一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法
阅读说明：本技术 一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法 (A kind of method that side elevation external prestressing promotes reinforced concrete load bearing beam power ) 是由 任振华 曾宪桃 迟庆会 曾毅轩 于 2019-08-07 设计创作，主要内容包括：一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法,是在梁两侧立面的混凝土受拉区关于梁跨中线对称位置各设置至少一个承力结构,在梁的同一侧面对称设置的两个承力结构之间安装张拉钢筋,对张拉钢筋施加张拉力,通过所述承力结构对梁施加体外预应力,所述体外预应力的施加方向与梁内主拉应力方向平行。本发明提供的一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法,能够使得承载能力不足的混凝土梁,承载能力得到快速修复提升,在加固效果相同的情况下,采用本发明方法可以使张拉预应力加载的力度较现有技术加载的力度减少38.94％,在体外预应力相同的情况下,比传统法张拉钢绞线加固的混凝土梁的承载力提高75.52％以上。应用前景广阔。(A kind of method that side elevation external prestressing promotes reinforced beam bearing capacity, it is that at least one load-carrying construction is respectively set about line symmetry in girder span in the concrete in tension area of two side elevation of beam, tension reinforcing steel bar is installed between symmetrically arranged two load-carrying construction in the same side of beam, stretching force is applied to tension reinforcing steel bar, external prestressing is applied to beam by the load-carrying construction, the application direction of the external prestressing is parallel with principal tensile stress direction in beam.The method that a kind of side elevation external prestressing provided by the invention promotes reinforced concrete load bearing beam power, enable to the insufficient beams of concrete of bearing capacity, bearing capacity is obtained quickly repairing and be promoted, in the identical situation of consolidation effect, the dynamics that stretch-draw prestressing force can be made to load using the method for the present invention reduces 38.94% compared with the dynamics that the prior art loads, in vitro in the identical situation of prestressing force, than 75.52% or more bearing power increase for the beams of concrete that Traditional Method tension steel strand is reinforced.It has a extensive future.)
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土工程技术领域，尤其涉及一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法。
