南京市北极阁风貌区地下工程原结构预应力梁加固改造技术的设计应用
李嵩1 龚斌文1 崔天霞1 闵紫超2
（1.南京新筑加固工程有限公司 南京 210017；（2.江苏新筑预应力工程有限公司 南京 210017
摘要：通过介绍南京市北极阁风貌区地下工程加固改造项目中，预应力框架梁改造加固的施工特点，阐述预应力梁改造加固的设计方法。
关键词：原结构预应力梁 加固改造 无粘结预应力 预应力梁后张拉
Design and application of reinforcement and reconstruction technology of underground engineering in Nanjing North Pole Chinese style pavilion features the original structure of prestressed concrete beam
Li Song1 Gong Binwen1 Cui Tianxia1 Min Zichao2
（1. Nanjing Xinzhu Reinforcement Engineering Co., Ltd NanJing 210017）
Ma Hongjun2
（2. Jiangsu Xinzhu Prestressed Engneering Co.,LTD NanJing 210017）
Abstract : By introducing of the structural design features of Nanjing City North Pole Chinese style pavilion features of underground engineering reinforcement project, construction features of strengthening prestressed frame beam transformation, expounds design method of prestressed reinforcement beam transformation.
Keywords : The original structure of prestressed beam strengthening and reconstruction unbonded prestressed Prestressed beam tension
1 引言
由于建筑物使用功能的改变,在预应力结构中开设洞口的工程需求越来越多。在预应力结构中拆梁开洞的设计理念较为复杂。例如,预应力结构拆除后对原结构体系造成影响、原有预应力梁的加固方法、预应力的恢复等等。所以预应力结构拆除改造及加固设计一直是工程界的难点及热点之一。本文结合南京市北极阁风貌区地下工程加固改造项目,对本工程中涉及到的原结构预应力混凝土梁拆除改造及加固的设计方法进行介绍。
2 概述
南京市北极阁风貌区位于南京老城空间中心，紧邻南京紫峰大厦，历史上曾是六朝皇家园林，该地下工程始建始于2003年，约20万平方米。作为南京市政府重点工程的北极阁广场改造工程于2012年开始，得到了南京玄武区政府大力的支持。限于篇幅要求本文仅对南京市北极阁风貌区地下工程加固改造项目中，关于地下室顶板开洞部位处涉及预应力梁拆除及改造加固的设计方法进行简明扼要的介绍，以供同类工程设计进行参考。
北极阁风貌区分地面广场、地下商业、地下停车场三部分，其中地下2层，地上1层，共59800平方米。结构体系为框架结构。此工程考虑全新景观、建筑功能及结构性能要求，需在地下室顶板开设三个大型洞口，周边地下室顶板景观设计覆土约3m，其中洞口1尺寸最大（17.0mx25.5m）,位置为4~7轴到H~K轴（见图3.1），原结构采用预应力框架梁(主框架梁有粘结、次框架梁无粘结)及普通现浇实心板的结构体系及布置方案，现打断原结构预应力梁，需对相关构件进行加固改造设计。
南京地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0．1g(第一组)，本工程抗震设防类别为乙类，框架抗震等级三级，场地类别二类。
本工程原结构地下室顶板结构标高11.45m，上部覆土3m。原结构预应力梁混凝土强度等级C40，最大裂缝控制宽度0.2mm。原结构预应力筋采用d=15.2mm高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fptk=1860N/mm2，张拉控制应力0.75fptk=1395N/mm2。预应力梁线性布置及跨中及支座处钢绞线矢高δ按照原结构放样图确定。
