1-9--非金属材料预应力筋张拉施工工法

热烈祝贺2014年公路工程工法经验交流会胜利召开广东长宏公路工程有限公司华中科技大学江西赣东路桥建设集团有限公司二○一四年三月华中科技大学郑文衡2014年3月25日非金属材料预应力筋张拉施工工法目录1.工法产生背景2.工法特点3.工艺原理4.关键技术创新点与操作要点5.工程应用情况6.社会经济效益1、工法产生背景1.1工程背景宜昌宜巴公路秭归境内松树坳大桥全长114.04m，桥梁上部采用5跨20m预应力简支空心板，其中四跨为装配式预应力钢筋砼空心板；第一跨为20m预应力CFRP筋混凝土空心板，采用CFRP材料配筋，按照碳纤维CFRP预应力束、GFRP锚具设计及施工.1、工法产生背景1.2.1该工法依托课题背景本工法依托课题是广东长宏公路工程有限公司和华中科技大学联合申报的“非金属材料预应力筋张拉工艺技术研究”课题，该课题是广东省交通运输厅2009年度科技项目，编号2009-02-18。课题成果鉴定证书编号粤交科鉴字【2012】35号。1.2技术背景1、工法产生背景1.2技术背景1.2.2依托课题研究内容及目的从非金属材料（CFRP)预应力筋及其锚固体系研究出发，形成一套完全非金属锚固体系完整的计算理论、工艺技术，解决非金属锚具应用中所面临的一些问题，使其从研究走向实际工程应用。将常规钢绞线预应力筋用非金属材料预应力筋束替代，在归纳总结国外、国内研究成果和的工程实践的基础上，根据目前国内外非金属材料锚固系统的研究和发展动态，以实际应用为目标，以理论与实践相结合，形成完全非金属锚固系统及非金属材料预应力筋专用张拉工具来施工的张拉施工工艺。1、工法产生背景1.3技术水平2012年11月20日该工法的关键技术在广东省交通运输厅组织的成果鉴定会上顺利通过，鉴定结论是“整体达到国际先进水平，其中GFRP夹片式锚具达到国际领先水平”。2013年11月“非金属材料预应力筋张拉工艺技术研究”获得中国公路建设行业协会组织评审的“科技创新成果一等奖”。1、工法产生背景1.3技术水平1、发明专利2011年8月获得专利“具有自监测功能的复合材料智能锚具及其制备方法”,编号：中国201010183250.51、工法产生背景1.3技术水平2、实用新型专利2010年12月获得专利“一种具有自监测功能的复合材料智能锚具”，编号：中国201020202991.91、工法产生背景1.3技术水平3、实用新型专利2010年10月获得专利“一种FRP制筋材锚具”，编号：中国200920289624.42、工法特点2.1质量、安全质量控制要求执行国内相关行业规范标准，主要包括现行《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）及《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB50608-2010）相关规程。每片梁断丝及滑丝数量不得超过预应力筋总丝数的1%，并不得位于梁体的同一侧，且一束内断丝不得超过一丝。否则，放松换束。采用本工法，可确保非金属预应力体系张拉施工质量，且能有效提高预应力结构的耐久性和可靠度。2、工法特点2.1质量、安全张拉作业区，应设置明显的警告标志，无关人员，严禁入内；张拉前检查张拉设备工具(如千斤顶、油泵、压力表、油管、顶楔器及液控顶压阀、专用空心支架等)是否符合施工安全的要求，压力表应按规定周期进行检定；锚具安装时，夹片的选择应保证与筋束螺纹是同一规格；由于筋束固化段外螺纹有两条平行压模缝，夹片安装时应使两条压模缝在两夹片的安装缝隙之间；张拉时作业人员不得站在千斤顶及锚固段正后方，张拉完成后应按规定及时压浆、封锚。采用非金属材料预应力筋张拉施工工法施工安全，风险小。2、工法特点2.1质量、安全2、工法特点2.2工期、进度非金属筋材重量轻，人工搬运、穿索、张拉等均比较方便，与钢绞线比较可以加快进度、节省工期。2、工法特点2.3经济效益碳纤维筋材，比重1.65-1.9，强度是钢绞线2倍左右，价格方面约15元/kg；钢绞线的比重7.8，一般采用设计强度用到1395MPa，价格大部分在6到9元/kg之间；按等重量等强度计算，本工法明显比钢绞线工法节约成本；后期营运及养护费用也节省；而且钢材寿命在40到60年之间，碳纤维的寿命可达100-120年，因此非金属预应力筋张拉施工工法总体经济优势显而易见。