背景技术
钢筋混凝土结构的使用寿命受多种因素的影响，在使用过程中，易发生钢筋混凝土墙皮脱落、裂缝、钢筋外露等一系列问题，使建筑结构安全性降低，缩短建筑结构的使用寿命。钢筋混凝土构件的最大缺点是抗裂性能差，混凝土的极限拉应变小，使用荷载下拉区混凝土易开裂，构件刚度降低，变形增大。裂缝的存在使构件不适用于高湿度及侵蚀环境。为控制变形和裂缝，可加大构件截面和用钢量，但这不经济，自重加大时，构件所能承受的有效荷载减小，因而特别不适用于大跨度、重荷载结构，其次，提高混凝土强度等级和钢筋强度对改善构件的抗裂和变形性能效果也不大。
钢筋混凝土结构的加固方法包括增大截面加固法、粘钢加固法、外包钢加固法、粘贴碳纤维布加固法、体外预应力加固法、局部置换加固法等，这些加固方法都有各自的适用条件，需在不同的条件下使用。
预应力加固法(Prestress reinforcement)是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点是通过预应力手段强迫后加部分—拉杆或撑杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除。
预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于大跨结构加固，以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状态下的大型结构加固。
体外预应力就是设置在混凝土体外的预应力筋给混凝土施加的预应力。体外预应力混凝土也称无粘结预应力混凝土，是一种预应力筋直接设置在体外，或者预应力筋设置在混凝土体内，但无需进行孔道灌浆的无粘结预应力混凝土。它与预应力混凝土的区别在于预应力筋与混凝土的无粘结性。
体外预应力技术施工方便、经济可靠，预应力筋(束)可以单独防腐甚至可以更换等特点，近年来，已被广泛应用于既有混凝土结构的加固工程中。众多的工程实践证明，利用体外预应力加固既有混凝土结构，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。
传统的体外预应力有如下两种作法：
第一种方法(图4)，是在梁的两端通过打孔的方式，将四块钢板锚固于梁的两端，再将张拉预应力钢筋焊接于锚板上，在张拉钢筋与梁底面之间设置支撑构件，通过花篮螺栓或张拉锚固器对张拉钢筋实施张拉，张拉钢筋对支撑构件施加力，通过支撑构件对梁底面作用一个垂直向上的托举力，实现体外预应力施加。该方法的缺点是要在梁的两端箍筋加密区开孔固定锚板，张拉锚固器固定困难，在某些场合不能使用该法。
第二种方法(图5)，是针对框架梁施加体外预应力，梁的两端有横向的梁与被加固梁刚接，如图5，张拉钢筋通过横梁上开孔进行锚固，在张拉钢筋与梁底面之间设置支撑构件，张拉钢筋对支撑构件施加力，通过支撑构件对梁底面作用一个垂直向上的托举力，实现体外预应力施加。该方法的缺点是要在梁的两端横梁的箍筋加密区开孔固定张拉锚固器，张拉锚固力太大横梁会直接受弯。
以上两种体外预应力法，共同的缺点在于：
1.要在被加固梁或横梁靠近节点处开孔，而此处又是梁的钢筋加密段，开孔难度大有时甚至是不可能的；
2.在梁的端部开孔对梁端部的抗剪切承载力损失很大；
3.在原混凝土梁或横梁上开孔太多，会从结构上影响混凝土的承载力。
4.特别是通过支撑构件作用于梁体，施加的张拉力被分解为沿张拉钢筋轴线方向的水平力Fh和垂直于梁的轴线的托举力Fv(见附图4),Fh对提高梁的承载力几乎没有贡献，只有Fv对梁产生托举力，张拉强化效率不高；并且，两个支撑构件处的托举力Fv垂直于梁的轴线上，有可能导致梁的上表面纤维受拉混凝土出现开裂；两支撑构件与混凝土表面为线接触局部压力很大，有可能导致混凝土局部压溃。
为此，申请人提出了一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法。当在用的钢筋混凝土梁承载能力不足时，需要提高其承载力，可以用侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法。
本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝梁承载力的方法，本发明能够使得承载能力不足的混凝土梁，得到快速修复提升，在加固效果(即加固后混凝土梁承载能力)相同的情况下，采用本发明方法可以使张拉预应力加载的力度较现有技术加载的力度减少38.94％。
