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【摘 要】本文传统刚结构加固技术存在的问题、预应力加固的优点，并结合工程实例分析预应力在钢结构加固工程中的设计和施工技术。
【关键词】预应力；加固；钢结构；技术
近20年以来，由于国家的大力支持和市场的旺盛需求，我国钢结构发展迅猛，被称为建筑行业的“朝阳产业”。大量早年建设的建筑物由于工程质量较差或者结构设计存在严重缺陷以及使用条件的改变， 经验算后钢结构工程结构的强度、刚度或稳定性不再满足应有的正常工况条件以及其他正常使用要求， 大量建筑物需要改造加固。
1.预应力加固钢结构技术措施
1.1传统的钢结构加固存在的问题
焊接加固时，高温作用使焊接部位的组织及性能劣化；而且焊缝必然存在缺陷，会产生新的裂纹；焊接结构内部存在残余应力，与其他作用结合可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底，引发重大事故。
采用螺栓连接需要在损伤部位附近的母材上开孔，削弱了截面，形成新的应力集中区；普通螺栓在动载作用下易松动，高强螺栓易发生应力松弛现象，降低了结构的修补效果粘钢加固技术是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，依靠结构胶使之粘结成整体共同工作，以提高结构承载力 这些加固方法共同的缺点是使结构重量增加很多，钢板不易制作成各种复杂形状，运输和安装也不方便，且钢板易锈蚀，影响粘结强度，维护费用高。
1.2预应力加固的优点
a.加固工作可在不卸载 不停产的条件下进行。
b.施加预应力可直接减小变形，迅速消除超逾应力和内力峰值。
c.与非预应力方式相比，可消除应力滞后现象，充分利用的高强特性，提高加固效率。
d.结合可靠锚固，可降低粘结界面的剥离应力，避免整体剥落，提高加固的可靠性。
e.降低加固费用和使用成本。
2.预应力加固钢结构技术应用
2.1工程概况
本工程为某建筑中庭钢结构玻璃天窗工程。周边三角形边梁简支安装在短钢柱上。主受力由三根呈60°夹角跨度11．3m的 HN300×150
×6．5×9钢梁来承担。工程的恒荷载由钢梁的自重、天窗的锥型龙骨、小檩条以及钢化玻璃组成。
该工程钢结构体安装完成吊装部分钢化玻璃后，其中心点挠度达到20mm。影响了后续钢化玻璃的安装以及后期使用。为配合建设单位，提出采用体外预应 力筋对钢结构进行加固和挠度的控制。
2.2加固设计
2.2.1体外预应力束线形的选择
直接针对中心点挠度过大的特点,在三根呈60°夹角的钢梁上设置无粘结体外束，为便于穿束及锚固，体外预应力束均布置在钢梁腹板两侧，并采用折线形布置。折线形预应力束可大幅度提高原梁的受弯承载力及受剪承载力，同时亦能达到减小挠度的目的。通过转向块的传递，预应力的作用可等效于对原钢梁施加了竖直向上的反向荷载， 使原钢梁的应力状态大为改善。在预应力施加后的承载阶段也提高了原梁的受弯承载力。
2.2.2体外束的预应力损失计算
由于预应力体外束与原钢梁无粘结作用，其张拉力是在钢梁粱体发生弹性压缩的情况下读取的，并且为了控制张拉力采用了单束分批张拉，因而由此引起的钢结构弹性压缩损失极小； 此外由收缩、 徐变引起的预应力损失也较小。但是，对于折线形预应力束而言，由于折线角度的存在，预应力柬会产生摩擦损失。同时由于锚具的内缩和变形，张拉端部的锚具损失同样较大。
由以上分析可知，钢结构体外预应力加固的预应力损失相对混凝土结构较小。因此，体外束并无过多的预应力损失，为避免体外束长期于高应力状态下工作，本工程张拉控制应力。
2.2.3预应力体外束束数的确定
该工程采用的无粘结预应力钢铰线，单根面积为139mm2。根据 SATWE的模型计算所得，在恒载作用下钢梁交叉中点反力为63．8kN。
由计算得出单束预应力产生的反力值大小后，确定沿三根钢梁腹板两侧各设置一根预应力体外束。同一根钢梁的两根预应力体外束形成一组，通过折线形折点处的转向块传力于原钢梁。按照同理三组预应力体外束通过各自的转向块叠加作用于原钢梁上。经过张拉后，在预应力荷载的作用下，体外束与钢粱体共同组成了一个空间(非平面) 的静力平衡体系。
