第４３卷第１期２０１２年１月 建 Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１２ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 筑 技 术 ・４９・ 后张体外预应力加固技术及其工程应用 刘 航 ，高会宗２，杨学中 ，吴文奇 （１．北京市建筑工程研究院有限责任公司，１０００３９，北京；２．中广国际建筑设计研究院，１０００４５，北京） 摘要：对后张体外预应力技术在结构加固工程中的应用进行了较为全面的分析。探讨了后张预应力加固 钢筋混凝土受弯构件的设计计算方法，提出了预应力筋的常用束形布置和节点做法，并结合某工程实例分析了 预应力加固框架梁的有关施工方法。后张预应力技术目前在国际上还被用于砖砌体结构的抗震加固。对其原理 和效果也进行了简要的介绍。 关键词：体外预应力；后张法；加固；受弯构件；砌体结构 中图分类号：ＴＵ ７４６＇．３；ＴＵ ７５７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４７２６（２０１２）０１—００４９—０４ ＥＸ Ｉ＇ＥＲＮＡＬ ＰｏＳＴ—ＴＥＮＳＩｏＮＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＲＥＴＲＯＦＩＴＴＩＮＧ ＬＩＵ Ｈａｎｇ’，ＧＡＯ Ｈｕｉ－ｚｏｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｘｕｅ－ｚｈｏｎｇ’，ＷＵ Ｗｅｎ－ｑｉ’ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，１０００３９，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎ￣ ２．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＲＴＶ，１０００４５，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｏｓｔ－ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＲＣ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｍｅｍｂｅｒｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｔｅｎｄｏｎｓ ｉｆＦｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｔｅｎｄｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｄｅｔａｉｌ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｐｏｓｔ－ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｆｒａｍｅ ｂｅａｍｓ ａｙｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｐｏｓｔ－ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ａｌｓｏ ｕｓｅｄ ａｓ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｍａｓｏｎｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｆｏｒｅｉｎｇ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ；ｐｏｓｔ－ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ；ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ；ｆｌｅｘｕｒａｌ ｍｅｍｂｅｒｓ；ｍａｓｏｎｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 后张预应力技术除在各类新建建筑、构筑物以及 （３）后张预应力技术还开始用于砖砌体结构的抗 桥梁结构中广泛应用外，在结构加固改造领域也有着 震加固。自２０世纪９０年代开始，新西兰、澳大利亚、欧洲 广阔的应用前景。