为达到上述目的，本发明的构思是：混凝土梁侧立面是自由的，在混凝土梁侧立面位于梁的两端关于梁跨中线对称设置承力结构，承力结构之间安装张拉钢筋，对张拉钢筋施加张拉力，通过所述承力结构对梁施加体外预应力，所述体外预应力的施加方向与梁所受拉应力方向平行且方向相反，使混凝土梁在侧立面承受体外预应力，从而提高混凝土梁的承载能力。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，是在梁两侧立面的混凝土受拉区关于梁跨中线对称位置各设置至少一个承力结构，在梁的同一侧面对称设置的两个承力结构之间安装张拉钢筋(图1)，对张拉钢筋施加张拉力，通过所述承力结构对梁施加体外预应力，所述体外预应力的施加方向与梁内主拉应力方向(图2)平行。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，根据梁的静力平衡条件确定梁的中性轴位置，进而确定梁的混凝土受拉区以及受压区(图1a、图1b)。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，所述承力结构指固定安装在梁的侧面的凸柱，凸柱上设有穿装张拉钢筋的孔(图3)。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，所述承力结构是在梁的受拉区关于梁跨中线对称位置各设一穿过梁体的通孔，先在通孔中紧配合打入钢套管(图1a)，以提升孔道周边混凝土的局部承压能力，再在所述通孔中穿装一钢棒(图1b)，钢棒的两端均延伸至梁体外，钢棒的两端各设有一安装张拉钢筋的孔(图3)。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，先用仪器探明梁中箍筋和拉压筋的位置，在梁的受拉区关于梁跨中线对称位置的两竖向箍筋之间开设贯穿梁体的通孔。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，贯穿梁体的通孔距梁底面内主筋的距离大于或等于梁设计时确定的主筋保护层的厚度(图1a)。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，所述张拉钢筋两端各设有一段螺纹，在螺纹上旋装有用于对张拉钢筋施加载荷的螺母(图1b)。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，旋转张拉钢筋两端的螺母与穿装在通孔中的钢棒接触，对张拉钢筋两端施加方向相反的拉力，进而通过穿装在通孔中的钢棒对梁施加体外应力。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，施加在梁的两侧的张拉钢筋上的力相同。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，在体外预应力相同的情况下，采用本发明张拉钢筋体外预应力加固的混凝土梁比传统法张拉钢绞线加固的混凝土梁的承载力提高75.52％以上。
本发明一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，在梁的受拉区关于梁跨中线对称位置各钻一孔，孔位于两竖向箍筋之间，在两孔中紧配合打入内钢套管(图1a)，在套管中打入两端带圆孔的钢棒，两钢棒安装后，在梁两侧侧立面外露钢棒圆孔中穿入两端带螺纹的张拉钢筋，用测力扳手及螺母将张拉钢筋拧紧，使混凝土梁在侧立面承受体外预应力，从而提高混凝土梁的承载能力；首先，计算既有混凝土梁的承载力大小，画出弯矩图分布并绘制混凝土梁的主拉应力曲线，确定梁的中心轴位置，将梁侧立面分为压区和受拉区；用钢筋探测仪，探明梁中箍筋和拉压筋的位置，并标明钢筋的位置；在梁的受拉区关于梁跨中线对称位置，两竖向箍筋之间标定开孔位置；开孔的位置及间距要与混凝土梁的弯矩图及混凝土梁中主拉应力曲线相适应。开孔的位置在满足主筋混凝土保护层厚度的情况下，尽量靠近混凝土梁的下边沿，两个开孔在梁轴线上的位置在避开梁端钢筋加密区的前提下，尽量靠近梁的端部，开孔的位置要确保张拉预应力钢筋的轴线与梁主应力轴线平行；用取芯钻在标定位置开孔，开孔中心位于两箍筋中间，孔下边沿离受拉主筋表面的距离要大于主筋保护层的厚度，如图1a所示；开孔直径40mm-60mm，小于箍筋最小间距的一半；孔开好后，用压缩空气吹孔，在孔中紧配合打入内套管；在套管中打入钢棒，钢棒长度为梁的宽度加两侧工作长度；钢棒中间段b长度内为圆截面(直径为d),两端工作长度为b1，其截面为方形，边长H为圆截面的内截正方形边长；b1段上开有用于穿过张拉钢筋的圆孔，其直径为H/2；钢棒安装后，在钢棒圆孔中穿入两端带螺纹的张拉钢筋；用测力扳手及螺母将张拉钢筋拧紧，使混凝土梁两侧张拉钢筋受力相同；张拉钢筋直径dp一般可选20mm，依据张拉钢筋材质不同，单根钢筋的设计受力在100kN-200kN之间乃至更高。
根据梁的主应力曲线可知(如图2所示)，梁内任一点处两个主应力必然一个是拉应力一个是压应力，两者的方向相互垂直。离梁中性轴越远，主拉应力越大，主拉应力曲线越平缓，其切线方向越趋向水平方向，本发明采用张拉钢筋与最大主拉应力方向平行，可以完全分担梁内主筋的受力，在强化效果相同的情况下，施加在张拉钢筋上的力较现有技术施加的力减少38.94％；