2.2.4转向装置和张拉端部处理
根据该工程的受力需要。预应力体外柬经张拉后在折线点产生的向上的反力需作用到原钢梁上。因此应设置可靠的转向块以传递反向荷载。由于该工程为中庭天窗。预应力体外束直接暴露在阳光下，为避免无粘结预应力束外皮的老化脱 落，应在预应力体外束外套φ24的镀锌钢管保护。
由于单根预应力体外束张拉时，预应力束与钢结构无粘结，给钢梁体施加的全部预应力，是通过两端实现的，因此会在张拉端部产生应力集中。原钢结构的边梁腹板较薄。为保证局部承压满足要求， 需在张拉端部设置钢垫板以及原钢边梁上设置加劲板，以防止张拉应力导致原钢边梁腹板破坏。
为了避免不必要的摩擦损失，由预应力折线点至张拉端部应保持直线，不产生折角。在张拉锚具与加设的钢垫板之间设置非正六面体张拉垫块，既可以避免由于锚具与钢垫板之间产生夹角，又可以进一步分散张拉时的局部应力。
2.3预应力体外束加固施工和监控
2.3.1张拉端部和转向块的安装
张拉端部由于应力集中，所以应安装好各组件。先在钢边梁的腹板上缘按照图纸要求钻孔。对应孔位，安装钢垫板，焊接固定。在钢垫板上焊接加劲板以及张拉垫块。由于需保持预应力束由折线点至张拉端点为直线，且钢边梁与体外预应力束同样也呈60°夹角，所以钢垫快应切削成非正六面体形，以保证锚具接触面与预应力束型的正交。钢边梁 的后侧设置 3道加劲板。由于每个张拉端节点有两个锚具，应合理调整加劲板的位置，不至于遮挡预应力束的安装。
转向块为传递体外预应力荷载的重要构件，如安装不当，将会造成传力的失败。转向块为φ60的短钢筋切削一半成型，与各组的预应力束在水平方向上呈 90°交叉。由于三组体外预应力束互呈 60°夹角，相对应的三个转向块也组成呈 60°夹角的“*” 型转向块组。由于三组预应力束重叠后会有一个高度差， 所以三个转向块也需相应的用钢垫块调整高度差。各组预应力束之间，以及预应力束与转向块之间并无粘结，每根预应力束仅依靠张拉端头的固定，所以为防止张拉时预应力束之间的偏摆而导致脱离转向块，应在转向块组外安装定位钢环。钢环内径罩住转向块组。钢环壁开槽，以穿过预应力束。3组6根预应力束平面呈 60°夹角重叠，立面又各有高度差。 开槽过小将不利于整体组件的安装，开槽过大又失去了定位、防止偏摆的作用。钢环的开槽采用了数控切割技术，满足了要求。
2.3.2体外预应力束的固定
为保证安全，应在原钢结构下方安装满镗脚手架。预应力束型为折线型。外套φ24镀锌钢管应预先成型， 否则在安装时无法保证预应力束型的正确接触转向块。由于松弛的钢铰线与张拉过后的钢铰线在径向长度上有一定的差值，所以外套镀锌管应具有一定的长度调节能力。现场采用三段镀锌钢管组成整个完整的折线形。中间一段为弯折段，预先按照放样弯折到位，两端为直线段，各段之间依靠接头形成可靠连接。接头与镀锌管之间有约100mm的余量控制，可先预先缩短，在张拉完成后旋开，使镀锌管与张拉端头结合紧密。 预应力钢铰线穿入镀锌管后，整体安装到位，装上锚具并预张拉5%检查各构件以确保整体安装到位。
2.3.3体外预应力束的张拉
采用 25t 千斤顶，两端张拉。为了消除因体外束张拉的不均匀而引起对原钢结构纵向的剪力差，各体外束的张拉应分级进行。为确保加固的安全性，将设计的张拉力分为 33%、66%、100%三级完成。每级张拉采用同一顺序循环进行。每级张拉完成后，观察张拉端以及转向块情况，并进行反拱实测。完成后，再进行下一级张拉。体外束张拉时，除了要控制张拉力和预应力伸长量之外，还必须对原钢结构整体挠度情况进行监控，边张拉边观察。
全部张拉到位后，经实测，中心节点处反拱达到17．5mm，达到设计要求。
3.结束语
在预应力加固钢结构改造中，加固设计和方案选定工作是非常复杂的，应按照有关规范规定要求严格进行，并且重点做好构件和节点设计，以保证结构的安全。
【参考文献】
［１］陆赐麟等，现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社，2009，
［２］杨勇新，钢结构加固技术探讨[J]，建筑技术，2011.
