一種用于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)改造的開口錨具試驗(yàn)研究

陳 磊，陳伯望(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

一種用于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)改造的開口錨具試驗(yàn)研究

陳 磊，陳伯望
(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

為了保證既有建筑無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)改造后的受力性能，盡可能的減少預(yù)應(yīng)力損失，特研制出兩種簡(jiǎn)單高效的開口式錨具，分別為永久使用的工作錨具和可重復(fù)使用的工具錨具．拆除前先將處于張拉狀態(tài)的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線用特制開口錨具先錨固后截?cái)唷⒃俨鸪ぷ麇^具錨固能力強(qiáng)，工具錨具能約束鋼絞線散開、改善鋼絞線切斷時(shí)的受力．兩種錨具配合使用，使保留的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失很小，達(dá)到改造效果．

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)改造；開口錨具；試驗(yàn)研究

由于城市的快速發(fā)展需要對(duì)原有道路的路幅進(jìn)行調(diào)整，或者建筑物的使用功能發(fā)生改變，這就導(dǎo)致大量既有建筑需要部分拆除或改造．拆除部分結(jié)構(gòu)勢(shì)必對(duì)保留的結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生影響，特別是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的拆除．按照傳統(tǒng)的改造方法[1]，即“先斷后錨”，先截?cái)酂o粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，再對(duì)鋼絞線張拉．在截?cái)囝A(yù)應(yīng)力筋時(shí)，突然釋放預(yù)應(yīng)力引起的鋼絞線彈性回縮可能導(dǎo)致另一端錨具突然失效并引發(fā)事故，該方法存在一些安全隱患．在施工期間，該做法將降低樓蓋的原設(shè)計(jì)抗裂度和剛度，增大其撓曲變形，對(duì)保留的樓蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響．目前工程上常用的開口錨具均為單孔，用于錨固單根鋼絞線無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋．

為滿足工程需要，中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所開發(fā)出齒合型鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋用單孔開口錨具(QMK15-1開口錨具)，并使其首次具有根據(jù)自身變形確定實(shí)際錨固力的重要性能．但該錨具構(gòu)造比較復(fù)雜，施工不太方便，更重要的是，錨具靠鋼絞線回縮將錨具各組件抵緊，因而鋼絞線回縮較大，造成較大的預(yù)應(yīng)力損失．現(xiàn)有的開口錨具[2]由于其構(gòu)造復(fù)雜、需要補(bǔ)張拉、施工不方便、造價(jià)較高等原因不能用于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土無梁樓蓋結(jié)構(gòu)的改造．為了使既有建筑無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)改造時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的預(yù)應(yīng)力不改變或預(yù)應(yīng)力損失很小，保證結(jié)構(gòu)的抗裂度和剛度不發(fā)生改變，特研制此開口式鋼絞線錨具．

1 開口錨具錨固性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

本研究提出一種無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的先錨后斷技術(shù)，拆除前先將無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在樓板的保留部分邊緣端采用特制開口錨具先錨固后截?cái)?、再拆除的施工方法．該方法研發(fā)了一種特制的工作錨(杯內(nèi)夾片)和工具錨(杯內(nèi)螺紋)相結(jié)合的組合錨具見圖 1．對(duì)保留部分的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行重錨固，然后將待拆除部分的預(yù)應(yīng)力筋截?cái)?，特制開口錨具能使保留部分的預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)不發(fā)生改變，從而保證剩余部分建筑的安全和良好的工作性能[3]．

該開口錨具包括工作錨(長(zhǎng)期工作錨具)和工具錨(臨時(shí)錨具)，其中工作錨由上下工作錨塊、夾片、螺栓和螺母組成，工具錨由上下錨塊、螺栓和螺母組成，將兩種錨具配合使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)處于工作狀態(tài)的鋼絞線首先實(shí)施錨固，然后對(duì)拆除部分截?cái)啵畬摻g線截?cái)嗪?，工具錨可卸下重復(fù)使用[4]．