开孔的位置尽量远离梁跨中，同时要避开混凝土两端的钢筋加密区。图2所示，主拉应力曲线的起弯点靠近梁的端部，所以，要将开孔位置靠近梁端，但又要避开混凝土梁端箍筋加密区，否则开孔会破坏梁的加密箍筋，损坏梁的抗剪承载力；
本发明体外预应力加固方法特别适用于以下情况：
(1)钢筋混凝土梁中钢筋锈蚀严重和其他种种病害造成梁体承载能力下降；
(2)需要提高荷载等级的既有钢筋混凝土梁；
(3)用于控制梁体裂缝及降低钢筋的疲劳应力水平。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
(1)本发明最大的优点是克服了传统体外预应力在纵梁、横梁的箍筋加密区开孔的缺点；
(2)张拉钢筋的张拉力与混凝土梁的主应力迹线平行，张拉锚固力不会使横梁受弯；有效避免施加体外预应力使梁的上表面纤维受拉混凝土出现开裂；两支撑构件与混凝土表面为线接触局部压力很大，有可能导致混凝土局部压溃的现象；
(3)张拉钢筋的张拉力与混凝土梁的主应力迹线平行，张拉效率高；在强化效果相同的情况下，施加在张拉钢筋上的力较现有技术施加的力减少38.94％；
(4)张拉钢筋的张拉不用锚固器而直接用螺栓紧固，设备和方法简便，非常实用；
(5)在梁的中端部开孔对梁端部的抗剪切承载力影响不大；
(6)本体外预应力加固技术是一种主动加固方式，钢筋预应力对混凝土梁有卸载作用；
(7)该加固技术基本不明显增加结构自重，是一种简单而高效的加固方法；
(8)有效提高了结构或构件的抗裂性与抗渗性，结构具有更高的承载能力；
(9)提高了结构或构件的刚度和稳定性，改善了结构或构件的变形能力，使结构更加安全可靠；
(10)减小钢筋混凝土梁的剪力和主拉应力，调整结构内力分布，在一定程度上提高结构的受剪承载力；
(11)在结构卸载后，由于结构中梁的承载力、刚度和截面模量的提高，可提高结构的恢复能力，改善结构的耐疲劳性能，进而增强了结构的耐久性；
(12)可以扩充钢筋混凝土结构在建筑界的应用范围，既节约了材料，又降低了工程成本；
(13)体外预应力钢筋布置在混凝土梁两侧，张拉后应力测量方便，若预应力未达到设计要求还可用扳手补张拉；
(14)在体外预应力加固之后，原混凝土梁与体外预应力钢筋共同承担外荷载，是一种主动加固方法；
(15)体外预应力钢筋对混凝土梁来说是外部作用，体外预应力技术可有效减小截面尺寸；
(16)本发明的技术施工方便、经济可靠，预应力筋可以单独防腐甚至可以更换。
附图说明
附图1(a)为本发明侧立面体外预应力钻孔及安装主视图；
附图1(b)为附图1(a)的俯视图；
附图2为附图1(a)中梁的主应力迹线图；
附图3为本发明中安装在附图1(a)中的钢棒结构图；
附图4为现有技术施加体外预应力的第一种方法；
附图5(a)为现有技术施加体外预应力第二种方法的主视图；
附图5(b)为附图5(a)的俯视图；
附图6(a)为本发明双筋矩形截面体外预应力结构断面图；
附图6(b)为本发明双筋矩形截面体外预应力梁体内应变分布图；
附图6(c)为本发明双筋矩形截面体外预应力梁体截面等效应力计算图；
附图7(a)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力结构断面图；
附图7(b)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力梁体内应变分布图；
附图7(c)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力梁体截面等效应力计算图；
图1(a)、图(b)中：
1-混凝土梁；2-钢筋笼；3-张拉钢筋；4-螺母；5-钢棒；6-开孔；7-钢套管；8-混凝梁受拉区；9-混凝梁受压区；10-混凝土梁中性轴。
具体和实施方式
实施例1
参见附图1(a)、附图1(b)、附图2、3，一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，是在混凝土梁1两侧面的混凝土受拉区关于梁跨中线对称位置各设置至少一个承力结构，在混凝土梁1的同一侧面对称设置的两个承力结构之间安装张拉钢筋3，对张拉钢筋3施加张拉力，通过所述承力结构对梁施加体外预应力，所述体外预应力的施加方向与梁内所受拉应力方向平行；
本实施例中，混凝土受拉区是根据梁的静力平衡条件确定梁的中性轴10的位置，进而确定梁的混凝土受拉区8及混凝土受压区9；
先用仪器探明混凝土梁1中钢筋笼2中箍筋和拉压筋的位置，在混凝土梁的受拉区关于混凝土梁跨中线对称位置的两竖向箍筋之间开设贯穿梁体的通孔6；
所述承力结构是在混凝土梁1的受拉区关于梁跨中线对称位置各设一穿过梁体的通孔6，在所述通孔6中穿装有钢套管7，钢套管7中插装有一钢棒5，钢棒5的两端均延伸至混凝土梁体外，钢棒5的两端各设有一安装张拉钢筋3的孔；所述张拉钢筋3两端各设有一段螺纹，在螺纹上旋装有用于对张拉钢筋3施加载荷的螺母4；旋转张拉钢筋3两端的螺母4与穿装在通孔6中的钢棒5接触，对张拉钢筋3两端施加方向相反的拉力，进而通过穿装在通孔6中的钢棒5对梁施加体外应力；施加在混凝土梁的两侧的张拉钢筋3上的力相同；贯穿混凝土梁体的通孔6距梁底面的距离大于或等于混凝土梁设计时确定的主筋保护层的厚度；