【关键词】预应力；加固；钢结构；技术
近20年以来，由于国家的大力支持和市场的旺盛需求，我国钢结构发展迅猛，被称为建筑行业的“朝阳产业”。大量早年建设的建筑物由于工程质量较差或者结构设计存在严重缺陷以及使用条件的改变， 经验算后钢结构工程结构的强度、刚度或稳定性不再满足应有的正常工况条件以及其他正常使用要求， 大量建筑物需要改造加固。
1.预应力加固钢结构技术措施
1.1传统的钢结构加固存在的问题
焊接加固时，高温作用使焊接部位的组织及性能劣化；而且焊缝必然存在缺陷，会产生新的裂纹；焊接结构内部存在残余应力，与其他作用结合可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底，引发重大事故。
采用螺栓连接需要在损伤部位附近的母材上开孔，削弱了截面，形成新的应力集中区；普通螺栓在动载作用下易松动，高强螺栓易发生应力松弛现象，降低了结构的修补效果粘钢加固技术是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，依靠结构胶使之粘结成整体共同工作，以提高结构承载力 这些加固方法共同的缺点是使结构重量增加很多，钢板不易制作成各种复杂形状，运输和安装也不方便，且钢板易锈蚀，影响粘结强度，维护费用高。
1.2预应力加固的优点
a.加固工作可在不卸载 不停产的条件下进行。
b.施加预应力可直接减小变形，迅速消除超逾应力和内力峰值。
c.与非预应力方式相比，可消除应力滞后现象，充分利用的高强特性，提高加固效率。
d.结合可靠锚固，可降低粘结界面的剥离应力，避免整体剥落，提高加固的可靠性。
e.降低加固费用和使用成本。
2.预应力加固钢结构技术应用
2.1工程概况
本工程为某建筑中庭钢结构玻璃天窗工程。周边三角形边梁简支安装在短钢柱上。主受力由三根呈60°夹角跨度11．3m的 HN300×150
×6．5×9钢梁来承担。工程的恒荷载由钢梁的自重、天窗的锥型龙骨、小檩条以及钢化玻璃组成。
该工程钢结构体安装完成吊装部分钢化玻璃后，其中心点挠度达到20mm。影响了后续钢化玻璃的安装以及后期使用。为配合建设单位，提出采用体外预应 力筋对钢结构进行加固和挠度的控制。
2.2加固设计
2.2.1体外预应力束线形的选择
直接针对中心点挠度过大的特点,在三根呈60°夹角的钢梁上设置无粘结体外束，为便于穿束及锚固，体外预应力束均布置在钢梁腹板两侧，并采用折线形布置。折线形预应力束可大幅度提高原梁的受弯承载力及受剪承载力，同时亦能达到减小挠度的目的。通过转向块的传递，预应力的作用可等效于对原钢梁施加了竖直向上的反向荷载， 使原钢梁的应力状态大为改善。在预应力施加后的承载阶段也提高了原梁的受弯承载力。
2.2.2体外束的预应力损失计算
由于预应力体外束与原钢梁无粘结作用，其张拉力是在钢梁粱体发生弹性压缩的情况下读取的，并且为了控制张拉力采用了单束分批张拉，因而由此引起的钢结构弹性压缩损失极小； 此外由收缩、 徐变引起的预应力损失也较小。但是，对于折线形预应力束而言，由于折线角度的存在，预应力柬会产生摩擦损失。同时由于锚具的内缩和变形，张拉端部的锚具损失同样较大。
由以上分析可知，钢结构体外预应力加固的预应力损失相对混凝土结构较小。因此，体外束并无过多的预应力损失，为避免体外束长期于高应力状态下工作，本工程张拉控制应力。
2.2.3预应力体外束束数的确定
该工程采用的无粘结预应力钢铰线，单根面积为139mm2。根据 SATWE的模型计算所得，在恒载作用下钢梁交叉中点反力为63．8kN。
由计算得出单束预应力产生的反力值大小后，确定沿三根钢梁腹板两侧各设置一根预应力体外束。同一根钢梁的两根预应力体外束形成一组，通过折线形折点处的转向块传力于原钢梁。按照同理三组预应力体外束通过各自的转向块叠加作用于原钢梁上。经过张拉后，在预应力荷载的作用下，体外束与钢粱体共同组成了一个空间(非平面) 的静力平衡体系。
2.2.4转向装置和张拉端部处理
