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1、预应力钢结构技术讲座(7-2)预应力技术加固钢结构陆赐麟(北京工业大学?北京?100022)TECHNICAL LECTURE OF PRESTRESSED STEEL CONSTRUCTION(7-2)STRENTHENING WITH PRESTRESSED TECHNOLOGY FOR STEEL STRUCTURELu?Cilin(Civil Engineering College of Beijing Polytechnic University?Beijing?100022)4?利用高强钢索的加固方案4?1?用高强索加固局部杆件截面在不卸载不停产的条件下,可对现役结构的某些截面或杆
2、件用高强钢索进行加固,简捷方便。加固布索原则与前述的设计布索原则相同。对实腹梁来说一般加固其最大正负弯矩截面处(图 9a d)。图 9a 施工简捷,图 9b 节约材料,图9c 卸载效果好,图 9d 布索经济合理。而对桁架而言也是加固其最大受力杆件,如图 1 所示的下弦杆加固及图 9e、f 的方案,但锚固构造多,用钢量大而施工繁重。采用整体加固布索方案(图 9g、h)可使效果更好。连续梁及桁架的布索方案原则与简支梁相同,在最大正负弯矩处加固,索可用断续的(图 9d),也可用连续的(图 9h)。加固索的布置与预应力钢结构设计要求相同,在截面上对称均匀排列,加固索截面重心尽量靠近加固截面重心。索较长
3、时,要在中间设置若干连接点,保证索与加固截面共同工作。图 9?用高强索局部加固方案4?2?改变结构的计算图形用廓外布索方式加固原结构可以取得比廓内布索加固更好的卸载效果。图 10a、b 是用撑杆加固实腹简支梁,加固后的结构再承受荷载时按新的计算图形?一次静不定结构计算。图 10c e 是加固简支桁架的方案,显然加固索具有更大的卸载弯矩。图 10f 是用撑杆加固压杆的方案,加固后压杆的计算长度减小,从而提高承载力。用高强索吊挂现役结构为其增设中间弹性支座同样可以卸载。例如在屋面上增设立柱及吊索的加固方案(图 11a、b)不仅有效,增大刚度改善内力,而且丝毫不影响室内空间的使用。如果结构的廓外空间
4、可以利用,有时采用斜撑或立柱直接加固现役结构(图11c、d),是简捷省事的方案,当然图 10?支撑系加固法1-撑杆系拉索;2-梁的加固肋图 11?吊索系及撑杆柱直接加固1-加固立柱;2-加固肋;4-吊索;5-悬索;6-斜撑61陆赐麟:预应力钢结构技术讲座(7-2)Steel Construction.2001(5),Vol.16,No.55加固后可利用的空间要小了。对于单跨刚架及拱架的加固采用高强索更为方便。加固索一般沿支座连线布置(图 12a、c),如果室内空间允许时也可以在柱头处布置(图 12b),d 图的方案对拱架在半跨荷载时的失稳十分有利。张拉加固索可以产生卸载弯矩,能有效地降低结构的
5、弯矩峰值提高承载力(图 12f h)。除选定适宜的布索位置、张索力度外,还应考虑计算图形的改变而对其它杆件或截面产生的增载效应,要经过验算或局部加强才行。4?3?改善结构边界条件提高刚度结构本身的强度有余而刚度不足时,可用拉索为结构增设弹性支座并按刚度要求施加预应力。刚性不足的横向结构和竖向结构都可用此法提高刚度甚至做到刚度?无限大?。图 13a、b 是在活载作用下挠度较大的桥跨结构,如果活载作用下的最大挠度值为?max,用拉索加固张拉时的挠度为?p,且?p?max,则以后活载再次作用时只会有加固索的内力改变,而再无荷载下的挠度出现。换言之,用拉索加固刚度的方法可使横向结构刚度变成?。竖向桅杆
6、结构刚度不够时,可以再增设纤缆(图 13c)或用支撑系加固中间杆段(图13d),都可以提高结构刚度。框架结构横向刚度不足时,只要外部空间允许就可以用纤索在 柱顶部位张拉加固(图13e)。结构在横梁标高处增设弹性支座后,侧向水平位移显著减小,柱的计算长度可减小 50%100%,框架的稳定性及可靠度增大。如果两侧拉索不施加预应力,则两索轮流交替受力,若两索都预张拉紧,则它们同时共同参与受力。图 12?拉索加固刚架、拱架的方案图 13?增设弹性支座提高刚度法5?用高强钢材进行预应力加固的设计与计算预应力加固钢结构除遵守一般钢结构加固的准则与规定外,还具有以下的特点:(1)进行静力计算时必须首先确定一