本文结合一些工程实例，介绍了后张 等国家和地区开展了将后张预应力技术用于砖砌体结 预应力加固技术的相关研究及其在结构加固改造工程 构抗震加固的研究。结果表明，采用后张预应力技术加 中的应用。 固砖砌体结构可以显著提高砖砌体结构的延性和耗能 １后张预应力技术应用 能力，使砖砌体结构抗震能力大幅度提高。 （１）采用后张体外预应力筋加固钢筋混凝土结构 ２后张预应力加固混凝土受弯构件常用布置 最为常见，如对于承载能力或刚度不足的混凝土受弯 及节点做法 构件，包括框架梁、楼板等采用后张预应力筋加固，以 ２．１预应力筋常用束形布置 提高其刚度及承载能力；再如对于受压承载力不足的 对于因承载力不足而采用后张预应力进行加固的 轴心受压柱、偏心受压柱采用预应力撑杆加固，对于混 混凝土受弯构件。宜采用接近于其弯矩图布置的折线 凝土桁架结构中承载力不足的轴心受拉构件和偏心受 预应力筋进行加固；对于简支梁，也可采用布置于受拉 拉构件等采用预应力拉杆加固等。 区的直线预应力筋进行加固。图１～３为几种常用的加 （２）后张预应力技术还可用于钢结构和钢与混凝 固预应力筋布置形式。 土组合结构的加固。通过对钢结构和钢与混凝土组合 ｒ－－ －－ｉ —— 结构施加预应力。产生与外荷载反向的变形和内力，一 Ａ 一筋—————— ９ 方面可提高钢结构以及钢与混凝土组合结构的正常使 ｆａ 用性能，另一方面也可显著提高结构的承载能力。 预应力筋 收稿日期：２Ｏｌ１—１１—２８ （ｂ） 作者简介：刘航（１９７１一），男，湖南醴陵人，教授级高级工程师，副总工程 图１ 简支梁加固预应力筋布置示意 师。ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｈａｎｇ７ｌ＠ｓｉｎａ．ｃｏｎ１． （ａ）直线预应力加嗣；（ｂ）折线预应力加圈 ・５０・ 建筑技术 第４３卷第１期 图２连续梁或框架梁加固预应力筋布置示意 图３ Ｔ形或工字形梁加固预应力筋布置示意 ２．２常用节点构造 用后张预应力筋加固钢筋混凝土受弯构件时，为 保证预应力施加的可靠性，预应力筋应锚固于专门加 工的钢托件上。钢托件的形式应根据施工现场实际条 件而确定，钢托件与被加固结构之间应实现可靠连接， 如采用套箍、锚栓固定等方法。图４，５为几种常用的端 部锚固用钢托件构造形式。 预誊 （（ａ） ｂ） 图４预应力筋锚固于端部框架柱根部示意 （ａ）立面图；（ｂ）１－１剖面图 预应力筋 （ｂ） （ａ） 图５预应力筋锚固于楼板上表面示意 （ａ）立面图；（ｂ）ｌ一１剖面图 对于折线预应力筋，弯折节点应采用圆弧过渡，增 大弯折点的接触面积，降低接触应力，避免预应力筋产 生死弯。同时，为保证预应力筋强度的降低幅度小于 ５％，弯折节点应保证一定的曲率半径。弯折节点的最 小曲率半径 可按下式计算： Ｒ＝ａ ｄ 式中：ｄ为单根预应力筋的直径；Ⅳ为一束内预应 力筋根数； 为与弯折点相接触的预应力筋根数；口为系 数，弯折点接触面为钢材时，可取ａ＝２０。 弯折节点的形式也应根据施工现场实际条件而 定，图５，７为常用的弯折节点的构造形式。 预应力筋 （ａ） （ｂ） 图６梁底弯折节点构造形式示意 （ａ）立面图；（ｂ）ｌ一１剖面图 楼板开 —＿＿＼ Ｉ厂 灌 ｝、 ，￣ｌ ＯＯＯ Ｉ 。 上～兰 一…… 塑型 ＿壁 矍。： 一 （ｂ） 图７支座弯折节点构造形式示意 （ａ）立面图；（ｂ）剖面图 ３加固工程实例简介 某厂房位于海淀区永丰路５号院，始建于２００８年， 该建筑的结构形式为４层钢筋混凝土框架一剪力墙结 构，层高４．５ ｍ，房屋总高度为１７．９ｍ。现由于使用功能 发生改变，该结构三层部分框架梁经核算，不满足承载 力要求，需进行加固。由于加固施工期间厂房不能停止 生产，且生产流程对室内空气的洁净度要求较高，综合 考虑各种加固方法后，确定采用后张体外预应力加固 方法对局部框架梁进行加固。 ３．１加固方案设计 根据计算结果，沿加固梁两侧各布置体外预应力 筋２束，每束为１—２（ｐ １５．２低松弛预应力钢绞线， ＝ｌ ８６０ Ｎ／ａｒｍ。，张拉控制应力取为０¨，． ，加固梁的 最大张拉力达￣］５２０ ｋＮ。加固梁平面布置如图８所示。 加固的梁为框架主梁，每根梁在三分点处布置了两根 次梁，主梁所承受的主要荷载为次梁所传递的集中力， 因此，预应力筋采用三折线的布置方式，预应力筋的弯 折点分别位于两根次梁下方，产生直接向上的反力，平 衡集中荷载。预应力筋束形示意如图９所示。 ２０１２年１月 刘航，等：后张体外预应力加固技术及其工程应用 ・５１． 层 ８＠１３０。开洞时应避免切断板内钢筋，因此楼板开 洞采用冲击钻逐步扩孔的方法，开洞尺寸约为５０ ｍｍｘ ４００ ｍｍ。