本实施例中，在施加在混凝土梁上的体外预应力相同的情况下，本实施例采用张拉钢筋体外预应力加固的混凝土梁比传统法张拉钢绞线加固的混凝土梁的承载力提高75.5％以上；详见以下技术对比结果：
参见附图6、附图7，被加固混凝土梁的基本参数如下：梁的截面尺寸b＝150mm,h＝300mm,混凝土为C30，混凝土强度设计值fc＝14.3N/mm2；梁内受拉主筋d为2Φ16mm,截面面积为As＝402mm2,主筋的抗拉强度设计值为fy＝300N/mm2,架立筋选用2φ10mm,截面面积A′s＝157mm2,抗拉强度设计值为f′y＝270N/mm2,箍筋φ10mm＠120mm；拉区混凝土保护层厚度c＝30mm,压区混凝土保护层厚度c′＝15mm,则图6中，梁中受压钢筋到混凝土梁上边缘的距离a′s＝30mm,梁中受拉钢筋到混凝土梁下边缘的距离as＝48mm,梁的受压边缘至纵向受力钢筋(受拉钢筋)截面重心的距离即梁截面有效高度h0＝252mm。
预应力螺纹钢筋(ΦT)直径dp＝18mm，截面面积为Ap＝508.68mm2，螺纹钢筋的抗拉强度设计值为fpy＝650N/mm2，
如图6所示，预应力螺纹钢筋轴线离混凝土梁下边缘的距离ap＝dp/2+c+d/2+as＝9+30+8+48＝95mm。
1.设混凝土梁没有被加固时其截面抗弯矩M0，梁的受压区高度为x,依据混凝土结构设计原理，根据静力平衡条件有：
∑x＝0，
α1·fc·x·b+f′y·A′s＝fy·As (1)
x≤ξbh0 x≥2a′s (3)
由式(1)得：x＝36.46mm；而由式(3)得x≥2×30＝60mm，取x＝60mm，代入式(2)得M0＝35523900N·mm。
2.设混凝土梁用本发明的方法加固后的弯矩承载力为Mbfm(图6)。
由平衡条件可有：
∑x＝0，有:
α1·fc·x·b+f′y·A′s＝fpy·Ap+fy·As (4)
得：x＝190.61mm；Mbfm＝138410764.58N·mm
两者相比，混凝土梁的抗弯矩能力提高了：
即加固后混凝土梁的承载力提高了2.896倍，加固后混凝土梁的承载力是没有加固前承载力的3.896倍。
3.传统预应力加固混凝土梁抗弯承载力计算
以上是混凝土梁截面在没有加固情况下和用本发明方法加固后其正截面抗弯承载力的对比分析。为分析对比传统预应力加固后和本发明预应力法加固后梁的正截面承载力的差异，先来看承载能力极限状态下体外预应力筋的预应力损失。
体外预应力筋的预应力损失值包括张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的损失σl1、预应力筋与孔道壁之间的摩擦、在转向块处的摩擦和张拉端锚口摩擦引起的损失σl2、预应力筋应力松弛引起的预应力损失σl4和混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5。
依据中华人民共和国行业标准《建筑结构体外预应力加固技术标准》(JGJ/T279-2012)规定，各项预应力损失计算如下：
1)直线预应力筋因张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值(σl1)可按下式计算：
式(6)中a为张拉端锚具变形和预应力筋内缩值(mm)，可按表1选用；l为张拉端至锚固端之间的距离(mm)；Ep为预应力筋的弹性模量。
表1.张拉端锚具变形和预应力筋内缩值a(mm)
2)预应力筋摩擦引起的预应力损失值(σl2)可按下列规定计算：
预应力螺纹钢筋 σl2＝0 (7)
预应力钢绞线 σl2＝σcon(1-e-kx-μθ) (8)
式(8)中：σcon为体外预应力筋张拉控制应力(N/mm2)，按以下规定计算：
对于钢绞线，用其极限强度标准值fptk规定：
0.40fptk≤σcon≤0.60fptk
对于预应力螺纹钢筋于，用其极限强度标准值fpyk规定：
0.50fpyk≤σcon≤0.70fpyk
式(8)中：x为张拉端至计算截面固定孔道长度累计值(m)当x≤2m时，可忽略；θ为张拉端至计算截面预应力筋转角累计值(rad)；k为考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数(1/m),可按表2采用；μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数，可按表2选用。
表2.摩擦系数取值
孔道材料、成品束类型
k
μ
钢管穿光面钢绞线
0.001
0.30
HDPE管穿光面钢绞线
0.002
0.13
无粘结预应力钢绞线
0.004
0.09
注：表中系数也可根据实测数据确定；当孔道采用不同材料时，应分别考虑，分段计算。
3)预应力筋应力松弛引起的预应力损失值(σl4)可按下列规定计算：
预应力螺纹钢筋
σl4＝0.03σcon (9)
