凝土的质量和耐久性；
（3）体外预应力筋容易设置，使用期内容易检查和更换；
（4）体外预应力筋仅在锚固区和转向块处与结构相连，摩阻损失明显减小；
（5）体外预应力筋与混凝土之间无粘结，由荷载产生的应力分散在预应力筋全长上，因此应力变化较小，这对承受较大荷载和疲劳控制是有利的。
2.3 体外预应力加固机理
体外预应力加固通常是在梁底或梁侧下部增设预应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋补强,并分别锚固在梁的两端（见图1）,通过设置一定的联结构件使预应力钢丝束与梁体构成一个桁架体系,成为一次超静定结构,施加体外预应力,抵消部分恒载应力,起到卸载的作用,从而较大地提高结构的承载能力。
图1 体外预应力加固示意图
3．预应力在托梁拔柱工程中的运用
3.1 托梁拔柱工艺简介
托梁拔柱是托屋架拔柱、托梁拆墙及托梁拔柱的统称，是在不拆或少拆上部结构的情况下实施拆除中部柱或墙的一项综合性技术，包括相关结构加固技术、上部结构顶升技术、断柱技术、预应力技术等。主要适合于因功能改变需要增大使用空间或改变平面布局。目前，许多单位为了适应今后进一步发展，都常常希望能抽除某些楼层的柱或墙，以扩大使用空间。而且，最好在改造施工过程中，其他楼层仍能继续使用。在这种情况下，托梁拔柱与传统的大掀盖改造相比，充分显示出其对生产生活影响小、改造时间短、费用相对比较低等优点。
3.2 预应力在托梁拔柱中的应用
由于托梁拔柱后原梁柱结构超静定次数降低，造成梁跨度变大，挠度发展过大，引发裂缝，影响正常使用。通过对预应力的合理使用，可以抵消上述不利影响，因此在托梁拔柱技术中，通常还包含了预应力技术。
3.2.1 抽柱后结构内力分析
抽柱后，与该柱柱顶相连的梁的跨度一般成倍增加：抽除一根柱，增加一倍左右；抽双柱，则三倍左右。同时，结构的外荷载作用效应，即内力也会随之发生较大的变化。如图2（a）所示，抽去柱前该柱两侧的梁截面承受较大的负弯矩 和 ；抽柱后，却承受较大的正弯矩 ，并且，往往是结构的控制弯矩。若所抽除的是非顶层柱，则梁上一般还有柱子，它将产生一较大的集中荷载，对结构非常不利。另外，抽柱前后，结构形式发生改变，导致原来梁的配筋形式不再适用。结构的外荷载传递路径在抽柱后会发生改变，一般有两种情况：1.原结构仅在一个方向是主框架平面，则所抽柱上的荷载绝大部份将传递给主框架平面两边的柱；2.原结构在两个方向均为主框架平面，则所抽柱上的荷载将通过两个方向的框架梁传递给周边相邻的四个柱子。
图2 (a) 抽柱前M图 图2 (b) 抽柱后M图
3.2.2 抽柱改造中的预应力技术
预应力抽柱改造技术的基本原理可分为三类：
a) 在所抽柱柱顶的梁柱结点处设置预应力拉索，并令拉索中的拉力T等于所抽柱上的压力N。这样，就将柱上的压力直接转换成预应力索拉力。最后，再通过拉索将N传递给新增传力结构构件（梁、柱及基础）或原建筑结构构件（柱、墙及基础）。
b) 通过事先对抽柱后的一些楼面梁施加不同程度的预应力来补强这些梁的承载力，改变这些梁的刚度，从而，尽可能地将所抽柱上荷载定向定量地分传给周边竖向受力构件（柱或墙）。比如，原结构仅一个方向为主框架方向（如图2），那么就可以通过施加较高的预应力度和增加截面来加固柱A和柱B间梁，提高其抗弯刚度，使柱C上的荷载安全传递给柱A和柱B；