3 原结构预应力梁加固设计
3.1 开洞后对原有结构预应力梁造成的影响
原结构地下室顶板开洞后可能对原结构构件产生的影响如下(具体位置见图3.1)：
图3.1 北极阁风貌区地下室顶板洞口1平面示意
影响（1）:原结构4/J、8/J、4/G、5/G、6/G、7/G、4/K、5/K、6/K、7/K轴支座处预应力主框架梁（有粘结）在现有荷载不变的情况下负弯矩会增加，故需加固原结构预应力梁支座处。
影响（2）:原结构开洞施工过程中会对原结构预应力主框架梁钢绞线扰动，而且开洞后端部钢绞线会产生的回缩，必须考虑这两项因素对钢绞线有效应力产生的额外损失，故需加固原结构预应力梁。
影响（3）:原结构预应力次梁（无粘结）开洞后原结构钢绞线瞬间应力丧失，故需重新张拉次梁钢绞线。
影响（4）: 开洞后端部重新张拉钢绞线会对相关框架梁柱产生等效荷载，需进行复核计算，对不满足承载力要求的梁柱进行加固。
3.2 原结构预应力梁打断后的加固改造设计方法
钢绞线截断时回缩量计算：
：钢绞线回缩量（mm）;
：拆除施工时钢绞线的应变;
L：钢绞线实际长度（mm），L=8500+2X250=9000
原结构钢绞线抗拉强度标准值为1860MPa，张拉控制应力比为0.75。
经计算，预应力总损失
，则钢绞线应变为：
预应力释放为零时，钢绞线回缩量为：
本工程张拉控制应力σcon=0.75fptk。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010） 公式计算出锚固回缩损失σl1、摩擦损失σl2、钢筋应力松弛损失σl4和混凝土收缩徐变损失σl5，求出有效应力σe=531Mpa。
3.2.2 原结构预应力梁具体加固设计计算
采用“多层建筑结构空间有限元分析与设计软件－"SETWE"进行结构整体分析，考虑开洞后端部重新张拉钢绞线对相关框架梁柱产生的等效荷载，得出开洞后框架梁的弯矩设计值及弯矩标准值。其中弯矩标准值中负弯矩调幅系数为1.0。计算模型见图3.1，预应力梁弯矩标准值计算结果见图3.2。
图3.1 改造后的结构体系计算模型
图3.2 改造后的预应力梁弯矩标准值
3.2.3 加固方案的选择
3.2.3.1 原结构框架主梁加固
经过计算，原结构主框架梁开洞后首跨支座负弯矩区最大裂缝宽度超过二级抗裂要求。加固方法有两种，支座处加腋及支座顶粘贴钢板。由于现场覆土3m，支座顶粘贴钢板施工中土方开挖量很大，不经济，故采用支座处加腋的加固方法。考虑《建筑抗震规范》（GB 50011-2010）中6.3.3.2条，梁底粘贴碳纤维或钢板加固。进过计算加固后原结构预应力主梁承载力、挠度及裂缝均满足规范要求。加固方法见图3.4、图3.4，现场施工情况见照片3.1。
图3.3 主框架梁加固示意图1
图3.4 主框架梁加固示意图2
照片3.1 主框架梁现场加固图
对于洞口周边外露的钢绞线，采用必要的防护措施提高其耐久性。
3.2.3.2 原结构框架次梁加固
开洞后对原有钢绞线重新张拉，恢复初始张拉控制应力，并对由于荷载情况变化的预应力梁进行碳纤维加固。重新张拉钢绞线按照图3.5进行。现场施工情况见照片3.2、照片3.3。
图3.5 次框架梁端头钢绞线张拉图
照片3.2 现场预应力筋后张拉端头制作
照片3.3 现场预应力筋后张拉施工
3.2.3.3 原结构框架柱加固
考虑预应力筋后张拉产生的等效荷载，经过计算，对承载力及构造不满足规范要求的框架柱采用外包钢的加固方式。外包钢柱按照图3.6施工，现场施工情况见照片3.4。
图3.6 框架柱加固图
照片3.4 现场框架柱加固施工
4 结语
对于荷载较大、覆土较厚的预应力混凝土结构开洞改造设计中，应重点注意如下几点：
（1）设计前需对原结构及现场施工条件进行全面的调查研究；
（2）考虑原预应力梁拆除后结构体系的变化对原混凝土结构的影响；
（3）考虑后张拉预应力产生的等效荷载对相关构件产生的影响；
（4）合理选择加固方式为业主创造更高的效益。
本文为荷载较大的工况下预应力结构在建筑物改造工程中的设计应用提供了一些建议。
参考文献
1 国家建筑标准设计图集《混凝土结构加固构造》 06SG311-1
2 国家建筑标准设计图集《后张法预应力混凝土结构施工图表示方法及构造详图》 06SG409
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8 <<混凝土结构设计规范>> GB50010-2010
9 <<建筑抗震设计规范>> GB50011-2010
10 <<混凝土结构加固设计规范>> GB50367-2006