3、工艺原理本工法工艺原理与其它普通钢绞线预应力筋施工工法基本相同，主要的区别是预应力筋材制作（非金属材料预应力筋目前只能在工厂内下料、编束及端部处理）、编束（含端部处理）、张拉工具(采用专用支架)、过程控制等有根本的区别。3、工艺原理3.1非金属锚具由静力平衡得到：sin()NFcos()NR为保证锚固可靠，发挥锚夹具锚固夹持预应力筋的作用，夹片与预应力筋间的摩擦力应大于或等于P，以使预应力筋不产生滑动，即：tanRF锚环夹片筋αβNRαyx由以上式子连立可得到：时，锚具可以自锚。注:为夹片和预应力筋之间等效摩擦角。经分析，在影响非金属材料夹片式锚具锚固性能的因素中，锚环内壁倾角、锚环长度、夹片倾角与锚环内壁倾角差值这三个因素是影响非金属预应力体系锚固效率的最主要因素。3、工艺原理3.1非金属锚具3、工艺原理•锚具内壁倾角影响因素分析结果较大的倾角有利于减少纤维筋的滑移，而且可以减小纤维筋对夹片和锚环的轴向应力。考虑到锚具的自锚性能，经理论计算及大量试验获得结论：采用6°的倾角较为合理。软化区概念图角度差异概念图•锚具的锚固长度影响结果GFRP锚具的锚固长度对锚固系统有很大影响，锚固的长度越长(即接触长度越长)，能够减少锚固系统中各个部件的应力和位移。如果在可能的情况下，可以通过增加锚环和夹片的长度来增加锚具锚固的长度，从而提高锚固的效率。3、工艺原理•夹片与锚环的锥角差的影响分析结果锚环锥角和夹片锥角之间合适的角度差异可以减少锚具部件中的应力峰值，使夹片受到的横向挤压力变得均匀，减少了对GFRP筋的径向挤压损伤，一般夹片倾角大于锚环倾角0.10～0.20，可以达到较好的效果。3、工艺原理3、工艺原理3.2CFRP预应力束预应力束采用19根6mmCFRP筋，端部用环氧树脂压模制成螺纹状。4、关键技术创新点与施工工艺操作要点4.1关键技术创新点4.1.1研发了用于预应力混凝土结构的高强度CFRP筋和预应力平行CFRP束单根CFRP筋直径为6mm，单筋强度超过3000Mpa（单筋强度已达国际领先水平），并用19根6mm的CFRP筋组成预应力平行CFRP束，在两端用自行研发的环氧树脂配方压模形成与夹片内螺纹相对应的螺纹状。最终形成的CFRP预应力束形式在国内外都属首创。4.1.2研发了GFRP制锚具(ZL200920289624.4)，并对其参数进行了优化设计GFRP制锚具设计时对最佳锥角和角度差的概念在结合已有国内外研究成果的基础上进行了深入研究，经过理论研究、仿真模拟和试验研究提出了夹片最佳锥角为6°，以及0.1°的锥角差，有效的解决了大吨位张拉力作用下GFRP夹片局部应力集中问题。4、关键技术创新点与操作要点4.1关键技术创新点4、关键技术创新点与操作要点4.1关键技术创新点4.1.3锚固系统采用完全非金属材料（不含金属材质）整套锚固张拉系统包括：锚环、夹片和预应力束。锚环和夹片均采用GFRP材料，预应力筋采用CFRP材料，预应力束两端的螺纹采用环氧树脂压模形成。整套锚固系统完全采用非金属材料，不含金属材质，从根本上解决了金属材质在使用阶段易生锈导致承载能力和使用性能降低的弱点，在国内外都属首创。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.1施工工艺流程工厂内据设计长度非金属处理预应力筋下料、编束、处理端部穿束安装工作锚安装限位板张拉油缸回油，工具锚松脱关闭油泵、张拉千斤顶油缸全部复位安装专用工具（特制支架）安装千斤顶、工具锚等至σcon（量测伸长值）锚固（持荷5min）油泵配套安装初张拉（量测伸长值）依次卸下工具锚、千斤顶、专用支架等孔道压浆封锚清理修正管口检查砼强度4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.2原材料要求非金属材料预应力筋可采用CFRP筋或GFRP筋，但从下表参数可以看出，CFRP筋更具有优势。本工法依托工程预应力筋材采用的是CFRP筋，锚夹具采用GFRP材料，该桥CFRP预应力筋由19根直径6mm的CFRP筋平行编束而成，锚固段、张拉段及工作段经环氧树脂固化成外径为35mm的螺纹状，其它部位用塑料拴扣紧。