施工前根据图纸上的定位尺寸和角度，在楼 板上进行放样，利用冲击钻开洞，通过试打并按楼板配 筋间距，保证不伤板内钢筋。 ３．２．２锚固节点安装 本工程采用化学锚栓，其成孔深度要求为２１０ｍｍ， 考虑到主梁内配筋较多，成孔深度很难达到要求，为避 图８加固梁平面布置示意 免伤及主梁内的钢筋，考虑到锚固节点主要是传递水 钻孔＿＿、 Ｚ＂－－－楼板 孔 ｆ ■ 、＼．■ ■． ／ 、、 ．■ ■． ／ ｌ —Ｌ一 Ｉ ｌ体外预应力筋 ｌｌ ２８００ Ｉ ２ Ｉ ２８００ ２８００ Ｉ ２ ２８ｏｏ Ｉ ｌ ’８４００ ８４００ Ｉ 图９预应力筋束形示意 由于预应力筋位于混凝土截面之外，其受力性能 不同于传统的体内预应力，对预应力筋的防腐蚀和防 火性能也提出了比体内预应力筋更高的要求，考虑到 梁两侧体外预应力筋均为１—２ 。１５．２，采用无粘结预应 力钢绞线外包裹多层高密度防火布，后喷防火涂料的 方法。 预应力筋在梁底的弯折节点采用图６所示构造形 式，在中间支座处梁顶则采用图７所示构造形式。预应 力筋端部锚固节点采用钢托件通过化学锚栓固定于梁 上表面的节点形式（图１０）。 （ｂ） 图１０端部锚固节点示意 （ａ）立面图；（ｂ）１－１剖面图 ３．２加固施工 本工程的主要工作集中在楼板开洞、体外节点的 锚固安装及预应力的张拉上，在工期有限、保证质量的 前提下，结合工程的特点，从设计和施工便捷的角度出 发，采用了以下施工方法。 ３．２．１楼板开洞 三层加固部位楼板被主次梁分割成若干个２ ８００ ｍｍ￣２ ８００ｍｍ板格，板厚为１２０ｍｍ，板内配筋为双向双 平剪力，把锚固节点的位置后退，锚固于平台板上。 ３．２．３体外预应力束的安装和预应力的张拉 在体外锚固节点深化设计时，应综合考虑锚具和 体外束的大小，以免加工的钢构件放不下锚具或造成 穿束困难。预应力张拉前。先根据千斤顶的标定书和张 拉控制应力，计算出油压表的读数，由于体外束在锚具 安装过程中需事先进行预紧，张拉力以油压表的读数 为主，计算伸长值为辅，张拉时，用两台千斤顶在梁的 两侧同步对称张拉，每根筋首先顺序张拉到控制应力 的一半，然后再顺序张拉到控制应力，适当超张拉。 ３．２．４预应力筋切断和锚具的封堵 预应力张拉完成后．对锚具外露预应力筋进行切 断处理。切断后预应力筋外露长度不得少于３０ ｍｍ．切 筋应采用手持砂轮锯或其他液压切割设备，不得采用 电弧切割。预应力筋切断后用灌浆料封堵。 ４砖砌体结构后张预应力抗震加固技术 后张预应力加固技术除用于钢筋混凝土结构外。 还可用于砖砌体结构的抗震加固。 砖砌体结构是抗震性能较差的结构形式之一，由 于砖砌块为脆性材料，且通过砌筑砂浆连接。结构整体 性较差，在大震作用下倒塌比例很高，属于地震震害最 为严重的结构形式之一。砌体结构的传统抗震加固技 术包括钢筋网砂浆面层或混凝土板墙加固法、外加混 凝土构造柱加固法、包角或镶边加固法等，这些加固方 法一般会引起使用面积减少，建筑外观效果受影响。噪 声扰民，加固施工质量较难控制，且加固将导致建筑停 止使用等问题。 国际上，不少国家开展了采用后张预应力技术对 砌体结构进行抗震加固的研究，并已在实际工程中应 用。研究结果表明，采用后张预应力技术加固砌体结构 可显著提高砌体结构的延性和耗能能力，从而使砌体 结构的耗能能力和抗震性能大幅度提高。 后张预应力技术之所以能用于提高砌体结构的抗 震性能，一方面由于预应力筋的设置使砌体结构成为 ・５２・ 建筑技术 第４３卷第１期 配筋砌体结构。另一方面是由于施加预应力后，进一步 提高砌体墙体的整体性，尤其对震后变形恢复能力有 显著的提高作用，另外，预应力的施加提高了砌体所受 的轴向压应力，还可以显著提高砌体的抗剪承载能力。 图１１和图１２分别为砖墙采用竖向预应力加固后在 平面内和平面外的工作原理示意。可以看出，采用竖向 预应力加固后，砖墙无论在平面内还是平面外的抗裂 能力、抗剪承载力等均可提高。另外，对预应力加固砖 墙进行的水平低周反复载荷试验表明，加固后砖墙的 滞回环明显丰满，延性和耗能能力显著提高。 图ｌ１预应力加固砖墙平面内受力简图 图１２预应力加固砖墙半面外受力简 图１３为新西兰南岛城（Ｃｈｒｉｓｔｃｈｕｒｃｈ）某建筑 采用后张预应力技术进行加固后的照片。加固后的建 筑在２０１ １年２月２２日发生的大地震中经受住了考验，几 乎未发生任何结构损伤。 ５结语 本文介绍了后张体外预应力技术在结构加固改造 工程中的应用，预应力筋束形布置和节点构造、施工方 图１３新西兰城某建筑加固照片 法等，并对预应力加固砖砌体结构的方法进行了简要 介绍，从中可以得到如下结论：（１）预应力筋的布置宜 采用接近于其弯矩图布置的折线束形，对于简支梁，也 可采用布置于受拉区的直线束形；（２．）