圖1 開口錨具照片

利用結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室已有的反力墻孔道進(jìn)行錨具試驗(yàn)，鋼絞線規(guī)格 1×7，d=15.2 mm，鋼絞線孔道長(zhǎng)3.6 m，孔道直徑60 mm，水平直孔．鋼絞線的一端采用普通鋼絞線錨具，并安裝力傳感器，用于測(cè)定鋼絞線張拉力．另一端利用預(yù)應(yīng)力前卡式張拉千斤頂(QYC270A前卡穿心式千斤頂)以傳力鋼架為支撐進(jìn)行張拉，然后安裝開口式錨具，錨具安裝后的構(gòu)造詳圖見圖 2，再松開張拉千斤頂，研究開口錨具的錨固性能，試驗(yàn)裝配圖見圖3．

1.2 工具錨單獨(dú)錨固鋼絞線試驗(yàn)

工具錨第1次試驗(yàn)：預(yù)應(yīng)力前卡式張拉千斤頂張拉力到160 kN后，安裝并緊固工具錨，松開千斤頂后，力讀數(shù)為159 kN，2小時(shí)后力讀數(shù)為158 kN．工具錨第2次試驗(yàn)：在第1次試驗(yàn)完成后將預(yù)應(yīng)力松掉，第2天重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力前卡式張拉千斤頂張拉力到160 kN后，安裝并緊固工具錨，松開千斤頂后，3 min后錨具絲口與鋼絞線產(chǎn)生滑移，滑移量為90 mm．這是由于第1次試驗(yàn)時(shí)鋼絞線在錨具位置造成了損傷，致使再試驗(yàn)時(shí)錨具不能有效咬住鋼絞線．

試驗(yàn)結(jié)果表明：工具錨不能單獨(dú)錨住鋼絞線．

圖2 開口錨具安裝詳圖

圖3 試驗(yàn)裝配圖

1.3 工作錨錨固鋼絞線試驗(yàn)

工作錨第1次試驗(yàn)：千斤頂張拉力到150 kN后，安裝并緊固工作錨，松開千斤頂后，力讀數(shù)為150 kN；5 min后力讀數(shù)為150 kN；30 min為150 kN；60 min為149 kN．

工作錨第2次試驗(yàn)：第2天重復(fù)第1次試驗(yàn)，千斤頂張拉力到160 kN后，安裝并緊固工作錨，松開千斤頂后，力讀數(shù)為160 kN；進(jìn)行了維持10天的試驗(yàn)，具體讀數(shù)見表 1．試驗(yàn)結(jié)果表明：工作錨完全能錨住鋼絞線．

表1 工作錨力傳感器讀數(shù)①

2 切斷鋼絞線對(duì)錨具錨固性能的影響試驗(yàn)

實(shí)際工程操作過程中，力不能像張拉千斤頂張拉一樣均勻緩慢卸載，而是切斷鋼絞線，力是通過切斷鋼絲逐步卸掉的，此時(shí)各鋼絲受力極不均勻．為了模擬實(shí)際工程情況，進(jìn)行了切斷鋼絞線試驗(yàn)．具體情況如下：

2.1 僅工作錨錨固時(shí)切斷鋼絞線

固定端用普通錨具錨固并安裝力傳感器，另一端以傳力鋼架為支撐進(jìn)行張拉，張拉到位后用普通錨具錨固在傳力鋼架上，并安裝張拉端力傳感器，鋼絞線固定端力傳感器讀數(shù)為151.1 kN，鋼絞線張拉端力傳感器讀數(shù)也為151.1 kN．用手持式切割機(jī)依次切斷鋼絞線各根鋼絲，每切斷一根鋼絲讀一次兩端的力傳感器讀數(shù)；鋼絞線完全切斷后，固定端力傳感器讀數(shù)從151.1 kN變?yōu)?25.4 kN，損失了17.0 %，鋼絞線回縮3 mm，張拉端力傳感器讀數(shù)從151.1 kN變?yōu)? kN．當(dāng)只用工作錨時(shí)，切斷鋼絞線后，其斷口不整齊，斷口部位各股鋼絲收縮不一致，鋼絲呈燈籠狀散開；拆除錨具后發(fā)現(xiàn)，錨具內(nèi)部的絲口與部分鋼絞線產(chǎn)生較大滑移，鋼絞線的應(yīng)力損失較大，不能滿足錨固要求．試驗(yàn)結(jié)果見圖4．