预应力钢绞线
(1)当σcon≤0.5fptk时 σl4＝0 (10)
(2)当0.5fptk≤σcon≤0.7fptk时
4)混凝土收缩和徐变引起的预应力损失终极值σl5可按下列规定计算：
对一般建筑结构构件：
ρ＝(Ap+As)/A (13)
式(12)中：σpc为受拉区体外预应力筋合力点高度处的混凝土法向压应力(N/mm2)，当预应力筋位于截面受拉边缘外时，可假设预应力筋合力点高度处有混凝土并按平截面假定计算；f′cu为施加预应力时既有结构混凝土立方体抗压强度(N/mm2)；ρ为受拉区预应力筋和非预应力筋的配筋率。
5)体外预应力筋的应力设计值(σpu)可按下式计算：
σpu＝σpe+Δσp (14)
式(14)中：σpe为有效预应力值(N/mm2)；Δσp为预应力增量，正截面受弯承载力计算时：对于简支受弯构件Δσp取为100N/mm2，连续、悬臂受弯构件Δσp取为50N/mm2；斜截面受承载力计算时：Δσp取为50N/mm2。
6)承载能力计算
实际上，在设计预应力值相同时，传统预应力法加固的混凝土梁截面弯矩承载力要比本发明加固混凝土梁的截面承载力大。这里没有考虑预应力损失。下面来看预应力损失：
本发明由于使用的是预应力螺纹钢筋，其预应力损失只有σl1、σl4和σl5；而传统体外预应力由于使用的是预应力钢绞线，而本发明由于螺纹和刚度的要求使用的是预应力螺纹钢筋，预应力损失值包括σl1、σl2、σl4和σl5，两者相差σl2且是主要损失，这导致传统体外预应力加固的混凝土梁截面弯矩承载力损失。由图4用无粘结预应力钢绞线，由式(8)、表2可知，k＝0.004，μ＝0.09，取式(8)中x＝4m，σcon＝fpy，可取θ＝45°则σl2＝0.08fpy，
设传统体外预应力加固后混凝土截面弯矩承载力为Mct,矩形截面受弯构件(图7)。其混凝土受压区高度应按下式确定：
α1fcbx＝fyAs-f′yA′s+(fpy-0.08fpy)·cosθ·Ap (15)
混凝土受压区高度(x)尚应符合下列条件：
x≤ξbh0 (16)
x≥2a′s (17)
正截面受弯承载力：
式(15)、(16)、(17)、(18)中：
M—弯矩设计值(N·mm)；
α1—系数，当混凝土强度等级不超过C50时取为1.0，当混凝土强度等级C80时取为0.94，其间按线性内插法确定；
As、A′s—既有结构受拉区、受压区纵向非预应力筋的截面面积(mm2)；
Ap—体外预应力筋的截面面积(mm2)；
x—等效矩形应力图形的混凝土受压区高度(mm)；
fpy—体外预应力筋预应力设计值(N/mm2)；
fc—既有结构混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2)；
fy、f′y—非预应力筋的抗拉、抗压强度设计值(N/mm2)；
b—矩形截面的宽度(mm)；
as—受拉区纵向非预应力筋合力点至受拉边缘的距离(mm)；
a′s—受压区纵向非预应力筋合力点至截面受压边缘的距离(mm)；
h0—受拉区纵向非预应力筋和体外预应力筋合力点至受压边缘的距离(mm)；
ξb—相对界限受压区高度，预应力加固时可取0.4；
hp—体外预应力筋合力点至截面受压区边缘的距离(mm)。
式(15)代入具体数据，得x＝136.72mm,x>ξbh0，可取x＝0.4h0＝100.8mm。代入式(18)可得：
Mct＝78857386.5N·mm。
在预应力筋中设计预应力相同的情况下，用本发明方法加固后，梁截面的抗弯承载力为Mbfm＝138410764.58N·mm。
4.本发明方法加固梁抗弯承载力与传统方法加固梁承载力比较。
两者相比，本发明方法较传统预应力加固法其抗弯承载力提高了
具体实施方式
附图1(a)为本发明侧立面体外预应力钻孔及安装主视图；
附图1(b)为附图1(a)的俯视图；
附图2为附图1(a)中梁的主应力迹线图；
附图3为本发明中安装在附图1(a)中的钢棒结构图；
附图4为现有技术施加体外预应力的第一种方法；
附图5(a)为现有技术施加体外预应力第二种方法的主视图；
附图5(b)为附图5(a)的俯视图；
附图6(a)为本发明双筋矩形截面体外预应力结构断面图；
附图6(b)为本发明双筋矩形截面体外预应力梁体内应变分布图；
附图6(c)为本发明双筋矩形截面体外预应力梁体截面等效应力计算图；
附图7(a)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力结构断面图；
附图7(b)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力梁体内应变分布图；
附图7(c)为现有技术的双筋矩形截面体外预应力梁体截面等效应力计算图；
图1(a)、图(b)中：
1-混凝土梁；2-钢筋笼；3-张拉钢筋；4-螺母；5-钢棒；6-开孔；7-钢套管；8-混凝梁受拉区；9-混凝梁受压区；10-混凝土梁中性轴。
具体和实施方式
实施例1
