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摘要：针对预应力梁端加腋区的混凝土保护层崩裂破坏的工程实例，介绍了破坏发生的背景和加固处理措施，对崩裂区的破损状态和破坏原因进行了分析，指出混凝土保护层崩裂破坏，其原因来自于加腋区弧段预应力束产生的水平侧向分力，该分力数值很大且在梁端混凝土中产生拉应力场，对重要构件的重要部位受力不利，应予以合理消除。为有针对性的消除这部分加腋产生的不利内力，文章在介绍几种构造措施的基础上，讨论分析了它们的优缺点，给出了建议采用的最优措施，为今后预应力梁端加腋区的混凝土保护层防崩裂破坏和改善梁端受力性能提供了参考。
关键词：预应力梁；水平加腋；崩裂；水平分力；封闭箍筋
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：
引言：在预应力梁的设计和施工中，为了方便穿束锚固和减小穿束造成的截面消弱，常在梁端节点处对预应力梁水平加腋，使得预应力束沿着柱外侧的梁腋穿过，避开梁柱钢筋密集和应力复杂集中的节点核心区。但由于加腋部位预应力束呈空间线型，在张拉后作用有数值很大的水平分力，如果对波纹管在加腋区域水平方向缺少针对性的约束，同时梁侧面的混凝土保护层厚度不足，那么该水平力将导致混凝土保护层崩裂。文章对一跨在张拉过程中崩裂破坏的预应力梁进行介绍和分析，为防止类似问题的重复发生提供参考。
1 发生破坏预应力梁的设计参数
某教学楼工程剧场屋面主梁采用后张有粘结式预应力梁，跨度为33.4m，梁截面为700×2000mm，梁两侧水平加腋宽度450mm，混凝土强度等级C40，配置2-8Фs15.2高强低松弛预应力钢绞线，fptk=1860MPa，预应力筋张拉控制应力σcon=0.75 fptk，采用金属波纹管留设孔道。预应力梁跨度小于35m，采用一端张拉，超张拉为5%，每束8根预应力钢绞线，张拉控制力为195.3KN/束。
2 崩裂区的破损状态分析
现场张拉至控制应力时，加腋区转角部位（见图1）发出噼啪声，现场查看发现混凝土保护层出现崩裂及局部剥落，逐立即停止张拉工作，经设计方查看现场后，决定先对已张拉的应力进行放张，放张后对整个加腋区域进行加固补强处理，最后重新张拉预应力束。
从图2中可以看出，崩裂混凝土经初步凿除清理后，破坏范围从加腋转角向两侧各约1.5m，转角局部混凝土保护层厚度不足4cm，梁侧箍筋对约束这样的水平分力作用非常有限，已向外鼓出。
从图3中可以看出，破坏核心区域上方的一根拉筋的弯钩已被从锐角拉开成钝角，无法再钩住箍筋，下方的一根拉筋被拉断，一方面显示水平分力数值很大，同时表明对于抵抗该部分水平分力，拉筋发挥了直接的约束作用。
为了对上述水平分力建立量化认识，将处理措施建立在受力分析的基础上，可以通过静力方法简单估算预应力束张拉应力的水平分量大小，对图1中加腋转弯区的预应力束弧线段进行截取，该束预应力筋张拉控制力为195.3T，根据图中和现场量测的几何尺寸关系，其水平分量：T水平=195.3×181/1153=30.7吨，约相当于8根Φ12的HRB335级钢筋的屈服拉力，同时T水平/ T总=16%，可见该分力的大小还是相当可观的，由于它在性质上属于加腋带来的不利内力，又作用在重要结构构件的重要部位，所以值得充分重视，并应采用妥善的构造措施以消除不利影响。
3 崩裂破坏的处理原则和处理方案
根据破坏发生的具体情况，考虑到该榀预应力梁跨度大、荷载作用大，属于重要结构构件，在加固补强时应本着万无一失的原则，同时应使梁截面面积在加固后增加尽可能的小，以减轻梁端自重和满足建筑观感要求，经综合考虑，最后选择在梁的双侧面全面植筋，其中沿波纹管两侧的植筋对弯后相互焊接，作为针对预应力筋的内圈箍筋，用以约束和抵消水平分力，同时围绕整个梁截面设置整体箍筋，以增强加腋节点区的整体性，按照上述的处理方案，现场的实施步骤如下：