圖4 工作錨錨固時(shí)切斷

2.2 工具錨配合工作錨錨固時(shí)切斷鋼絞線

(1)工作錨與1個(gè)工具錨錨固時(shí)切斷鋼絞線．

兩端都采用鋼絞線普通錨具錨固，兩端錨固力均為155.6 kN，安裝好工作錨及1個(gè)工具錨后，用手持式切割機(jī)切斷鋼絞線，然后將工具錨卸下，依靠工作錨獨(dú)立工作，固定端力從155.6 kN變?yōu)?29.5 kN，損失了16.7 %.如圖4所示，但相比工作錨獨(dú)立工作已有較大改善，由于夾具的約束作用，鋼絞線斷口整齊，與前面的燈籠狀斷口明顯不同，鋼絞線斷口整齊且沒有松開，說明工具錨和工作錨組合使用，較能滿足要求，工具錨可重復(fù)使用．試驗(yàn)結(jié)果見圖5．鋼絞線回縮2.5 mm．

圖5 工具錨配合工作錨錨固時(shí)切斷

(2)工作錨與2個(gè)工具錨錨固時(shí)切斷鋼絞線．

兩端都采用鋼絞線普通錨具錨固，錨固力為162.9 kN，安裝好工作錨及兩個(gè)工具錨后，用手持式切割機(jī)切斷鋼絞線，然后將兩個(gè)工具錨卸下，依靠工作錨獨(dú)立工作，錨固力維持162.6 kN幾乎不變，相比工作錨和一個(gè)工具錨獨(dú)立工作又大有改善，說明工作錨和兩個(gè)工具錨組合使用，能更好的滿足要求，工具錨可重復(fù)使用．試驗(yàn)結(jié)果見圖6．鋼絞線回縮1.34 mm．

(3)工具錨對(duì)鋼絞線的約束作用分析．

進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩個(gè)工具錨和工作錨同時(shí)使用時(shí)，切斷鋼絞線，由于夾具的約束作用，鋼絞線斷口整齊，與前面的燈籠狀斷口明顯不同，鋼絞線斷口整齊且沒有松開，鋼絞線的應(yīng)力幾乎不會(huì)出現(xiàn)損失．理論分析也表明，鋼絞線切斷時(shí)單獨(dú)使用工作錨，由于鋼絞線各股鋼絲依次退出工作，第一根鋼絲最早退出工作，受力最小，后切斷的鋼絲受力呈拋物線趨勢(shì)，兩頭小，中間大，切斷第4根鋼絲應(yīng)力最大，切斷時(shí)各股鋼絲的受力和變形相差很大，各股鋼絲的回縮不同，鋼絲之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，對(duì)錨具的錨固效果產(chǎn)生很大不利影響，使錨固效果變差；但工作錨和工具錨組合使用，由于工具錨的約束作用，各股鋼絲被箍緊，在瞬間切斷時(shí)不能自由回縮，從而約束鋼絲切斷時(shí)的變形差，使錨具效果得到完美發(fā)揮，且工具錨可重復(fù)使用．工具錨的數(shù)量超過2個(gè)已經(jīng)不能再改善錨固能力，工作錨和2個(gè)工具錨組合使用，能最好的滿足工程需求[5]．

圖6 兩個(gè)工具錨配合工作錨錨固時(shí)切斷

3 錨具長(zhǎng)期錨固性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)錨具的長(zhǎng)期錨固性能，對(duì)工作錨進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1 a的靜力錨固性能研究．具體錨固力見表2．

表2 長(zhǎng)期靜力荷載下工作錨力傳感器讀數(shù)

經(jīng)過1 a的長(zhǎng)期靜力試驗(yàn)，錨固力僅僅損失2 kN，鋼絞線總滑移為 0.1 mm，說明工作錨的長(zhǎng)期錨固性能完全能滿足實(shí)際工程需要．

4 錨具疲勞性能試驗(yàn)

為了研究開口錨具抵抗疲勞荷載能力，對(duì)開口錨具進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置為疲勞試驗(yàn)架，在固定端和張拉端安裝力傳感器．用千斤頂張拉、卸載、張拉，重復(fù)進(jìn)行張拉和卸載，進(jìn)行1 000次重復(fù)荷載疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7、圖8．經(jīng)過1 000次疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，普通錨固端損失0.2 kN，工作錨端損失1 kN，夾片沒有產(chǎn)生裂痕，開口錨具沒有破壞，整體錨固效果很好，完全可以滿足工程要求．

