钢绞线体外预应力加固技术在门式刚架结构中的应用
摘 要：钢绞线体外预应力加固技术作为一种高效的主动加固方法，在此领域展现出显著优势。本文首先阐述了钢绞线体外预应力加固技术的原理与特点；其次，重点分析了该技术在门式刚架结构中的主要应用形式，如直线布索、折线布索及其适用场景；然后，详细论述了其设计要点、施工工艺流程及关键技术控制措施；最后，通过与传统加固方法的对比，总结了该技术的优越性，并展望了其应用前景。研究表明，钢绞线加固技术具有施工快捷、经济效益高、对原结构干扰小等突出优点，是门式刚架加固改造的理想选择。
关键词：门式刚架；加固改造；钢绞线；体外预应力；结构加固
随着我国工商业分布式光伏电站的迅猛发展，大量老旧门式刚架厂房已无法满足安装光伏电站的荷载需求，厂房加固势在必行。然而，而传统的加固方式（如增大截面、粘钢等）虽然有一定效果，但也存在诸多弊端，例如加固难度大、作业空间有限、施工周期长、加固成本高等缺点。相比之下，采用高强度钢绞线的体外预应力加固技术作为一种主动加固手段，能够高效地提高结构的承载力与刚度，近年来在门式刚架加固工程中得到了成功应用和快速发展。
2. 钢绞线体外预应力加固技术原理与特点
2.1加固原理：钢绞线加固的核心原理是体外预应力。通过在门式刚架（主要是梁柱）的关键部位（如梁的下翼缘、柱的外侧）布设高强钢绞线，并对其进行张拉，从而在结构中引入一个与原有荷载效应相反的预应力。
2.2受力特点：1）抵消荷载应力：张拉的钢绞线对刚架产生一个反向的弯矩或轴向压力，可以有效地抵消一部分由使用荷载（如吊车荷载、雪荷载、风荷载）在刚架中产生的拉应力和弯曲变形；2）提高刚度：预应力的存在使结构在承受荷载前就处于一个有利的应力状态，减少了在后续荷载作用下的实际应力水平和变形，从而提高了结构的整体刚度；3）改变内力分布：通过合理布置钢绞线，可以优化结构的内力分布，使材料性能得到更充分的利用。
3.主要应用形式
3.1 直线布索加固（用于提高抗弯承载力）
1）加固位置及方式：通常布置在刚架梁的下翼缘下方和刚架柱的外侧。
2）目的：这是最常见的形式，主要用于提高刚架梁在跨中的正弯矩承载力和刚架柱的抗弯能力。当刚架因吊车吨位加大或使用功能改变导致梁跨中下垂、柱顶侧移过大时，采用此方法效果显著。
3.2 折线布索加固（用于同时提高抗弯和抗剪承载力）
1）加固位置及方式：钢绞线在刚架梁上呈折线形布置，两端锚固在梁端或柱顶，中间通过转向块在梁的跨中下部或支座上部改变方向。
2）目的：折线布索产生的预应力效应既可以提供反向弯矩（抗弯），又能提供竖向分力（抗剪）。特别适用于既有抗弯不足又有抗剪隐患的刚架。
3.3 组合布索加固
1）加固位置及方式：根据刚架的实际损伤和内力分布，综合采用直线、折线等多种布索方式。
2）目的：实现对刚架内力最精确、最有效的调整。例如，在梁跨中下部布置直线索，同时在梁端上部布置短索，以同时改善跨中和支座区域的受力性能。
4.1 高效节能：属于主动加固，能大幅度提高结构的承载力和刚度，材料强度利用率高。
4.2占用空间小：加固构件主要在原有结构体外，不显著增大构件截面，对建筑使用空间影响小。
4.3施工便捷，工期短：主要作业是安装锚具、布索和张拉，无需大量体外作业（如粘钢、增大截面等），对原结构干扰小。
4.4经济效益好：综合材料、人工、工期和对生产的影响，总体成本往往低于传统方法。
4.5具有良好的二次加固性能：由于预应力钢绞线独立于原结构，其应力状态便于监测，未来如需二次加固或调整也相对容易。
5.1现场勘查与设计：对原结构进行检测鉴定，确定加固方案和预应力值，进行专项设计。
5.2定位放线：在刚架梁、柱上精确标出锚固端和转向块的位置。
5.3安装锚固端和转向块：采用高强螺栓或焊接等方式，将锚固支座和转向块牢固地安装在设计位置。
5.4铺设钢绞线：将高强度、低松弛的钢绞线穿过转向块，两端临时固定在锚具上。
5.5张拉钢绞线：使用专用千斤顶对钢绞线进行同步、分级张拉，直至达到设计控制的应力或伸长值。张拉顺序和力值控制是关键。
5.6锚固与防护：张拉完成后，锁定锚具，切除多余钢绞线，并对锚具和外露钢绞线进行防腐处理（如涂抹防腐油脂、加装PE套管或安装防腐罩壳）。
6.1锚固与转向节点的可靠性：这是整个加固体系的安全关键。节点必须能可靠地将巨大的预应力传递到原结构上，其设计和施工必须万无一失。
6.2预应力损失的控制：张拉完成后，由于锚具变形、钢绞线松弛、结构变形等因素会导致预应力损失。设计时必须充分考虑这些损失，并采取相应措施（如超张拉）予以补偿。
6.3对原结构的影响：预应力在提高主要构件承载力的同时，可能会对节点、檩条、支撑等次要构件产生不利影响。必须进行整体分析，确保所有部位的安全。
6.4防火与防腐：外露的钢绞线和锚具需要进行长期的防火和防腐保护，这是保证其耐久性的重要环节。
6.5专业施工队伍：此项技术专业性很强，必须由有经验和资质的专业队伍进行施工。
与增大截面法、粘钢法相比，钢绞线体外预应力加固技术在施工周期、对原功能影响、经济性等方面具有明显优势。下表为简要对比：
|
特性 |
钢绞线预应力加固 |
增大截面法 |
粘钢法 |
|
加固性质 |
主动加固 |
被动加固 |
被动加固 |
|
施工周期 |
短 |
长 |
较短 |
|
占用空间 |
几乎不占用 |
显著增大截面 |
占用少量空间 |
|
结构自重 |
增加极少 |
显著增加 |
增加较多 |
|
对原结构生产影响 |
小 |
大 |
较大 |
|
综合经济性 |
优 |
一般 |
中等 |
钢绞线体外预应力加固技术为解决门式刚架结构的加固难题提供了一条高效、经济的路径。其技术原理科学、施工工艺成熟，能够显著提升结构的承载力、刚度和抗疲劳性能，同时具备施工快捷、干扰小的突出优点。随着高强度材料、智能化张拉监测技术和长效防腐技术的发展，该技术的可靠性、耐久性和适用性将进一步提升。未来，该技术有望与BIM技术、结构健康监测系统更深度地融合，实现加固设计的精细化、施工的智能化和维护的精准化，在既有工业建筑改造领域发挥更为重要的作用。
供稿：嘉泽新能·智慧能源公司-张华成
编辑：孙艳梅
校对：刘蓉蓉
【参考文献】
[1] 王立峰、张海涛. 体外预应力技术在钢结构加固中的应用研究[J].工业建筑，2020, 50(S1): 550-554.
[2] 李承铭、刘西拉. 预应力钢绞线加固钢梁的受力性能试验研究[J]. 建筑结构学报， 2018, 39(05): 78-85.
[3] CECS 25:90钢结构加固技术规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 1990.