3.1 检查梁底模下方的支撑脚手架，清理梁两侧楼板下方的脚手架钢管，以继续保持对放张后梁的支撑，同时形成加固补强的操作空间。
3.2 为使放张对已形成预应力的混凝土梁影响最小，对每束8根的预应力筋采用逐根放张的方法，考虑到崩裂变形使得预应力束中的张拉应力已经有所减小，所以对每根预应力钢绞线每级放张50%的应力，一束8根放完，再从第一根开始放张每根余下的50%应力，以满足构件使用功能安全和方便施工操作。
3.3 由于预应力钢绞线已经经历过一轮从设计应力到应力释放的循环，为保证原设计使用功能的可靠实现，应对原有预应力束进行更换，更换时应每次一根逐根进行，这样随着旧的一根抽出，新的一根预应力筋被拉入就位，从而实现顺利换束。
3.4 在张拉应力释放完成后，对加腋区梁侧面发生剥裂的混凝土保护层进行剔除，凿除的深度以达到密实、无裂纹的混凝土为准。现场实际凿除时，由于波纹管呈空间束型，在远离梁端的方向是从梁侧逐渐向梁宽的中心靠拢的，所以破损的深度不仅仅是发生在混凝土保护层，而是沿着波纹管越凿越深，由此可见该水平分力的大小和处理的不易。凿除清理完成后，由于波纹管已经挤压变形，为防止破损影响后续张拉预应力筋，将该区段波纹管截除，换用小直径波纹管套入两端进行连接，连接部位做妥善密封处理，以满足顺利张拉需要。
3.5 为沿梁截面形成整体箍筋，需要沿梁宽的两侧破除楼板（图4），以穿过和整体绑扎箍筋，同时破除预应力梁顶面的混凝土保护层至密实部位，并将表面打凿成深度不小于5mm，间距不大于200mm的浅槽，同时应除去浮渣、尘土，并将表面冲洗干净。
3.6 由于梁两侧的原有箍筋已经发生不同程度的屈服变形，不再能够使用，新建立的加固补强体系主要是靠植筋来形成的，所以植筋是整个加固方案的核心工序。植筋打孔时应避开原有的梁钢筋，以确保梁端的原设计部分不受损伤，植筋长度不小于15d（d为相应钢筋直径），且应配合结构胶使用，所有植筋使用的化学胶应采用进口胶（建议采用慧鱼牌），植筋应由具有专业植筋施工资质的单位进行施工，植筋工法按照化学胶产品说明书执行，同时按照《混凝土加固设计规范》对植筋质量进行检验。
3.7 后补区域采用高强混凝土进行灌浆浇筑，其强度等级高于原混凝土一至两个强度等级，在浇筑混凝土前，原混凝土表面应采用界面剂进行处理，保证新老混凝土的结合，后补区域的混凝土必须达到100%强度方可张拉，重新张拉时，由于已采取了针对性和整体性很强的加固措施，所以再次张拉时加腋区混凝土保护层一般不会再出现相同的崩裂问题。
4 崩裂破坏原因分析和防治建议
加腋处的梁侧混凝土保护层是否出现崩裂破坏主要和两个因素相关，分别是加腋处梁两侧预应力筋水平分力的大小和（U型、封闭等）专用构造箍筋、梁拉筋对上述水平分力约束的大小，根据这两方面的因素，可以总结成如下的经验教训和建议。
4.1 出现崩裂破坏的原因：由于崩裂部位相较一般的梁，多出了数值很大的水平分力，而该分力在梁类构件的设计中属于不利内力，它是导致破坏发生的根本原因，同时梁侧拉筋数量不足、混凝土保护层厚度不足等也是产生破坏的直接原因。
4.2 防止崩裂的的最优措施：在可以抵消该分力的因素中，梁箍筋和混凝土保护层对该水平分力所形成的约束作用非常有限，而拉筋、混凝土中的拉应力虽然可以起到消除作用，但面对数值这样大的不利内力，更应设置专用构造钢筋，以彻底消除该水平分力而不影响梁端其他部分的使用工况。从图3可以看出，设置拉筋是很有效也是很简便的措施，但同时应注意到，拉筋是一般梁内都有的构造配筋，它有自身的功能和作用，用拉筋来抵消数值很大的水平分力，功能上显得勉强，根据图集06SG429中提供的防崩裂U型钢筋和封闭箍筋措施，均可有针对性的对预应力束水平分量有效约束，但开口U型筋的约束原理是通过钢筋锚固将向梁外侧的水平分力，反方向转化为向梁内侧的U型钢筋拉力，而U型筋拉力的形成最终将由混凝土拉应力提供，所以这种方法无法避免混凝土中出现拉应力场，而混凝土受拉，这在材料的工作原理上是不利的。所以相比較而言解决彻底的是采用封闭箍，将不利的水平分力全部转化为钢筋拉应力，完全由封闭箍筋予以解决，使得加腋部位的应力分布与设计相符，同时设置封闭箍筋所增加的材料和人工成本都很小，施工现场操作方便，所以是值得推荐采用的方法。
