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1、第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年混凝土框架结构的预应力拆除技术张国辉( 东南大学土木学院，南京2 1 0 0 9 6 )张继文( 东南大学土木学院，南京2 1 0 0 9 6 )提要：本文探讨用预应力技术拆除混凝土框架结构的原理与方法。重点分析了预应力拆除方法相对于其它拆除方法的优势及其特点，并采用A N S Y S 分析软件计算了一榀典型的混凝土框架结构，分析计算结果表明，采用预应力技术拆除混凝土框架结构是可行的和有效的。关键词：预应力；拆除；框架；混凝土；倒塌1 、概述随着我国经济建设的高速度发展及城市改扩建工程的大规模实施，我国的城市建筑物拆除及相关技术均得
2、到了飞速的发展。现在较常用的拆除方法主要有人力拆除、机械拆除和动力爆破拆除，这几种方法均有其各自的长处及不足。预应力拆除技术是指应用施加体外预应力的方法来破坏结构中的某个或某些主要承重构件，以使整个建筑物或建筑物中一部分结构发生定向倒塌，是一种静力拆除建筑物的方法。与传统的拆除方法即人力拆除、机械拆除和动力爆破拆除相比，预应力拆除技术有其自身的优势，具有拆除快速、省时、省力、安全可靠、远程控制、定向倒塌的优点。与爆破拆除技术相比，具有安全度更高、飞石危害小、无爆破震动、粉尘少的优点。因此，在当前城市生态环境不断改进、环保意识不断增强的形势下，发展预应力拆除技术具有重要的现实意义。在运用预应力技
3、术拆除框架时，具体的步骤一般包括：首先，对结构中一些控制截面进行预处理，即对主要受力构件的控制截面有选择地削弱，如用气割或机械切割的方法切断部分钢筋( 在对主要受力构件的控制截面削弱之前，要对削弱后的结构进行受力分析，以保证结构在进行预处理的过程中是安全的) 。然后，安装施加预应力所需的相关设备。最后，施加预拉力折断结构中的某个或某些柱，从而引发结构构件相继连续垮塌。下面结合一个实例阐述用预应力技术拆除混凝土框架结构的方法与特点。2 、实例分析张国辉，男，1 9 8 0 9 出生，硕士研究生5 7 l 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年2 1 实例概况本次分析计算的
4、对象是一个横向两跨、纵向五跨的一层混凝土框架结构，其平面图如图l 所示。此框架在两个方向上的跨度均为6 米，层高3 米，柱子的截面尺寸均为3 0 0 m m 3 0 0 m m ，梁的截面尺寸均为2 5 0 m m 5 0 0 m m ，框架所用的混凝土强度等级为c2 0 ，钢筋为Q 3 3 5 ，楼板为厚度1 2 0 m m 的预制板，沿纵向铺设，结构中填充墙厚度为2 4 0 m m ，活荷载标准值取3 k N m 2 。从中取出框架进行分析计算，框架横梁线荷载为3 0 k N m ，其计算简图如图2 所示。E n n n6 n n nE n n nn n nn n nCoC让CC ，曼Cr
5、 。五n 一Coc、DE n n n毛n n n邑n n nn n n n n n 3 0 0 0 0f hDlbn一图1 所计算框架结构的平面图图2 框架的计算简图2 2 预应力拆除机理分析本例中期望实现中柱先破坏，而后框架梁在施加预应力过程中由两跨转换成一跨，内力突增而破坏，最终形成整榀框架结构向内垮塌的倒塌模式。采用以预应力牵拉中柱的方式来引发这一榀框架的连续倒塌。在预处理阶段，先切断结构构件在倒塌过程中一些控制截面的受拉区钢筋，下图中短划线的地方便是为削弱截面而选择的些钢筋切断点；然后，在中柱的柱顶处添加水平支撑以防止结构的侧向倾倒。最后，在中柱的中间施加预加力T ，5 7 2 1 I
6、 J 量1 j第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年折断中柱，使结构倒塌。桂顶截面 主筋切断柱底截面 主筋切断粱端截面B 主筋切断P 一b 阳j J I ，j J T虻图3 框架中钢筋切断点截面位置分布根据分析，在施加预加力T 的过程中中柱的弯矩图如图4 所示，三个钢筋切断点A 、B 、C 处将首先出现横向裂缝并不断扩展，随着中柱的变形增大，中柱被折成上下两段，并且柱顶处将会产生向上的位移6 ，如图6 所示。取中柱的上半段为隔离体进行受力分析，如图5 所示，若假定中柱内斜向压力为F s ，F s 与T 作用方向间的夹角为a ，由节点A 的力平衡条件可得：丁= 2 只C