锚固节点和弯 折节点可采用专门设计的钢托件以保证传力效果。 后张预应力加固砖砌体结构的抗震性能在国际上 已经过大量研究，也经过大震的检验．是一种值得在国 内开展研究并大力推广的抗震加固新技术。 参考文献 ［１］李晨光，刘航，等．体外预应力结构技术与工程应用［Ｍ］．中国建筑工 业出版社．２００８． ［２］熊学玉，体外预应力结构设计［Ｍ］．中国建筑工业出版社，２００５． ［３］刘航，李晨光，白常举．体外预应力加固混凝土框架梁的试验研究 ［Ｊ］．建筑技术，１９９９，３０（１２）：８５５—８５７． ［４］刘航，李晨光，第六届后张预应力学术交流会论文集：体外预应力 加固钢筋混凝土承重梁计算方法研究［Ｃ］．杭州，２０００． ［５］刘航，李晨光，第二届预应力结构理论及工程应用学术交流会论文 集：钱币博物馆框架梁体外预应力加固［ｃ］．重庆，２００２． ［６］杨学中，刘航，李晨光，等．第十四届全国混凝土及预应力混凝土学 术会议：北京地铁复八线车辆段大平台二层顶梁体外预应力加固 设计与施工［ｃ］．长沙，２００７． ［７］刘航，李晨光，体外预应力加固方案的设计与施工［Ｊ］．建筑技术开 发，１９９９． ［８］ＶＳＬ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．ＶＳＬ ｒｅｐｏｒｔ ｓｅｒｉｅｓ，Ｐｏｓｔ—ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ Ｍａｓｏｎｒｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｆｅｂ．２０１ １． ［９］ Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｕｃｋｌａｎｄ，Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｍａｓｏｎｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｆｏｒ ｅａｒｔｈ— ｑｕａｋｅ ｒｅｓｉｓｔｎａｃｅ［Ｊ］．Ｍａｒｃｈ，２０１１． ［１Ｏ］Ｓ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｙ．Ｚｈｕｇｅ，Ｐ．Ｃ．Ｍｃｂｅａｎ，Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｕｎ— ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｍａｓｏｎｒｙ ｗａｌｌｓ ｂｙ ｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，１３ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆｅｒ— ｅｎｃｅ Ｏｎ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ｃ］．Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，Ｂ．Ｃ．，Ｃａｎａｄａ， Ａｕｇｕｓｔ，２００４． ［１ １］Ｍ．Ｅｌｇａｗａｄｙ，Ｐ．Ｌｅｓｔｕｚｚｉ，Ｍ．Ｂａｄｏｕｘ．Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｔｏｒｆｉｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｕｑｅｓ ｆｏｒ ＵＲＭ，１３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｒｉｃｋ ｎａｄ Ｂｌｏｃｋ Ｍａｓｏｎｒｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｎｌ，Ｊｕｌｙ，２００４． ［１２］Ｎｅｂｏｊｓａ Ｍｏｊｓｉｌｏｖｉｅ，Ｐｅｔｅｒ Ｍａｒｔｉ，ＩＪ０ａｄ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｐｏｓｔ—ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ ｍａｓｏｎｒｙ ｗａｌｌｓ［Ｊ］．ＴＭＳ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００（７）：６５－７０．
