1-9--非金属材料预应力筋张拉施工工法

1、广东长宏公路工程有限公司广东长宏公路工程有限公司 华中科技大学华中科技大学 江西赣东路桥建设集团有限公司江西赣东路桥建设集团有限公司 二二一四年三月一四年三月 非金属材料预应力筋张拉施工工法非金属材料预应力筋张拉施工工法 目目 录录 1.1 1.1 工程背景工程背景 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. 1.2.1 1.2.1 该工法依托课题背景该工法依托课题背景 本工法依托课题是

2、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 1.2 技术背景技术背景 1.2 1.2 技术背景技术背景 1.2.2 1.2.2 依托课题研究内容及目的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

3、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。 1.3 1.3 技术水平技术水平 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”。 1.3 1.3 技术水平技术水平 1、发明专利 2011年8月获得

4、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 201010183250.5 1.3 1.3 技术水平技术水平 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 201020202991.9 1.3 1.3 技术水平技术水平 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 200920289624.4 2.1 2.1 质量、安全质量、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/T F50-2011）及 纤维增强复合材料建设工程应用技术规范（

5、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。 2.1 2.1 质量、安全质量、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

6、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。 2.1 2.1 质量、安全质量、安全 2.2 2.2 工期、进度工期、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。 2.3 2.3 经济效益经济效益 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

7、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。 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。 3.1 3.1 非金属锚具非金属锚具 由静力平衡得到： sin()NFcos()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： tanR

8、F 锚 环 夹 片 筋 N R y x 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。 3.1 3.1 非金属锚具非金属锚具 锚具内壁倾角影响因素分析结果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锚具的锚

9、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。 夹片与锚环的锥角差的影响分析结果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0.100.20，可以达到较好的效果。 3.2 CFRP3.2 CFRP预应力束预应力束 预应力束采用19根6mmCFRP筋，端部用环氧树

10、脂压模制成螺纹状。 4.1 4.1 关键技术创新点关键技术创新点 4.1.14.1.1研发了用于预应力混凝土结构的高强度研发了用于预应力混凝土结构的高强度CFRPCFRP筋和预应筋和预应 力平行力平行CFRPCFRP束束 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。 4.1.24.1.2研发了研发了GFRPGFRP制锚具制锚具(ZL 200920289624.4)(ZL 20092

11、0289624.4)，并对其参数，并对其参数 进行了优化设计进行了优化设计 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。 4.1 4.1 关键技术创新点关键技术创新点 4.1 4.1 关键技术创新点关键技术创新点 4.1.34.1.3锚固系统采用完全非金属材料（不含金属材质）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

12、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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.1 4.2.1 施工工艺流程施工工艺流程 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con（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

13、等 孔道压浆 封 锚 清理修正管口检查砼强度 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.2 4.2.2 原材料要求原材料要求 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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.2 4.2.2 原材料进场原材料进场 项目GFRP筋CFRP筋 抗拉强度标准值（MPa）700

14、2700 抗拉强度设计值（MPa）357 1753 抗压强度设计值（MPa）100 弹性模量（MPa）45000 160000 热膨胀系数0.000011 0.000011 FRPFRP筋力学指标表筋力学指标表 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.24.2.2原材料进场原材料进场 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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.3 4.2.3 预应力体系安装预应力体系安装 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，

15、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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.34.2.3预应力体系安装预应力体系安装 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

16、固，中间段每1m用塑料拴扣紧。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.44.2.4预应力筋穿索预应力筋穿索 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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.54.2.5安装锚具、夹片安装锚具、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

17、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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.6 4.2.6 安装千斤顶安装千斤顶 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。 4.2 4.2 操

18、作要点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 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。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 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（ GB50608-2

19、010）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，则张拉 控制应力下限值为：0.42700=1080MPa，张拉控制应力上 限值为：0.652700=1755MPa； 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 4、张拉过程控制 1）施加预应力应采用张拉力与引伸量双控。当预应 力束张拉达到设计张拉力时，实际引伸量值与理论引伸量 值的误差应控制在6%以内。保证张拉力达到设计要求，具 体张拉控制过程如下表所示： 4.2 4.2 操作要

20、点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 百分比 张拉力 /kN 液压表读数 /MPa 筋材应力 /MPa 伸长量/mm 持荷时间 /min 20%134.00 5.6 266.9 33.4 2 40%268.00 10.3 533.9 66.7 2 60%402.00 15.0 800.8 100.1 3 80%536.00 19.6 1067.7 133.5 2 100%670.00 24.3 1334.7 166.8 5 依托工程依托工程CFRPCFRP筋束张拉过程控制数据表筋束张拉过程控制数据表 2）张拉程序 初张拉：0初应力0.1k(作伸长值标记)张拉至初张 拉设计要

21、求的控制应力(测伸长值)回油、锚固(持荷5分钟 ，测量总回缩量)。 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 4.2 4.2 操作要点操作要点 4.2.7 4.2.7 预应力张拉预应力张拉 张拉前先计算出每束预应力筋锚下总的伸长量和工作长 度部分的伸长量，以锚下伸长量和工作长度部分的伸长量之 和作为理论伸长量，用理论伸长量来复核实际伸长量是否满 足规范要求。 张拉到设计吨位并按规定时间持荷后千斤顶回油，测预 应力筋总回缩量和测夹片外露量有无超标。否则，查明原因 后重新张拉。 终张拉完成后，在锚圈口处的钢束做上记号，24h后检 查确认无滑丝、断丝现象方可割束，切断处距夹片尾58cm 。筋束切割采用砂轮角磨机作业，严禁使用氧焰切割。 每截面断丝及滑丝数量不得超过预应力筋总丝数的1%， 且一束内断丝不得超