7、些与调整应力有关的参数,例如辅助平衡重大小、预应力张拉力度、预应力卸载弯矩值、支座标高位移值等。(2)要确定调整应力时的合理荷载值或应力水平,换言之,要分析判断加固结构时是否需要全部卸载,或卸载至某一水平。下面介绍在荷载作用下几种杆件的加固计算,计算中遵守下列原则:?加固件与被加固件皆在材料弹性范围内受力,两者在荷载作用下同时达到各自材料的强度设计值;?充分发挥材料强度潜力,应设计加固件的预应力力度使被加固件的荷载应力卸载至其反向应力的极值;?预应力加固设计中同样应当考虑预应力加载系数(前苏联规定:?max=1?1,?min=0?9),预应力损失系数(前苏联规定:Kn=0?93 0?95),工
8、作条件系数,荷载系数等。但因我国尚未编制预应力钢结构设计及加固规范,且各国的加固规定又不尽相同,因此在本节计算中皆未列出有关系数以简化算式。5?1?轴向拉杆的计算以高强索加固受载轴向拉杆并使其达到受压极限,然后高强索与拉杆共同受力达到各自材料的强度设计值 f。设 E1?E2,其中 E1、E2分别为被加固件与加固件的材料弹性模量。?施加预应力时,将拉杆的受拉极限状态转变为受压极限状态时,根据内力平衡条件可以列出:?02A2=A1f1(1+?),故:?02=A1f1(1+?)A2(7-1)62技术讲座钢结构?2001 年第 5 期第 16 卷总第 55 期?图 14?轴拉杆件加固件与被加固件的内力
9、分布加固后构件受载,两者同时达到各自强度设计值,则:f2=?02+f1(1+?)(7-2)?将(7-1)代入(7-2)可得所需高强索面积:A2=A1f1(1+?)f2-f1(1+?)(7-3)?加固后新杆件的承载力为 N:N=A1f1(1+?)+A2f2-?02=(A1+A2)(1+?)f1(7-4)比原拉杆增大承载力:?N=N-N1=(A1+A2)f1?+A2f1(7-5)式中?A1、A2?拉杆、高强索截面积;f1、f2?拉杆、高强索强度设计值;?01、?02?拉杆、高强索中预应力值;?拉杆加固前的抗压稳定系数。由于某种理由不对拉杆施压至极限而只定预压力水平为?01时,则根据前式可写出:?0
10、2=A1(f1+?01)A2(7-1)?f2=f1+?01+?02(7-2)?A2=A1(f1+?01)f2-f1-?01(7-3)?因此,不同的卸载水平需要加固件的截面不同,最后其新的承载力亦不一样。5?2?轴向压杆的加固轴向压杆的卸载及加固后的承载一般都使加固件处于受压状态。因此必须采用刚性杆件及顶压设备。同样考虑被加固杆件在荷载下已达承载极限,卸载使其达到抗拉极限,加固后两者共同受力同时达到各自的抗压承载极限(不考虑两者间已连成整体共同工作)。卸载阶段受压杆件的预应力可达其抗拉极限,根据内力的平衡条件(图 15),可知?02A2?2=(1+?1)A1f1(7-6)?加固后杆件的抗压承载力
11、为N=(1+?1)A1f1+A2?2(f2-?02)(7-7)?将(7-6)中?02代入(7-7)式得:N=A2?2f2(7-7)?图 15?轴压杆件中加固件与被加固件的内力分布上式中?1、?2分别代表被加固杆及加固杆的单独抗压稳定系数,A1、f1及 A2、f2分别代表两者的截面积及强度设计值。从(7-7)式可知加固后的压杆承载力就是加固件本身的单独抗压承载力。因此根据加固后的荷载情况选择有较大截面惯量的加固件是恰当的。如果不对被加固件卸载,即?02=0,而能使加固件有效地承受后继荷载,则(7-7)式改写为:N=A1f1?1+A2f2?2(7-7)?实际上(7-7)?式的前部分为原压杆的承载力
12、极限,并未卸载,加固后的承载力只有加固件本身承担,因此式(7-7)?与式(7-7)?是一致的。至于加固件的材料强度 f2的选择也应遵循充分发挥强度潜力的原则。如果加固件与被加固件在加固时用缀板或缀条连成整体并保证有效共同受力,则加固后的承载力将会大大提高,但必须对被加固件进行卸载,才能使两者的材料强度同时达到极限值。5?3?横向受弯构件的加固根据结构的构造,加固的方式及增加荷载的程度等可有多种加固方案。对简支实腹工字梁而言,多采用沿下翼缘上下方直线布索的方案。因为卸载效率及构造原因往往采用下翼下侧布索(图 16),索与截面重心轴间的距离 e 视梁承载力的必需增大程度而定。设承载力增大系数为 K