根据该工程的受力需要。预应力体外柬经张拉后在折线点产生的向上的反力需作用到原钢梁上。因此应设置可靠的转向块以传递反向荷载。由于该工程为中庭天窗。预应力体外束直接暴露在阳光下，为避免无粘结预应力束外皮的老化脱 落，应在预应力体外束外套φ24的镀锌钢管保护。
由于单根预应力体外束张拉时，预应力束与钢结构无粘结，给钢梁体施加的全部预应力，是通过两端实现的，因此会在张拉端部产生应力集中。原钢结构的边梁腹板较薄。为保证局部承压满足要求， 需在张拉端部设置钢垫板以及原钢边梁上设置加劲板，以防止张拉应力导致原钢边梁腹板破坏。
为了避免不必要的摩擦损失，由预应力折线点至张拉端部应保持直线，不产生折角。在张拉锚具与加设的钢垫板之间设置非正六面体张拉垫块，既可以避免由于锚具与钢垫板之间产生夹角，又可以进一步分散张拉时的局部应力。
2.3预应力体外束加固施工和监控
2.3.1张拉端部和转向块的安装
张拉端部由于应力集中，所以应安装好各组件。先在钢边梁的腹板上缘按照图纸要求钻孔。对应孔位，安装钢垫板，焊接固定。在钢垫板上焊接加劲板以及张拉垫块。由于需保持预应力束由折线点至张拉端点为直线，且钢边梁与体外预应力束同样也呈60°夹角，所以钢垫快应切削成非正六面体形，以保证锚具接触面与预应力束型的正交。钢边梁 的后侧设置 3道加劲板。由于每个张拉端节点有两个锚具，应合理调整加劲板的位置，不至于遮挡预应力束的安装。
转向块为传递体外预应力荷载的重要构件，如安装不当，将会造成传力的失败。转向块为φ60的短钢筋切削一半成型，与各组的预应力束在水平方向上呈 90°交叉。由于三组体外预应力束互呈 60°夹角，相对应的三个转向块也组成呈 60°夹角的“*” 型转向块组。由于三组预应力束重叠后会有一个高度差， 所以三个转向块也需相应的用钢垫块调整高度差。各组预应力束之间，以及预应力束与转向块之间并无粘结，每根预应力束仅依靠张拉端头的固定，所以为防止张拉时预应力束之间的偏摆而导致脱离转向块，应在转向块组外安装定位钢环。钢环内径罩住转向块组。钢环壁开槽，以穿过预应力束。3组6根预应力束平面呈 60°夹角重叠，立面又各有高度差。 开槽过小将不利于整体组件的安装，开槽过大又失去了定位、防止偏摆的作用。钢环的开槽采用了数控切割技术，满足了要求。
2.3.2体外预应力束的固定
为保证安全，应在原钢结构下方安装满镗脚手架。预应力束型为折线型。外套φ24镀锌钢管应预先成型， 否则在安装时无法保证预应力束型的正确接触转向块。由于松弛的钢铰线与张拉过后的钢铰线在径向长度上有一定的差值，所以外套镀锌管应具有一定的长度调节能力。现场采用三段镀锌钢管组成整个完整的折线形。中间一段为弯折段，预先按照放样弯折到位，两端为直线段，各段之间依靠接头形成可靠连接。接头与镀锌管之间有约100mm的余量控制，可先预先缩短，在张拉完成后旋开，使镀锌管与张拉端头结合紧密。 预应力钢铰线穿入镀锌管后，整体安装到位，装上锚具并预张拉5%检查各构件以确保整体安装到位。
2.3.3体外预应力束的张拉
采用 25t 千斤顶，两端张拉。为了消除因体外束张拉的不均匀而引起对原钢结构纵向的剪力差，各体外束的张拉应分级进行。为确保加固的安全性，将设计的张拉力分为 33%、66%、100%三级完成。每级张拉采用同一顺序循环进行。每级张拉完成后，观察张拉端以及转向块情况，并进行反拱实测。完成后，再进行下一级张拉。体外束张拉时，除了要控制张拉力和预应力伸长量之外，还必须对原钢结构整体挠度情况进行监控，边张拉边观察。
全部张拉到位后，经实测，中心节点处反拱达到17．5mm，达到设计要求。
3.结束语
在预应力加固钢结构改造中，加固设计和方案选定工作是非常复杂的，应按照有关规范规定要求严格进行，并且重点做好构件和节点设计，以保证结构的安全。
【参考文献】
［１］陆赐麟等，现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社，2009，
［２］杨勇新，钢结构加固技术探讨[J]，建筑技术，2011.