4.3 关于预应力束型到梁侧边的距离控制：尽管设计阶段非常重要，但直接导致问题出现的却往往是在施工阶段，在预应力梁的波纹管埋设过程中，束型的竖向走势一般较好控制，现场可以焊接水平钢筋，以便一级级的架高波纹管，架高的间距一般控制在800-1500mm。关键是加腋部位的水平转弯如何定位，施工队放样使用的常是二次深化图纸，设计方如果不对该问题特别重视，一般只会根据CAD图中的弧线命令拉出转弯，这是一个示意图，而不是可供精确放样的束型定位图，施工班组依据这样的图纸放样，加腋部位的混凝土保护层厚度常会非常小。所以建议设计方在结构图中，针对这一区段给出波纹管敷设的具体到边值，控制好波纹管到梁侧面的距离，以明确具体要求，增强可操作性。
4.4 关于加腋区段预应力束型的设计：梁的加腋宽度越宽、沿着梁轴线方向加腋区长度越短，波纹管敷设的转弯曲率就越大，产生的水平分力就越大，所以加腋区水平束型的设计原则是，让预应力筋能够从柱侧穿过，锚固在与柱垂直的梁上，并使预应力筋尽量靠近柱侧，使得水平加腋宽度较小，同时适当拉长加腋长度，避免加腋处转弯过急而增加弧线束型的水平分力。
5 结 语
大跨度预应力梁的加腋部位紧邻梁柱节点，多种数值巨大的内力在此交汇，且有预应力锚固的局部压应力存在，应力值高且状态复杂，钢筋密集，属于重要结构构件的重要部位，因此在该部位合理消除数值较大的不利内力是十分必要的。在不同的消除措施中，采用封闭箍筋的方法利用钢筋受拉来抵消上述不利分力，是最优的方法，而其他措施不可避免的利用梁端混凝土的拉应力场来抵消上述不利内力，设计和施工中应尽量予以避免。
参考文献：
吕志涛.现代预应力结构体系与设计方法.凤凰出版传媒集团，2010.
过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析.清华大学出版社，2003.
06SG429后张预应力混凝土结构施工图表示方法及构造详图.中国计划出版社，2006.
洪健，巢斯，孙海.水平加腋预应力混凝土梁设计方法的探讨.有色金属设计.2006.
关键词：预应力梁；水平加腋；崩裂；水平分力；封闭箍筋
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：
引言：在预应力梁的设计和施工中，为了方便穿束锚固和减小穿束造成的截面消弱，常在梁端节点处对预应力梁水平加腋，使得预应力束沿着柱外侧的梁腋穿过，避开梁柱钢筋密集和应力复杂集中的节点核心区。但由于加腋部位预应力束呈空间线型，在张拉后作用有数值很大的水平分力，如果对波纹管在加腋区域水平方向缺少针对性的约束，同时梁侧面的混凝土保护层厚度不足，那么该水平力将导致混凝土保护层崩裂。文章对一跨在张拉过程中崩裂破坏的预应力梁进行介绍和分析，为防止类似问题的重复发生提供参考。
1 发生破坏预应力梁的设计参数
某教学楼工程剧场屋面主梁采用后张有粘结式预应力梁，跨度为33.4m，梁截面为700×2000mm，梁两侧水平加腋宽度450mm，混凝土强度等级C40，配置2-8Фs15.2高强低松弛预应力钢绞线，fptk=1860MPa，预应力筋张拉控制应力σcon=0.75 fptk，采用金属波纹管留设孔道。预应力梁跨度小于35m，采用一端张拉，超张拉为5%，每束8根预应力钢绞线，张拉控制力为195.3KN/束。
2 崩裂区的破损状态分析
现场张拉至控制应力时，加腋区转角部位（见图1）发出噼啪声，现场查看发现混凝土保护层出现崩裂及局部剥落，逐立即停止张拉工作，经设计方查看现场后，决定先对已张拉的应力进行放张，放张后对整个加腋区域进行加固补强处理，最后重新张拉预应力束。
