預(yù)應(yīng)力技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用
東南大學(xué)大禮堂是該校的一幢標(biāo)志性建筑，建于本世紀(jì)30年代。經(jīng)檢查，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件已不再符合規(guī)范所要求的安全等級，須對大禮堂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，并將大禮堂東廂2層樓房的底層改造成一大空間報告廳，取名為春暉堂。這樣，就需抽除底層4根300mm×300mm的柱子z1~z4(圖4-18-1)，以滿足建筑使用要求。該房建筑平面尺寸為17.28m×11.60m，屬內(nèi)框架混合結(jié)構(gòu)。
然而，抽柱后結(jié)構(gòu)傳力途徑的改變使外縱墻及其地基基礎(chǔ)上所受外載增加；另外，由于l964年增建的禮東教學(xué)樓引起原本較弱的地基(r≤60kn/m2)不均勻沉降，導(dǎo)致春暉堂東端南北外墻出現(xiàn)了明顯的斜裂縫。因此，改造過程中，對外縱墻及地基基礎(chǔ)也必須作相應(yīng)的加固處理。
第1章加固改造方案
經(jīng)檢測，春暉堂原二層樓面的內(nèi)框架梁l1、l2、l3和次梁l1′、l2′的截面尺寸均為300mm×400mm，四周承重墻寬占bw=370mm，混凝土強(qiáng)度等級c20，ⅰ級鋼，屈服強(qiáng)度設(shè)計值?y=210n/mm2。對此，補(bǔ)強(qiáng)改造的方案可以有多種，但主要有以下3種方案：
【方案一】原則上不改變原梁的主次關(guān)系，直接加固梁l1、l2，用作主梁。而l1′、l2′仍為次梁，它們將樓面荷載傳給l3，隨后再傳到l1、l2上，最后通過南北承重縱墻傳入基礎(chǔ)，但這樣使梁l1′、l2′兩端的縱墻上新增荷載過于集中。荷載傳遞流程如圖4-18-2(a)所示。
【方案二】將原梁l1、l2和次梁l1′、l2′均加固成主梁，而把梁l3改作次粱。這樣，外縱墻上所承受的新增荷載分布較均勻，受力合理。荷載傳遞流程如圖4-18-2(b)所示。
【方案三】將原樓面梁l1、l2、l1′、l2′和l3加固轉(zhuǎn)變成井式梁結(jié)構(gòu)，使樓面荷載較均勻地傳遞到縱、橫外墻上，但加固梁施工工作量大，且有一定難度。荷載流程如圖4-18-2(c)所示。
實際工程中，綜合考慮各方案的加固梁工作量、施工難度和重新分布荷載的均勻程度，最后采用方案二。具體加固方法是：采用梁兩側(cè)對稱設(shè)置折線形高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線束進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，同時將加固梁l1、l2、l1′、l2′兩頭的預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固端內(nèi)埋于縱墻外周邊的圈梁(770mm×400mm)內(nèi)，以滿足建筑外立面要求。張拉結(jié)束后，用c30混凝土封堵外圈梁上局部缺口，并包裹鋼絞線束，以達(dá)到防火、防銹蝕的目的，見圖4-18-3。
另外，一方面考慮到柱抽除后外縱墻上荷載增加，房屋側(cè)向剛度削弱，故采用單側(cè)配筋細(xì)石混凝土夾板墻結(jié)合鋼筋混凝土扶壁柱法加固外縱墻(圖4-18-4)，另一方面，因為地基基礎(chǔ)較弱，以及傳力途徑改變使地基基礎(chǔ)上荷載增加，所以采用壓力注漿旋噴樁結(jié)合抬梁法加固外墻下地基基礎(chǔ)(圖4-18-5)，這樣還可有效阻止不均勻沉降的繼續(xù)發(fā)展。旋噴樁對稱于墻中心線布置，扶壁柱下設(shè)4根，窗間墻下設(shè)2根。
第2章加固改造設(shè)計計算
春暉堂抽柱改造后，二層樓面梁l2′上還要增加一面3.5m高的內(nèi)墻。為減輕自重，采用墻兩側(cè)各抹灰厚25mm砂漿的泰柏板輕質(zhì)墻體。這樣加固主梁分為兩類：帶墻的l2′和不帶墻的l1、l2、l1′。在梁l1、l2、l1′和l2′的加固設(shè)計中，將原梁混凝土整截面視作加固梁的受壓區(qū)，原梁鋼筋的作用不再計入，而僅將其作為加固梁的一部分安全儲備。另外，由于采用預(yù)應(yīng)力加固改造法，抽柱前在對梁l1、l2、l1′和l2′的加固過程中，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的等效荷載可平衡掉原梁上的靜載，，從而卸去柱上的壓應(yīng)力，方便了柱子的拆除。具體設(shè)計計算方法如下：
第1節(jié)梁l1、l2、l1′和l2′的荷載與內(nèi)力
1.底層四柱抽除后，梁l1、l2、l1′和l2′均可簡化成簡支梁。梁上靜、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別以d、l表示，圖4-18-6為加固梁的計算簡圖。