c) 补强楼面梁后，在抽柱后荷载会增加的柱或墙的侧边（考虑建筑美观，一般在内侧边）增设新的柱或墙及基础以承受抽柱后产生的荷载增量。这些新增构件也可考虑与原柱或墙连接成整体，共同受力。
3.2.3 预应力抽柱改造方法
若抽除的柱子是顶层柱，如图3，则可在柱上方浇筑一预应力横梁。并在横梁中部所抽柱的两侧，用预应力钢丝束拉住柱上原有的梁，使柱上压力转为预应力束中的拉力，并经新增横梁传至两边的柱或墙。这种方法设计、施工都很简单，柱上原梁无需补强加固。
图3 顶层预应力抽柱改造
若抽除的柱子是中间层柱，在楼层层高允许条件下，则可在梁下，设置锚固于梁端的预应力折线束，并通过柱两端的顶撑装置，与楼面原梁形成组合受弯结构，如图4，以承受抽柱后的楼面荷载。设计时尽量控制预应力束最低点，最好不超出该楼层的吊顶高度。
图4 中间层预应力抽柱改造
4．加固实例
4.1 工程概况
某中学报告厅多功能厅因使用功能需要，扩大使用空间，增强会议室效果, 需拆除顶层B轴和C轴的10 根框架柱(如图5中涂黑处)，为此在横向框架梁JGL3向上侧进行预应力转换梁加固施工。由于托梁换柱施工前需要对涉及的结构构件先进行加固施工，以防止断柱时破坏，故须先对纵向框架梁JGKL1、2进行粘钢加固施工。在严密对现场进行监测的同时, 对柱子进行切割处理。
图5 加固平面布置图
4.2预应力加固
1）预应力转换梁的施工
在屋面上开孔,将孔位与下部钢板孔保持在一个垂直面上。将吊筋插入屋面板开孔和下部钢板中,等强度焊后,将下部钢板粘贴在混凝土梁下部,在钢筋与屋面板交接处用植筋胶填实, 防止浇注混凝土时漏浆。在预应力转换梁每端支座上植入两根φ25 mm的钢筋。将已开好长孔的两块钢板套入钢筋后放在柱头上, 并在柱头两侧放置泡沫板。沿横向框架梁植抗剪切钢筋。在屋面上扎好钢筋笼, 同时将有粘结预应力筋及配套的波纹管埋入, 并根据预应力要求将锚具、垫板和螺旋筋埋入, 支模板, 浇注混凝土。简图可见图6。
图6 预应力转换梁配筋图
图7 (a) 1-1截面剖面图 图7 (b) 2-2截面剖面图
2）预应力筋的张拉
张拉前应对千斤顶与油表由有资质的试验检测机构在万能机上按主动态(即和张拉工作状态一致)方式进行配套标定。按设计要求,预应力筋实际张拉控制应力为：0.6fptk=1116 。预应力筋采用一端张拉。预应力筋张拉程序如下：0→0.1σcon (量初值) →σcon ( 量终值) →锚固
5 结论
通过采取以上措施，顺利完成了本次托梁拔柱施工。在施工结束后，使用裂缝显微镜对所有梁板进行了裂缝观测，未发现任何裂缝。在屋面部位采用预应力转换梁进行托梁拔柱具有施工效果好，风险小，施工简便等优点，由于未使用传统的体外预应力，可以避免体外预应力养护困难、耐久性差的弱点，具有一点的推广价值。
参考文献
[1] 混凝土结构加固设计规范（GB50367-2006）[S].北京：中国建筑工业出版社，2006
[2] 曹双寅，邱洪兴，王恒华.结构可靠性鉴定与加固技术[M].北京：中国水利水电出版社,2002
[3] 杜拱辰.现代预应力混凝土结构.北京：中国建筑工业出版社，2005
[4] 孙海，黄鼎业.体外预应力在托梁拔柱中的应用[J].土木工程学报,2005 (02)：7-12
[5] 刘航等.预应力转换梁在托梁拔柱中运用[J].建筑技术，1999，30（12）：855-857
[6] 张继文，吕志涛.预应力抽柱改造技术的研究与实践[J].江苏建筑，1996，28（07）：45-57