参见附图1(a)、附图1(b)、附图2、3，一种侧立面体外预应力提升钢筋混凝土梁承载力的方法，是在混凝土梁1两侧面的混凝土受拉区关于梁跨中线对称位置各设置至少一个承力结构，在混凝土梁1的同一侧面对称设置的两个承力结构之间安装张拉钢筋3，对张拉钢筋3施加张拉力，通过所述承力结构对梁施加体外预应力，所述体外预应力的施加方向与梁内所受拉应力方向平行；
本实施例中，混凝土受拉区是根据梁的静力平衡条件确定梁的中性轴10的位置，进而确定梁的混凝土受拉区8及混凝土受压区9；
先用仪器探明混凝土梁1中钢筋笼2中箍筋和拉压筋的位置，在混凝土梁的受拉区关于混凝土梁跨中线对称位置的两竖向箍筋之间开设贯穿梁体的通孔6；
所述承力结构是在混凝土梁1的受拉区关于梁跨中线对称位置各设一穿过梁体的通孔6，在所述通孔6中穿装有钢套管7，钢套管7中插装有一钢棒5，钢棒5的两端均延伸至混凝土梁体外，钢棒5的两端各设有一安装张拉钢筋3的孔；所述张拉钢筋3两端各设有一段螺纹，在螺纹上旋装有用于对张拉钢筋3施加载荷的螺母4；旋转张拉钢筋3两端的螺母4与穿装在通孔6中的钢棒5接触，对张拉钢筋3两端施加方向相反的拉力，进而通过穿装在通孔6中的钢棒5对梁施加体外应力；施加在混凝土梁的两侧的张拉钢筋3上的力相同；贯穿混凝土梁体的通孔6距梁底面的距离大于或等于混凝土梁设计时确定的主筋保护层的厚度；
本实施例中，在施加在混凝土梁上的体外预应力相同的情况下，本实施例采用张拉钢筋体外预应力加固的混凝土梁比传统法张拉钢绞线加固的混凝土梁的承载力提高75.5％以上；详见以下技术对比结果：
参见附图6、附图7，被加固混凝土梁的基本参数如下：梁的截面尺寸b＝150mm,h＝300mm,混凝土为C30，混凝土强度设计值fc＝14.3N/mm2；梁内受拉主筋d为2Φ16mm,截面面积为As＝402mm2,主筋的抗拉强度设计值为fy＝300N/mm2,架立筋选用2φ10mm,截面面积A′s＝157mm2,抗拉强度设计值为f′y＝270N/mm2,箍筋φ10mm＠120mm；拉区混凝土保护层厚度c＝30mm,压区混凝土保护层厚度c′＝15mm,则图6中，梁中受压钢筋到混凝土梁上边缘的距离a′s＝30mm,梁中受拉钢筋到混凝土梁下边缘的距离as＝48mm,梁的受压边缘至纵向受力钢筋(受拉钢筋)截面重心的距离即梁截面有效高度h0＝252mm。
预应力螺纹钢筋(ΦT)直径dp＝18mm，截面面积为Ap＝508.68mm2，螺纹钢筋的抗拉强度设计值为fpy＝650N/mm2，
如图6所示，预应力螺纹钢筋轴线离混凝土梁下边缘的距离ap＝dp/2+c+d/2+as＝9+30+8+48＝95mm。
1.设混凝土梁没有被加固时其截面抗弯矩M0，梁的受压区高度为x,依据混凝土结构设计原理，根据静力平衡条件有：
∑x＝0，
α1·fc·x·b+f′y·A′s＝fy·As (1)
x≤ξbh0 x≥2a′s (3)
由式(1)得：x＝36.46mm；而由式(3)得x≥2×30＝60mm，取x＝60mm，代入式(2)得M0＝35523900N·mm。
2.设混凝土梁用本发明的方法加固后的弯矩承载力为Mbfm(图6)。
由平衡条件可有：
∑x＝0，有:
α1·fc·x·b+f′y·A′s＝fpy·Ap+fy·As (4)
得：x＝190.61mm；Mbfm＝138410764.58N·mm
两者相比，混凝土梁的抗弯矩能力提高了：
即加固后混凝土梁的承载力提高了2.896倍，加固后混凝土梁的承载力是没有加固前承载力的3.896倍。
3.传统预应力加固混凝土梁抗弯承载力计算
以上是混凝土梁截面在没有加固情况下和用本发明方法加固后其正截面抗弯承载力的对比分析。为分析对比传统预应力加固后和本发明预应力法加固后梁的正截面承载力的差异，先来看承载能力极限状态下体外预应力筋的预应力损失。
体外预应力筋的预应力损失值包括张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的损失σl1、预应力筋与孔道壁之间的摩擦、在转向块处的摩擦和张拉端锚口摩擦引起的损失σl2、预应力筋应力松弛引起的预应力损失σl4和混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5。
依据中华人民共和国行业标准《建筑结构体外预应力加固技术标准》(JGJ/T279-2012)规定，各项预应力损失计算如下：
1)直线预应力筋因张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值(σl1)可按下式计算：
式(6)中a为张拉端锚具变形和预应力筋内缩值(mm)，可按表1选用；l为张拉端至锚固端之间的距离(mm)；Ep为预应力筋的弹性模量。
表1.张拉端锚具变形和预应力筋内缩值a(mm)
2)预应力筋摩擦引起的预应力损失值(σl2)可按下列规定计算：
预应力螺纹钢筋 σl2＝0 (7)
预应力钢绞线 σl2＝σcon(1-e-kx-μθ) (8)
式(8)中：σcon为体外预应力筋张拉控制应力(N/mm2)，按以下规定计算：