圖7 疲勞試驗(yàn)錨具錨固力值

圖8 疲勞試驗(yàn)加載制度(kN)

5 應(yīng)用案例

根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絞線再錨固的開口錨具研制成果，在長(zhǎng)沙匯源大廈部分裙樓拆除改造工程中進(jìn)行了運(yùn)用．對(duì)匯源大廈既有無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋改造鋼絞線進(jìn)行重錨施工，匯源大廈部分裙樓拆除改造樓蓋的局部結(jié)構(gòu)布置圖見圖 9，先將原預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固后再切斷，同時(shí)進(jìn)行了加固改造設(shè)計(jì)并制定了詳細(xì)的施工方案．

5.1 樓板開槽與錨固要求

樓板開槽分批次進(jìn)行，每次開槽長(zhǎng)度不超過900 mm，寬度不超過300 mm，根據(jù)孔洞中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的根數(shù)及間距，做好梳形鋼板[6]，按如圖11中的做法將梳形鋼板從上向下套住預(yù)應(yīng)力鋼絞線，用膠結(jié)材料 A將鑿出的原混凝土樓板毛面抹平并將梳形鋼板粘貼牢固，待3 d以后用工作錨將孔洞中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固好，工作錨與梳形鋼板頂緊．待該批次鋼絞線切斷后再第二批開槽，依次對(duì)稱分批進(jìn)行，如圖10中的孔洞1、孔洞2，避免一次開槽太長(zhǎng)造成預(yù)應(yīng)力損失過大，甚至發(fā)生事故．

圖9 匯源大廈部分裙樓拆除改造樓蓋的局部結(jié)構(gòu)布置圖

圖10 樓板開槽順序

5.2 鋼絞線切斷要求

待同一孔洞內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線全部用工作錨錨完畢后，為消除切斷預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)對(duì)其應(yīng)力的影響，在切斷預(yù)應(yīng)力鋼絞線前，需在工作錨外側(cè)安裝好2個(gè)工具錨，切斷點(diǎn)必須在工具錨外側(cè)，如圖2和圖11所示.

圖11 梳形板及錨具組合

試驗(yàn)表明切斷鋼絞線時(shí)，同股鋼絞線的各根鋼絲依次斷掉，該鋼絲瞬間卸載，鋼絞線出現(xiàn)應(yīng)力重分布，各根鋼絲之間進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，由于是依次切斷，變形各不一致，各根鋼絲之間有較大的相對(duì)滑移，對(duì)錨具造成較大的損傷，安裝工具錨后，可有效消除鋼絲變形不一致的不利影響[7]．預(yù)應(yīng)力鋼筋切斷后，工具錨可拆除．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線只能采用機(jī)械方法切斷，不得采用氧氣吹割等加溫方法切斷．拆除過程中，對(duì)于與之垂直方向(南北方向)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線要采取臨時(shí)性錨固措施，防其傷人．

5.3 結(jié)構(gòu)拆除要求

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓板拆除分兩步進(jìn)行，第一步先將需要的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼鉸線在設(shè)計(jì)位置再錨固，待該層所有預(yù)應(yīng)力鋼鉸線再錨固工作完成后將其切斷，并沿圖9中14軸邊緣將裙樓樓板混凝土鑿開，使房屋保留部分與拆除部分分離．第二步將14軸以西的樓面結(jié)構(gòu)拆除[8]．

拆除施工應(yīng)從屋面開始，自上而下、分層進(jìn)行拆除，上一層拆除施工完成后再轉(zhuǎn)入下一層．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼鉸線再錨固和房屋拆除前后，應(yīng)將裙房的裂縫及損傷情況分別進(jìn)行觀測(cè)和記錄，并進(jìn)行拆除前后的裂縫和損傷情況比較，以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理．