具体参数见下表。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.2原材料进场项目GFRP筋CFRP筋抗拉强度标准值（MPa）7002700抗拉强度设计值（MPa）3571753抗压强度设计值（MPa）100弹性模量（MPa）45000160000热膨胀系数0.0000110.000011FRP筋力学指标表4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.2原材料进场非金属锚具、夹片根据设计方案委托有资质的厂家制作非金属锚夹具系统，进场后按相关规范及设计要求进行外观、硬度、静载锚固性能等验收。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.3预应力体系安装1、波纹管、锚垫板安装与普通钢绞线预应力体系同，注意锚下垫板必须与预应力束垂直放置，垫板中心应对准管道中心。2、预应力筋下料及编束非金属材料预应力筋束端部必须采用环氧树脂进行特殊处理，目前非金属材料预应力筋束需要在专业工厂内根据每束设计长度再加上施工工具长度进行下料、编束、端部处理等，下料时要对筋材做好保护措施，有被污染的要将污染物清理干净后才能使用。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.3预应力体系安装预应力筋根据设计长度并预留足够工作长度下料，下料时采用砂轮锯切割，严禁用氧气或电焊切割。CFRP预应力筋由19根直径6mm的CFRP筋平行编束而成，锚固段、张拉段及工具段经环氧树脂固化成外径为35mm螺纹状，与设计锚具配合锚固，中间段每1m用塑料拴扣紧。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.4预应力筋穿索穿束前将锚垫板孔口及喇叭管内的混凝土浆碴清除干净。中长束可人工传束，长束穿索时采用5t卷扬机进行穿束作业。将卷扬机钢丝绳套在预应力筋束前端，人工将筋材端头抬高并放入管道口内，开动卷扬机，使筋材缓缓进入孔道内，避免筋材扭曲，如发生个别筋材顶弯，将其更换后再穿束。筋束顺直，不得有死弯，不得沾有油渍。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.5安装锚具、夹片锚具安装前先进行清孔、吹孔，使孔内清洁无杂物，并且量一下两端头悬出的筋束长度是否一样长，坚决避免出现一头长一头短和同束筋材长短差别过大的情况。然后再安装锚杯，锚杯一定要安装在锚板的限位槽内，并用套筒将夹片打紧，使锚杯不脱离限位槽为原则。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.6安装千斤顶由于非金属预应力体系的特殊性，根据实际需要设计了专门的传力支架。采用三角支架或特制的吊装支架配合手拉葫芦吊装千斤顶，人工定位。千斤顶定位时，要使千斤顶轴线、锚杯轴线、传力筒以及预留孔道四轴线同心，张拉开始后当千斤顶开始受力后将吊千斤顶的吊链放松。然后检查千斤顶活塞顶部是否全部套进锚垫板定位凹槽内，必须确保千斤顶顶部全部套在锚垫板凹槽内。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉1、张拉方式：根据桥梁预制梁的设计分别采用单端或两端分次张拉。预应力张拉采用双控措施，两端张拉过程应保持两端的伸长量基本一致。预制梁张拉前将内模松开。预应力张拉应按预张拉、初张拉和终张拉三个阶段进行。终张拉应在梁体混凝土强度及弹模达到设计值后、龄期不少于10天时进行。2、千斤顶：根据设计筋束设计控制应力选择合适的千斤顶，一般额定吨位大于设计控制应力的两倍以上。4、关键技术创新点与操作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉3、张拉控制应力根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB50608-2010）第6.1.4条规定，CFRP预应力筋的张拉控制应力下限值为0.4ffk，张拉控制应力上限值为0.65ffk；本设计使用材料抗拉强度标准值取ffk=2700MPa