对于钢绞线，用其极限强度标准值fptk规定：
0.40fptk≤σcon≤0.60fptk
对于预应力螺纹钢筋于，用其极限强度标准值fpyk规定：
0.50fpyk≤σcon≤0.70fpyk
式(8)中：x为张拉端至计算截面固定孔道长度累计值(m)当x≤2m时，可忽略；θ为张拉端至计算截面预应力筋转角累计值(rad)；k为考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数(1/m),可按表2采用；μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数，可按表2选用。
表2.摩擦系数取值
孔道材料、成品束类型
k
μ
钢管穿光面钢绞线
0.001
0.30
HDPE管穿光面钢绞线
0.002
0.13
无粘结预应力钢绞线
0.004
0.09
注：表中系数也可根据实测数据确定；当孔道采用不同材料时，应分别考虑，分段计算。
3)预应力筋应力松弛引起的预应力损失值(σl4)可按下列规定计算：
预应力螺纹钢筋
σl4＝0.03σcon (9)
预应力钢绞线
(1)当σcon≤0.5fptk时 σl4＝0 (10)
(2)当0.5fptk≤σcon≤0.7fptk时
4)混凝土收缩和徐变引起的预应力损失终极值σl5可按下列规定计算：
对一般建筑结构构件：
ρ＝(Ap+As)/A (13)
式(12)中：σpc为受拉区体外预应力筋合力点高度处的混凝土法向压应力(N/mm2)，当预应力筋位于截面受拉边缘外时，可假设预应力筋合力点高度处有混凝土并按平截面假定计算；f′cu为施加预应力时既有结构混凝土立方体抗压强度(N/mm2)；ρ为受拉区预应力筋和非预应力筋的配筋率。
5)体外预应力筋的应力设计值(σpu)可按下式计算：
σpu＝σpe+Δσp (14)
式(14)中：σpe为有效预应力值(N/mm2)；Δσp为预应力增量，正截面受弯承载力计算时：对于简支受弯构件Δσp取为100N/mm2，连续、悬臂受弯构件Δσp取为50N/mm2；斜截面受承载力计算时：Δσp取为50N/mm2。
6)承载能力计算
实际上，在设计预应力值相同时，传统预应力法加固的混凝土梁截面弯矩承载力要比本发明加固混凝土梁的截面承载力大。这里没有考虑预应力损失。下面来看预应力损失：
本发明由于使用的是预应力螺纹钢筋，其预应力损失只有σl1、σl4和σl5；而传统体外预应力由于使用的是预应力钢绞线，而本发明由于螺纹和刚度的要求使用的是预应力螺纹钢筋，预应力损失值包括σl1、σl2、σl4和σl5，两者相差σl2且是主要损失，这导致传统体外预应力加固的混凝土梁截面弯矩承载力损失。由图4用无粘结预应力钢绞线，由式(8)、表2可知，k＝0.004，μ＝0.09，取式(8)中x＝4m，σcon＝fpy，可取θ＝45°则σl2＝0.08fpy，
设传统体外预应力加固后混凝土截面弯矩承载力为Mct,矩形截面受弯构件(图7)。其混凝土受压区高度应按下式确定：
α1fcbx＝fyAs-f′yA′s+(fpy-0.08fpy)·cosθ·Ap (15)
混凝土受压区高度(x)尚应符合下列条件：
x≤ξbh0 (16)
x≥2a′s (17)
正截面受弯承载力：
式(15)、(16)、(17)、(18)中：
M—弯矩设计值(N·mm)；
α1—系数，当混凝土强度等级不超过C50时取为1.0，当混凝土强度等级C80时取为0.94，其间按线性内插法确定；
As、A′s—既有结构受拉区、受压区纵向非预应力筋的截面面积(mm2)；
Ap—体外预应力筋的截面面积(mm2)；
x—等效矩形应力图形的混凝土受压区高度(mm)；
fpy—体外预应力筋预应力设计值(N/mm2)；
fc—既有结构混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2)；
fy、f′y—非预应力筋的抗拉、抗压强度设计值(N/mm2)；
b—矩形截面的宽度(mm)；
as—受拉区纵向非预应力筋合力点至受拉边缘的距离(mm)；
a′s—受压区纵向非预应力筋合力点至截面受压边缘的距离(mm)；
h0—受拉区纵向非预应力筋和体外预应力筋合力点至受压边缘的距离(mm)；
ξb—相对界限受压区高度，预应力加固时可取0.4；
hp—体外预应力筋合力点至截面受压区边缘的距离(mm)。
式(15)代入具体数据，得x＝136.72mm,x>ξbh0，可取x＝0.4h0＝100.8mm。代入式(18)可得：
Mct＝78857386.5N·mm。
在预应力筋中设计预应力相同的情况下，用本发明方法加固后，梁截面的抗弯承载力为Mbfm＝138410764.58N·mm。
4.本发明方法加固梁抗弯承载力与传统方法加固梁承载力比较。
两者相比，本发明方法较传统预应力加固法其抗弯承载力提高了
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