从图2中可以看出，崩裂混凝土经初步凿除清理后，破坏范围从加腋转角向两侧各约1.5m，转角局部混凝土保护层厚度不足4cm，梁侧箍筋对约束这样的水平分力作用非常有限，已向外鼓出。
从图3中可以看出，破坏核心区域上方的一根拉筋的弯钩已被从锐角拉开成钝角，无法再钩住箍筋，下方的一根拉筋被拉断，一方面显示水平分力数值很大，同时表明对于抵抗该部分水平分力，拉筋发挥了直接的约束作用。
为了对上述水平分力建立量化认识，将处理措施建立在受力分析的基础上，可以通过静力方法简单估算预应力束张拉应力的水平分量大小，对图1中加腋转弯区的预应力束弧线段进行截取，该束预应力筋张拉控制力为195.3T，根据图中和现场量测的几何尺寸关系，其水平分量：T水平=195.3×181/1153=30.7吨，约相当于8根Φ12的HRB335级钢筋的屈服拉力，同时T水平/ T总=16%，可见该分力的大小还是相当可观的，由于它在性质上属于加腋带来的不利内力，又作用在重要结构构件的重要部位，所以值得充分重视，并应采用妥善的构造措施以消除不利影响。
3 崩裂破坏的处理原则和处理方案
根据破坏发生的具体情况，考虑到该榀预应力梁跨度大、荷载作用大，属于重要结构构件，在加固补强时应本着万无一失的原则，同时应使梁截面面积在加固后增加尽可能的小，以减轻梁端自重和满足建筑观感要求，经综合考虑，最后选择在梁的双侧面全面植筋，其中沿波纹管两侧的植筋对弯后相互焊接，作为针对预应力筋的内圈箍筋，用以约束和抵消水平分力，同时围绕整个梁截面设置整体箍筋，以增强加腋节点区的整体性，按照上述的处理方案，现场的实施步骤如下：
3.1 检查梁底模下方的支撑脚手架，清理梁两侧楼板下方的脚手架钢管，以继续保持对放张后梁的支撑，同时形成加固补强的操作空间。
3.2 为使放张对已形成预应力的混凝土梁影响最小，对每束8根的预应力筋采用逐根放张的方法，考虑到崩裂变形使得预应力束中的张拉应力已经有所减小，所以对每根预应力钢绞线每级放张50%的应力，一束8根放完，再从第一根开始放张每根余下的50%应力，以满足构件使用功能安全和方便施工操作。
3.3 由于预应力钢绞线已经经历过一轮从设计应力到应力释放的循环，为保证原设计使用功能的可靠实现，应对原有预应力束进行更换，更换时应每次一根逐根进行，这样随着旧的一根抽出，新的一根预应力筋被拉入就位，从而实现顺利换束。
3.4 在张拉应力释放完成后，对加腋区梁侧面发生剥裂的混凝土保护层进行剔除，凿除的深度以达到密实、无裂纹的混凝土为准。现场实际凿除时，由于波纹管呈空间束型，在远离梁端的方向是从梁侧逐渐向梁宽的中心靠拢的，所以破损的深度不仅仅是发生在混凝土保护层，而是沿着波纹管越凿越深，由此可见该水平分力的大小和处理的不易。凿除清理完成后，由于波纹管已经挤压变形，为防止破损影响后续张拉预应力筋，将该区段波纹管截除，换用小直径波纹管套入两端进行连接，连接部位做妥善密封处理，以满足顺利张拉需要。
3.5 为沿梁截面形成整体箍筋，需要沿梁宽的两侧破除楼板（图4），以穿过和整体绑扎箍筋，同时破除预应力梁顶面的混凝土保护层至密实部位，并将表面打凿成深度不小于5mm，间距不大于200mm的浅槽，同时应除去浮渣、尘土，并将表面冲洗干净。
3.6 由于梁两侧的原有箍筋已经发生不同程度的屈服变形，不再能够使用，新建立的加固补强体系主要是靠植筋来形成的，所以植筋是整个加固方案的核心工序。植筋打孔时应避开原有的梁钢筋，以确保梁端的原设计部分不受损伤，植筋长度不小于15d（d为相应钢筋直径），且应配合结构胶使用，所有植筋使用的化学胶应采用进口胶（建议采用慧鱼牌），植筋应由具有专业植筋施工资质的单位进行施工，植筋工法按照化学胶产品说明书执行，同时按照《混凝土加固设计规范》对植筋质量进行检验。
3.7 后补区域采用高强混凝土进行灌浆浇筑，其强度等级高于原混凝土一至两个强度等级，在浇筑混凝土前，原混凝土表面应采用界面剂进行处理，保证新老混凝土的结合，后补区域的混凝土必须达到100%强度方可张拉，重新张拉时，由于已采取了针对性和整体性很强的加固措施，所以再次张拉时加腋区混凝土保护层一般不会再出现相同的崩裂问题。