2.由加固梁計算簡圖可計算出控制截面內(nèi)力值：梁l1、l2和l1′的彎矩m1=623knm，剪力v1=215kn；梁l2′的彎矩m2=739knm，剪力v2二255kn。
第2節(jié)預(yù)應(yīng)力筋估算
預(yù)應(yīng)力筋選用1570級фj15鋼絞線，錨具選用jm15-3夾片錨。張拉控制應(yīng)力：對梁l1、l2和l1′取σcon1=0.65?ptk=1020n/mm2，對梁l2′取σcon2=0.56?ptk=879n/mm2。根據(jù)公式ap=m×(ppr)(0.9σps×hop)，估算出預(yù)應(yīng)力筋面積，結(jié)果列于表4-18-1。
式中：ppr預(yù)應(yīng)力度，因不考慮原梁鋼筋抗彎作用，故取l.0；
σps預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力設(shè)計值，近似取σcon。
第3節(jié)預(yù)應(yīng)力加固梁承載力計算
預(yù)應(yīng)力損失σ1；預(yù)應(yīng)力損失σ2主要包括預(yù)應(yīng)力筋與鋼盒間的摩擦損失σ12，錨固損失σ11，松弛損失σ14和混凝土壓縮徐變損失σ15。計算結(jié)果見表4-18-2。
預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力設(shè)計值σps：按照公式σps=(1/1.2)(σpe+500－1400β0)計算，結(jié)果列于表4-18-2。
加固梁的抗彎與抗剪承載方ms與vs：將加固預(yù)應(yīng)力視作梁的內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)力學(xué)平衡條件∑n=0，∑m=0，易得抗彎與抗剪承載力ms，和vs。最后，將其與設(shè)計彎矩m和設(shè)計剪力v比較，結(jié)果示于表4-18-2。msm、vs/v均大于1，滿足承載力要求。
外縱墻、地基基礎(chǔ)的設(shè)計計算：按照相應(yīng)的加固規(guī)范計算，此處從略。
第3章主要施工技術(shù)
1.施工順序：地基基礎(chǔ)加固→承重墻加固→橫向主梁預(yù)應(yīng)力加固→拆柱。其中，關(guān)鍵是預(yù)應(yīng)力加固梁后的反拱有效地方便了柱子的拆除。
2.采用配備空壓機(jī)的沖擊鉆桿高效率傾角打洞技術(shù)，在圈梁上快速打出穿預(yù)應(yīng)力束的斜孔。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用單根穿。對3根фj15鋼絞線束采用jm153夾片錨，對2根фj15鋼絞線束也采用jmi53夾片錨，但張拉時，要在第3個錨具孔內(nèi)插入約1.2m長的фj15短鋼絞線。張拉方式為：用2臺千廳頂于梁兩端斜對稱同步一端張拉。為減少摩擦損失，張拉時，在鋼絞線與鋼盒支撐墊棍間放置滑動薄鐵皮。
3.采用跨過梁頭的厚鋼板(h=35mm)將預(yù)應(yīng)力筋錨固力傳至梁端，以避免梁端兩側(cè)圈梁因打洞使截面削弱而被剪壞。另外，完全將錨具埋置于外圈梁內(nèi)，不影響建筑立面外形的美觀。
4.如圖4-18-7所示，梁l1、l2南端間的圈梁由原先的770mm×400mm的矩形截面(虛線)改成了梯形截面，而ll、l2正好各有一束預(yù)應(yīng)力筋從該段梯形截面圈梁上穿過，并且其傾斜方向與梯形斜面方向相反。這給施工帶來很大困難。因為當(dāng)時工期非常緊，且此處錨固集中應(yīng)力又很大，經(jīng)多方案比較后，使用了特殊配方的高強(qiáng)混凝土澆筑于圖4-18-7中陰影區(qū)范圍，長度60cm。2d后，混凝土強(qiáng)度即超過了c30。張拉時，將這端作為錨固端，以降低應(yīng)力集中峰值。施工結(jié)果表明，這一措施不但保證了質(zhì)量，也保證了工期。
5.最后利用混凝土抗拉強(qiáng)度低的特性，采用預(yù)應(yīng)力快速破斷技術(shù)，半天移除4柱。
第4章結(jié)語
改造后的春暉堂，成為一個寬敞氣派的大空間報告廳，總使用面積為200.4m2，效果非常顯著。
現(xiàn)場測試結(jié)果為：加固梁總反拱值平均4.5mm；張拉階段預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的等效荷載等同于柱上所受拉力，這些結(jié)果與設(shè)計值較吻合。
實踐證明：預(yù)應(yīng)力加固改造法不但能對普通梁進(jìn)行常規(guī)體外加固，而且，能夠有效地用于建筑物改造工程與拆除工程，它的推廣應(yīng)用前景和由此產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益則是不言而喻的。