7、O S a( 1 )由式( 1 ) 可见，影响预加力T 值大小的因素主要有两个：其一为中柱柱顶的竖向位移值，由于框架梁及两侧边柱的约束作用，中柱柱顶竖向向上的位移越大，柱顶对中柱的压力F s 就越大，相应地也就会要求有越大的拉力T 来与之相平衡；其二为中柱柱中沿T方向的水平位移值，随着柱中水平位移的增加，此半柱的上部压力合力点与下部压力合力点连线与水平方向的夹角口增大，当压力F s 大小不变的情况下所需与之平衡的拉力值T将减小。这两个因素对拉力大小的影响是相对立的，其综合影响使得所需拉力值在结构垮塌之前并不是一直增大的，而是会有一个峰值T p ，经过这个峰值T p 后所需拉力值T 将减小。当倪
8、9 0 。时，框架结构倒塌机制形成，拉力T 迅速降为零，结构在自重和外荷载作用下发生突然垮塌。在施加预拉力T 直至结构倒塌的整个过程中，结构依次出现的倒塌形态如图6 至图8 所示。B- - N 弋、d7L ，TF s图4 预加力T 作用下中柱的弯矩图图5 中柱上半段隔离体图5 7 3 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年图6 施加预应力达到T ，时框架结构的变形图7 框架中柱梁柱节点向下位移6 = 0 时的框架变形图图8 框架倒塌后变形图以上的框架结构倒塌形态图仅为示意图。2 3 结构倒塌的有限元模拟计算用A N S Y S 8 0 软件对上述混凝土框架结构进行分析计
9、算。计算的全过程及其中具体的数据处理限于篇幅在此不再一一列出，仅给出最后的分析结果。计算得出，当施加的预拉力T 值达到2 1 6 k N 的时候，中柱柱中A 点处最大节点水平位移达到2 6 9 m m 。结构的裂缝分布及钢筋应力云图详见图9 、图1 0 ，由钢筋的应力云图可以看出，中柱受压区的钢筋应力已达屈服。由裂缝分布图可以看出，中柱的受压区高度已经非常小，仅有最外层的单元没有开裂。其中压应力最小的单元应力值已经达到了1 6 7 M P a ，该值超过了混凝土的抗压强度，由此可推断此处的混凝土已经压碎，中柱中部折点截面已经破坏，此时的拉力5 7 4 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论
10、文2 0 0 5 年T = 2 1 6 k N 便是前面分析中所说的预拉力的峰值T p 。此后，促使结构继续破坏所需的拉力值将小于T p 。图9 结构中裂缝分布图图1 0 结构中钢筋应力分布云图继续张拉预应力至倪I 9 0 。，中柱完全丧失承载力之后，框架梁由原来的跨度6 m 瞬间变为跨度1 2 m ，跨中的弯矩急剧增加。经验算，此时结构在其自重及原有荷载作用下已不能维持，结构将形成预期的倒塌机制。3 、结语应用预应力来拆除建筑物的技术与传统的拆除技术相比还处于起步阶段，在很多方面还有待于研究，尚不完善。本文是在吕志涛院士提出并申请的国家发明专利：“钢筋砼及砌体结构房屋预应力拆除法”( 专利号
11、：9 8 1 1 1 5 0 0 4 ) 的基础上初次进行的深入理论分析研究，要将此技术应用于实际的混凝土框架结构还需开展更为全面的研究工作。在拆除结构之前，一定要注意做好全过程的结构受力计算，特别是预处理阶段的计算，需要时可借助有限元的计算方法，掌握结构在拆除过程中内力和变形的变化；在施工过程中应进行跟踪监测、远程控制，以达到安全、快速、有效、定向的拆除效果。本文所述预应力拆除技术作为一种新兴的应用技术尽管还有诸多不足，但它因其自身的一些优点，相信在不久的将来，随着该项技术的不断发展与成熟，将会具有广阔的应用前景。5 7 5 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年参考文献： 1 汪浩，郑炳旭拆除爆破综合技术 J 工程爆破，2 0 0 3 第9 卷( 第1 期) 2 蓝宗建混凝土结构设计原理 M 南京：东南大学出版社：2 0 0 2 3 吕志涛，孟少平现代预应力设计 M 南京：中国建筑工业出版社：1 9 9 8 4 宋勇，艾宴清，梁波等精通A N S Y S 7 0 有限元分析 M 北京：清华大学出版社：2 0 0 3 5 中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) F s 中国建筑工业出版社2 0 0 25 7 6
