结构修补胶和体外预应力加固体育场看台板的设计、施工与测试.doc

结构修补胶和体外预应力加固体育场看台板的设计、施工与测试祝亦霖，邹鲜江，李胜安，张启豫，朱天顺，祝又霖，李福志（武汉大筑建筑科技有限公司 武汉 430014）杨勇，刘士清，胡群言（湖北省建筑科学研究院 武汉 430021） 摘 要：湖北省新华路体育场使用近五十年，由于观众看台板（预制“L”型钢筋混凝土板）损坏严重，已停用五年。应用混凝土结构修补胶修复和体外预应力张拉相结合的加固技术，使观众看台板能正常使用,并可再连续使用十五年。关键词：观众看台板;结构修补胶;体外预应力;加固一、 工程概况武汉市某体育场建于1953年，建筑面积近40000m2，容纳观众3万余人，体育场呈椭圆形，南北长240m，东西宽180m，有16个观众看台和东西司令台。观众看台为二层混合结构,独立砖柱，现浇钢筋混凝斜梁（以下简称：斜梁）和预制“L”形钢筋混凝土看台板（简称：“L”型板，见图1）。由于年久失修，自然损坏严重，“L”板底部和侧边混凝土大部分呈风化、开裂脱落和露筋状况，钢筋锈蚀严重的占52.4%，部分钢筋已锈蚀断裂，严重影响使用安全。2000年，省体育局决定加固维修，并要求再连续使用15年。2001-2002年，由湖北省建筑科学研究设计院设计，武汉大筑建筑科技有限公司施工，湖北省建筑工程质量监督检验测试中心测试，共同圆满地完成了此项工程，2003年正式投入使用。1.加固的方法是：（1）用结构修补胶修复 “L”型板，修复面积5400m2；（2）用外包钢三重连接技术加固斜梁和砖柱,斜梁：64条，外包钢板面积1900m2；砖柱：88根，外包1008角钢。该技术详见：建筑结构2002年第4期，钢筋混凝土柱三重连接加固技术的试验。（3）用体外预应力钢绞线加固“L”型板；（见图1）2.加固的测试方法是：（1）对完工后的单根预应力钢绞线张拉和单个观众看台区内钢绞线整体张拉进行测试（注：每个看台区用20根钢绞线张拉加固）（2）用静荷载测试加固后的单个观众看台区。3.加固后的效果：（1）测试结果表明看台板修复和加固后，满足使用要求；（2）加固后使用一年多来，未出现任何异常，情况良好。二、 设计计算1. 加固原理结构修补胶修复“L”型板和体外预应力加固相结合，其方法是：先用结构修补胶将已损坏的“L”型板修复，再对“L”型板进行体外预应力加固，即在每块板下增放二个钢支撑架，钢绞线穿过支撑架，形成折线，两端锚固在斜梁上，在支撑点处产生向上的反力，部分平衡看台板上的荷载，既起到卸载的作用，又减小了裂缝宽度和挠度，使看台板能正常使用。2. 体外预应力加固计算（1） 加固时的张拉控制应力确定 考虑到预应力筋为折线型布置，为防止预应力筋在支撑点处因钢绞线张拉应力过高而折断，且原有看台板的预应力筋已有预应力作用，并为保证结构的弹性性质，加固设计采用荷载平衡法，以体外预应力平衡恒载，张拉控制应力不宜过高，以支撑点处产生的向上反力平衡结构自重为佳，当结构承受外力时跨中产生变形，钢绞线的应力会继续增加，从而保证了结构的安全性和稳定性。根据以上原则，张拉控制应力取：con=0.35，fPR651Mpa，设计建议加固时的张拉系数为0.35，j15钢绞线fpk=1860Mpa。（2）摩擦损失计算该工程体外预应力加固板计算时，由于该工程弯折点处预应力筋的曲率和局部压力较大，因此预应力损失以摩擦损失为主。一端张拉，摩擦损失：e=con1-e-（RX+）=13.9%con，故在设计时仅考虑摩擦损失，并通过实测予以验证。（3） 承载力张拉试验值本工程体外预应力筋的应力p设计值计算公式：p=pe+（500-7700）/1.2 (跨高比L/h35的构件)p=pe+（250-3800）/1.2 （跨高比L/h35的构件）本工程计算结果：p=537.1M Pa。