對(duì)匯源大廈的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：拆除過程中樓板最大應(yīng)變?cè)隽繛?00 μm左右，由于原有預(yù)應(yīng)力效果的存在，沒有出現(xiàn)板底裂縫現(xiàn)象；己拆除樓層的樓板最大撓度增量為1.2 mm，其鋼絞線的回縮量在1.2 mm以內(nèi)的占91 %以上，預(yù)應(yīng)力損失小于3 kN，其重錨可靠性高，預(yù)應(yīng)力損失較少或不損失．并且通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分原有鋼絞線預(yù)應(yīng)力低，主要表現(xiàn)在重錨截?cái)鄷r(shí)鋼絞線無振動(dòng)．

拆除后板的最終撓度為16 mm，未超過跨度的1/250，而且各層樓板的最大撓度隨樓層的降低，撓度值減少．鋼絞線重錨截?cái)嗪?，所?duì)應(yīng)的樓層柱體發(fā)生很小的位移，但對(duì)己拆除樓層柱體的位移影響非常?。黧w結(jié)構(gòu)整體變形未出現(xiàn)變化，滿足房屋建筑的正常使用條件要求．

6 結(jié)論

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓板部分拆除改造工程具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，其核心技術(shù)是施工及使用過程中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的預(yù)應(yīng)力不出現(xiàn)損失或損失很小，簡(jiǎn)單高效的開口錨具是改造能否成功的關(guān)鍵．

研發(fā)的該開口錨具系列由工具錨和工作錨組成，兩種錨具配合使用，開口錨具完全能錨固住鋼絞線，使預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)基本上不發(fā)生改變，具體結(jié)論如下：

(1)研發(fā)了一種簡(jiǎn)單高效的開口錨具，分別為工具錨(杯內(nèi)帶螺紋)和工作錨(杯內(nèi)雙夾片)，工作錨為永久錨具，工具錨為可重復(fù)使用的工具錨具．

(2)鋼絞線切斷時(shí)應(yīng)將工作錨和工具錨配合使用才能保證錨固效果，最好是2 個(gè)工具錨配合1 個(gè)工作錨使用，切斷完成后工具錨可拆卸重復(fù)使用．

(3)試驗(yàn)表明，工作錨完全能獨(dú)立錨固鋼絞線，錨具的長(zhǎng)期錨固性能良好，在疲勞荷載作用下同樣具有良好的錨固性能．

[1]簡(jiǎn)文華, 王杰, 石磊. 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)改造加固施工技術(shù)[J].施工技術(shù), 2008, 38(11).

[2]潘立, 劉明保. 鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋用齒合型單孔開口錨具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2009, 39(2):101-104.

[3]JGJ85-2002, 預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JGJ92-2004, 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB50010-2010, 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]陳維超, 陳浩, 劉玉輝. 既有無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土建筑拆除改造施工監(jiān)測(cè)分析[J]. 施工技術(shù), 2015, 16: 4-7.

[7]周建發(fā). 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋重錨及截?cái)嗍┕すに嚪治鯷J]. 中外建筑, 2014(9): 147-150.

[8]陳浩, 劉玉輝, 陳維超,等. 既有無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋改造鋼絞線重錨施工技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2014(18): 26-30.

(責(zé)任編校：徐贊)

An Experimental Study on Concrete Prestressed Building with Unbonded Tendons Transforming the Opening Anchorage

CHEN Lei, CHEN Bo-wang
(School of Civil Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, China)

In order to ensure the unbonded prestressed concrete structure after transforming the stress performance, we must decrease the loss of prestress as much as possible. Two types of simple and high effective opening anchorages have been developed by combining rebuilding of a tall building. Working anchorage and tool anchorage are prepared. Demolish in the tensioning state of unbonded prestressed steel strand with special opening anchorage anchor after truncation, and then remove it .The former has effective anchor ability and the latter can keep tendons from dispersing and improve force station when being cut. Cooperation of two types of opening anchorage can greatly reduce pre-stress-lose of the retained prestressed tendons and achieve the rebuilding effect.

unbonded prestressed concrete; structure transformation; opening anchorage; experimental study

TK22

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.03

1672–7304(2017)01–0009–06

2016-12-04

陳磊(1990-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士，主要從事開口錨具研究．E-mail：1191222523@qq.com：陳伯望(1965-)，男，湖南漢壽人，教授，博士，主要從事鋼管混凝土研究.