4 崩裂破坏原因分析和防治建议
加腋处的梁侧混凝土保护层是否出现崩裂破坏主要和两个因素相关，分别是加腋处梁两侧预应力筋水平分力的大小和（U型、封闭等）专用构造箍筋、梁拉筋对上述水平分力约束的大小，根据这两方面的因素，可以总结成如下的经验教训和建议。
4.1 出现崩裂破坏的原因：由于崩裂部位相较一般的梁，多出了数值很大的水平分力，而该分力在梁类构件的设计中属于不利内力，它是导致破坏发生的根本原因，同时梁侧拉筋数量不足、混凝土保护层厚度不足等也是产生破坏的直接原因。
4.2 防止崩裂的的最优措施：在可以抵消该分力的因素中，梁箍筋和混凝土保护层对该水平分力所形成的约束作用非常有限，而拉筋、混凝土中的拉应力虽然可以起到消除作用，但面对数值这样大的不利内力，更应设置专用构造钢筋，以彻底消除该水平分力而不影响梁端其他部分的使用工况。从图3可以看出，设置拉筋是很有效也是很简便的措施，但同时应注意到，拉筋是一般梁内都有的构造配筋，它有自身的功能和作用，用拉筋来抵消数值很大的水平分力，功能上显得勉强，根据图集06SG429中提供的防崩裂U型钢筋和封闭箍筋措施，均可有针对性的对预应力束水平分量有效约束，但开口U型筋的约束原理是通过钢筋锚固将向梁外侧的水平分力，反方向转化为向梁内侧的U型钢筋拉力，而U型筋拉力的形成最终将由混凝土拉应力提供，所以这种方法无法避免混凝土中出现拉应力场，而混凝土受拉，这在材料的工作原理上是不利的。所以相比較而言解决彻底的是采用封闭箍，将不利的水平分力全部转化为钢筋拉应力，完全由封闭箍筋予以解决，使得加腋部位的应力分布与设计相符，同时设置封闭箍筋所增加的材料和人工成本都很小，施工现场操作方便，所以是值得推荐采用的方法。
4.3 关于预应力束型到梁侧边的距离控制：尽管设计阶段非常重要，但直接导致问题出现的却往往是在施工阶段，在预应力梁的波纹管埋设过程中，束型的竖向走势一般较好控制，现场可以焊接水平钢筋，以便一级级的架高波纹管，架高的间距一般控制在800-1500mm。关键是加腋部位的水平转弯如何定位，施工队放样使用的常是二次深化图纸，设计方如果不对该问题特别重视，一般只会根据CAD图中的弧线命令拉出转弯，这是一个示意图，而不是可供精确放样的束型定位图，施工班组依据这样的图纸放样，加腋部位的混凝土保护层厚度常会非常小。所以建议设计方在结构图中，针对这一区段给出波纹管敷设的具体到边值，控制好波纹管到梁侧面的距离，以明确具体要求，增强可操作性。
4.4 关于加腋区段预应力束型的设计：梁的加腋宽度越宽、沿着梁轴线方向加腋区长度越短，波纹管敷设的转弯曲率就越大，产生的水平分力就越大，所以加腋区水平束型的设计原则是，让预应力筋能够从柱侧穿过，锚固在与柱垂直的梁上，并使预应力筋尽量靠近柱侧，使得水平加腋宽度较小，同时适当拉长加腋长度，避免加腋处转弯过急而增加弧线束型的水平分力。
5 结 语
大跨度预应力梁的加腋部位紧邻梁柱节点，多种数值巨大的内力在此交汇，且有预应力锚固的局部压应力存在，应力值高且状态复杂，钢筋密集，属于重要结构构件的重要部位，因此在该部位合理消除数值较大的不利内力是十分必要的。在不同的消除措施中，采用封闭箍筋的方法利用钢筋受拉来抵消上述不利分力，是最优的方法，而其他措施不可避免的利用梁端混凝土的拉应力场来抵消上述不利内力，设计和施工中应尽量予以避免。
参考文献：
吕志涛.现代预应力结构体系与设计方法.凤凰出版传媒集团，2010.
过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析.清华大学出版社，2003.
06SG429后张预应力混凝土结构施工图表示方法及构造详图.中国计划出版社，2006.
洪健，巢斯，孙海.水平加腋预应力混凝土梁设计方法的探讨.有色金属设计.2006.