13、M;则KM=MxWx?f(7-8)式中?Mx?增大荷载后的弯矩值;Wx?梁的截面抵抗矩。图 16?梁加固索位置?如果 KM?1?2,则索离下翼边缘的距离 d 可取最小值,如 1?2 KM?1?5,则 d 值取 100 150 mm,若荷载显著增大,当 1?5 1?7时,不宜采用此法加固。设置拉索加固简支梁后,梁变成一次超静定体系,拉索中的内力为预应力 Xp及新增荷载自应力 Xq之和:X=Xp+Xq(7-9)?拉索面积的选择应当满足自身的强度及在预应力阶段及全部新增荷载作用时梁上下翼缘处的强度条件,即:?=-XA0?Mx-X?eWx?f(7-10)?A0?梁截面面积。拉索截面 AT?XfT(7-
14、11)?施加预应力阶段要保证下翼的稳定性,并进行验算:?=-XA0-X?eWx?f(7-12)式中?梁下翼缘出平面的稳定系数,其计算长度取索与梁连接点的间距。在充分发挥材料强度潜力及保证梁翼在预应力及受载阶段的强度及稳定的条件下,确定卸载时的张拉力度 Xp。5?4?用拉索加固结构刚度在净空空间允许下,用拉索加固结构形成弹性支座可以大大提高结构刚度减小变形,尤其对桥跨结构简单易行十分有效。举简支梁上有活载 P 作用时因过大挠度变形的加固为例(图 17)。图 17?梁跨刚度加固?梁跨l,梁高 h=l24,加固索长 lT=l2,集中荷载 P 作用下梁跨中挠度为?。设拉索张力 T=P时,当 P 作用于
15、跨中时T=0。此时索需面积:AT=PfT(7-13)?在 P 作用于梁跨中时,上下翼应力皆达设计值。此时:因:M=pl4,?=M?h2I=pl2192I?f有:P=192Ifl2(7-14)?梁跨中挠度?=pl348EI,代入(7-14)?=4f lE(7-15)?设 E?Et,ft=2f,拉索在 P 力作用下变形?T=plTEAT=flE(7-16)故:?T=?4?同样荷载作用下拉索的变形只有梁跨变形的 1/4,换言之,拉索加固的刚度比加固前的梁刚度大三倍。加固后荷载作用下?=0,成为刚度?无限大?的结构,梁和拉索对 P 载的承担份额为 1:4,此时梁的挠度值与拉索的长度回弹量相等,实际上仍
16、是位移为零。参考文献1?!#!%?!#?%&!(!#&)!+,?!#%&()&#+?,19902?!#%&?!#%&!?()+#?%,(./?!#?!#,1954补第 6 讲参考文献1?!#.?!#?%&()#!?+,(.%#&/0 1?!#?%&(!)#.?!#,19752?化工部第四设计院.78m 三支点排气筒塔架工程简介.土木工程学报.1966(3)3?Samuely F J.Structural Prestressing.The Structural Engineers.1995(2)4?!#%&?.?!#?%&#?()%+&,#(%(.)#?#?!?#%&()&%.?!#,19615
17、?Ferje?k.P.,Toch?cek M.Die Vorspannung in Stahlbau.6?!#.?.?.?.?!#?%&?()+%,&.?,&!/)01?!.?!#,19917?!#%?&.?!#!%!&!()!+!,#!.!/0 ,1(.2?!#,19638?Man-Chung Tan.Stress Ribbon Bridge in Freiburg,Germany Fea?tures Prestressed Concrete Eeck Slab.Civil Engineering,1976,(5)9?陆赐麟.国外预应力钢结构发展的概况.北京工业大学学报.1980(4)作者后记在广大读者及编辑部的关心支持下,跨越五载,历尽艰难,终于为?预应力钢结构技术讲座?画上了句号。坚持写完?讲座?的目的就是要推动这一新兴学科的更快发展,增添建筑钢结构学科领域中的高新技术内容。限于年代及个人水平,?讲座?中仍有许多不足之处,衷心希望能在新世纪中得到完善与发展。并盼这一新兴学科在2008 年北京奥运会体育场馆设计中得到积极应用与深入发展。谢谢大家。64技术讲座钢结构?2001 年第 5 期第 16 卷总第 55 期?