（注：试验值一端张拉时p=544.7M Pa，计算值与试验值基本吻合。）（4） 看台板端部节点构造措施加固时每根钢绞线张拉力为91.1KN，共有20根钢绞线，两端锚固在看台板两端的斜梁上。张拉端锚固细部设计见图2，锚具锚固后用C30微膨胀细石混凝土封闭。（5）斜粱加固计算（略），由于钢绞线锚固于斜粱上，使斜梁产生侧向拉力，故对斜梁进行外包钢三重连接加固并与邻近的斜梁（同样加固）用钢支撑连接，以承受张拉力。 三、 加固施工（一）“L”型板的混凝土缺陷修复该工程施工时间为79月份，武汉气温高达3941摄氏度，若用一般的环氧胶泥无法修复大面积的“L”型板的底部和侧边混凝土，其原因是：（1）抹上的环氧胶泥在未固化前流淌严重；（2）环氧胶泥与涂抹工具粘结在一起，无法操作。经试验，选用武汉大筑建筑科技有限公司生产的混凝土结构修补胶，该胶属改性环氧胶，粘结强度好，垂直粘贴不流淌，施工时不与金属工具和手粘结。每人日平均修复面积超过60 m2。 大筑结构修补胶的技术性能和施工工艺如下：1. 技术性能：表一.大筑结构修补胶技术性能喷射底胶修补胶甲组分乙组分甲组分乙组分外观淡黄透明液体棕色液体白色膏状黄色膏状可操作时间（25min）3060操作温度（）-550-550垂直流淌性（10mm厚胶，25，垂流mm）1正拉粘结强度（MPa）2.54混凝土-混凝土粘结抗拉C70混凝土破坏钢-钢粘结剪切(MPa)12拉伸(MPa)24压缩强度（MPa）702. 施工工艺：(1) 将风化、疏松、开裂等破损的混凝土层凿除干净；(2) 将重防腐涂料涂刷于锈蚀的钢筋上（二遍）；(3) 将喷射底胶均匀的喷射于混凝土表面12道（作用：底胶浸透于混凝土表层，增强表层强度和提高粘结强度）；（4） 指干后，将结构修补胶用抹刀轻轻的涂抹于混凝土构件上，刮平抹光，使其美观。（二） 预应力张拉加固 “L”型板1、 对16个观众看台板均采用体外预应力张拉加固（见图3）2、 “L”型板体外预应力加固形式：在每块板底安装两块钢支撑，将钢绞线穿过钢支撑的预留孔口，再按一定角度向上穿过斜梁，两端锚固于加固后的斜梁上。（见图4a）3、 预应力施工技术：选用j15低松弛预应力钢绞线，fpk=1860Mpa；锚具采用HVM15-1型单片锚具，张拉设备为YDC240Q型千斤顶，配套ZB4-500高压油泵。千斤顶性能参数如下：性 能名 称张拉吨位（KN）张拉活塞面积（mm2）行程（mm）穿心孔直径（mm）外型尺寸（mm）重量（kg）YDC-240Q240477120018.310858018.2 （1）张拉控制应力及伸长值控制 张拉控制应力con，按设计要求，con=0.35fpk=0.351860MPa=651 MPa，截面积140mm2，张拉力为91.1KN。单边张拉，不进行超张拉，张拉分级加载到100%con。 伸长值控制： 跨中应力中=con（1/eKX+） 其中K=0.004，=0.12，X=63.372m=20m（钢绞线长度平均值）该工程预应力筋张拉体系中，单根预应力筋共有12个竖向折角和5个横向折角，分别为：竖=tg竖=35/1140=0.0307rad横=tg竖=（3624-3118.7）/（59502）=0.0425rad=0.030712+0.4255=0.5809则中=con（1/eKX+） =651 1/e0.04*1000+0.12*（0.3684+0.1272）=505 MPaL=/EL=（651+505）/22105337232 =53.8mm即一端张拉伸长值约为54mm。 