預應力智能張拉技術在歷史保護建筑加固中的應用*

汪繼恕 郭其均

1. 上海同吉建筑工程設計有限公司 上海 200092；2. 福建泉工股份有限公司 泉州 362000

1 工程概況

1.1 工程簡介

美琪大劇院位于上海市靜安區（圖1），始建于1941年，于1989年被上海市人民政府批準列為第一批“上海市優秀近代建筑保護單位”。由于年代久遠，現需對美琪大戲院進行文物搶救性保護工作，其中1道跨度為24.5 m的混凝土桁架采用體外預應力進行加固。

1.2 預應力體外梁加固設計方案

預應力筋采用高強度、低松弛無黏結鋼絞線，抗拉標準強度fptk=1 860 MPa，截面積AP=140 mm2，彈性模量EP=19.5×105N/mm2。預應力筋張拉控制應力為1 053.69 MPa，超張拉3%，每根預應力筋的張拉控制力為147.5 kN；每側各4根，呈三折線形狀對稱布置在桁架梁兩側，預應力筋轉向塊設置在與之相交的次梁梁底[1]。由于該混凝土桁架梁強度較低，設計要求預應力筋張拉時需分級張拉，且梁兩側預應力筋同時張拉，施工過程中需嚴格控制預應力筋的張拉力，并實時監控預應力筋張拉伸長值和體外預應力梁的反拱（圖2）。

圖1 美琪大劇院

圖2 體外預應力梁預應力筋布置示意

2 張拉工況及步驟

目前預應力筋的張拉常用方法是人工手動操作，易受人員、設備等因素的影響；而預應力智能張拉技術通過計算機軟件控制油泵，可實現張拉的數字化控制；千斤頂缸長的伸長值及梁的變形值采用超聲傳感器自動讀取并記錄，排除人為因素，提高了測量的精準性，同時在監控數據超出規定值的情況下將自動預警直至停止張拉[2]。按照設計要求，先在E軸線端張拉4次。每次同時張拉桁架梁兩側的1根鋼絞線。然后再在梁的K軸線端進行補拉，也為同時張拉兩側的1根鋼絞線，一共張拉4次（表1～表3）。

表1 鋼絞線與軸線端的對應關系

表2 張拉工序

表3 張拉分級及持荷時間

3 理論計算與實測數據分析

3.1 理論計算值

3.1.1 按規范伸長值計算

鋼絞線在EF、JK段長5.772+0.4（千斤頂長）=6.172 m；在FJ段長13.336 m。設計張拉控制應力1 053.69 MPa，摩擦因數κ=0，μ=0.09，彈性模量Ep=1.98×105MPa；EF、JK段預應力為1 053.69 MPa；FJ段應力為1 010.00 MPa。EF、JK段伸長分別為32.8 mm；FJ段伸長為68.0 mm；故理論伸長值計算結果為133.7 mm。

3.1.2 預應力反拱計算

采用有限元軟件SAP2000模擬，體外預應力采用等效荷載進行模擬，計算每次張拉工況作用下梁的反拱值。

3.2 實測值

預應力智能張拉系統在自動張拉的過程中，能實時采集張拉力、缸體位移（即預應力筋的伸長值）以及梁的反拱值，并能按需求自動生成圖形或圖表。

3.2.1 實測伸長值及錨固回縮

圖3、圖4為T1、T5這一對鋼絞線在張拉過程中自動采集的張拉力與缸體位移的曲線，其中在E端進行T1張拉時，進行了倒缸1次（倒缸指的是在預應力筋張拉過程中由于千斤頂缸體位移達到極限而張拉力仍未達到張拉控制力時，需回油待缸體位移歸零后再次張拉），T1及T5的實測伸長值及錨固回縮如表4所示。

由于預應力鋼絞線在張拉前處于不受力的自由狀態，故鋼絞線的實際張拉伸長值應該從鋼絞線受力繃緊后開始計算，即放張前缸體的總位移扣除鋼絞線由自由狀態至繃緊時的缸體位移，由于預應力筋的張拉力和其變形為線性關系，故軟件可根據采集的數據自動擬合出張拉力和缸體位移的線性關系[3]，該線性函數在x軸上的截距即為鋼絞線由自由狀態至繃緊時的缸體位移，如T1的張拉力和缸體位移的線性關系為y=1.110 9x-37.822，其鋼絞線由自由狀態至繃緊時的缸體位移為34.0 mm，見圖3、圖4。

圖3 E端的缸體位移-張拉力曲線

圖4 K端的缸體位移-張拉力曲線

表4 T1及T5的伸長值及錨固回縮

3.2.2 實測梁的反拱值

按照體外預應力加固施工方案在2個轉向塊所在的F、J軸線處設置了位移傳感器以測量預應力張拉過程中梁的反拱值。將F軸線處的位移傳感器稱為sensor F，將J軸線處的位移傳感器稱為sensor J[4]。由表2知，張拉共有8步，以第1步為例，列出張拉力和反拱的關系圖（圖5～圖8）。

圖5 sensor F的張拉力-反拱分布

圖6 sensor J的張拉力-反拱分布

圖7 張拉完成后sensor F的反拱

3.3 實測結果與理論計算匯總

反拱實測值與理論值對比如表5所示。

4 結語

圖8 張拉完成后sensor J的反拱

表5 反拱實測值與理論值的對比

由于測量反拱的傳感器靈敏度較高，外界因素對樓蓋的細微擾動都會產生儀器中撓度測量的變化，故分析只能給出真實反拱的可能區間，且該區間滿足＜1.5 mm的設計要求。

由于在有限元模型中考慮了桁架本身的剛度，沒有考慮樓板等其他構件對桁架的約束，故實測值確實應比理論值小；實測伸長值相對于理論伸長值的誤差均在《后張預應力施工規程》（DG/TJ 08-235—2012）規定的-6%～+6%范圍內；實測錨固回縮值在5.8～8.5 mm之間，實測的16個值中有5個值略超過《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）規定的8 mm限值，超限數量及幅度均不大，可以認為錨固回縮值基本符合要求[5]。

該體外預應力加固工程對預應力張拉施工質量要求高，對施工控制精度要求高，傳統的預應力人工張拉很難滿足，預應力智能張拉技術的應用能很好地解決該問題，且預應力數據上傳到互聯網，可向第三方提供實時監控的視窗，能自動生成施工報表，便于施工資料的整理。