张拉后，单个钢支撑的支座反力：N边=Aty=651140ty1.759=2.8KNN中=Aty=505140ty1.759=2.2KN（2）预应力张拉在实际施工中，每根钢绞线需穿过七条不平行排列的混凝土梁，所以每根钢绞线在垂直方向为折线，在水平方向为弧线，为保证钢绞线在其张拉过程中减小应力损失，在每个混凝土梁的穿孔内设置一根薄壁钢管套管，钢管内部平滑的表面减小了钢绞线在孔内的摩擦系数（见图5）。为有效防止预应力钢绞线的应力损耗，张拉时采用分级施加的方法，即每次张拉时对每根钢绞线张拉50%的设计拉力。为确保张拉质量，在张拉前对所有钢绞线进行单向抽动，按图示编号再次进行复核。采用两套千斤顶，由每个标准间上下向中间同步进行张拉。根据理论伸长值，确定现场张拉的伸长值合格范围。四、 加固质量的测试（一） 预应力钢绞线的测试1. 测试内容：钢绞线应力数据，外包钢加固混凝土斜梁的应力应变，看台板的变形和裂缝，夹具变形和钢筋内缩值。共测试了6根单根 钢绞线张拉状况和单个观众看台区在20根钢绞线共同作用下的加固梁应力状况。2. 本次测试采用频谱法索力测试原理，即将高灵敏度的拾振器紧固在钢绞线上，拾取钢绞线在外界环境激励下的振动信号，并对其进行滤波，放大和频谱分析，进而得到钢绞线拉力大小。3. 测试所用主要仪器：IFM168型索力测试仪，J28P10R型静态电阻应变仪，BE1204AA型应变片，计算机及数据分析处理软件。4. 测试结果：（1） 未使看台板产生较大的变形又起到了支托看台板的作用，说明钢绞线张拉力值是适宜的。（2） 混凝土斜梁经过加固后，侧向刚度得到了很大的提高，在钢绞线张拉力作用下仅发生了很微小的相对侧向变形，没有产生整体滑移变形，是安全可靠的。（3） 钢绞线张拉后各看台板均未发现裂缝，竖向变形较小，均不大于0.51mm，处于弹性工作状态。（4） 无粘结预应力钢绞线的摩擦损失很小，均小于16.3%。5. 测试结果分析 （1）锚具应力损失 由试验测得夹片引起的锚具应力损失较稳定（图6）但从图中可看出两端张拉因夹片内缩引起的锚具应力损失大于一端张拉时的锚具应力损失。（2）台板挠度和裂缝检查 看台板在单根张拉时挠度较小均不大于0.51mm，说明在设计张力作用下，看台板有轻微变形，并处于弹性工作状态，经在看台板板肋处粉刷石膏浆，钢索张拉后观测各看台板均未发现裂缝（图7）。6. 测试结论：根据测试结果，加固效果可满足设计要求。（二） 看台板加固工程的静载测试1. 测试内容：对加固后的一个观众看台区进行现场静荷载测试。2. 堆载重物及最大荷载用砂袋作堆载重物，最大实验荷载加至4.375KN/m2。（设计荷载为3.5KN/m2）3. 测试主要仪器 J28P10R型静态电阻应变仪，计算机及数据分析处理软件等。4. 测试结果（1） 加载板下的最大变形值为0.62mm。（2） 空载板向下的最大变形值为0.34mm。（3） 在荷载试验过程中，看台板未出现新的裂缝。（4） 测试结论： 荷载试验结果表明，武汉市某体育场看台板经加固修复后，满足使用要求。五、 加固效果武汉市某体育场加固后，进行了装修改造，面貌焕然一新。一年多来，举办了多次国际足球赛、全国足球联赛和数次大型歌舞晚会，未出现任何异常，情况良好。参考文献：1无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ/T92-93），北京：中国计划出版社，1993。2李正英，林文修等。结构预应力加固后雁形板的实验研究，建筑结构，2002.32（6）：P16-283张继文，吕志涛。预应力加固钢筋混凝土简支梁的受力性能与分析计算，建筑结构，1995，9：P18-304李晨光，刘航。体外预应力结构技术的发展与应用，海威姆预应力技术2002.2：P57-59