桥梁非金属材料预应力筋张拉施工工法50

热烈祝贺2014年公路工程工工法经验交流流会胜利召开广东长宏公路路工程有限公公司华华中科技技大学江西赣东路桥桥建设集团有有限公司二○一四年三月华中科技大学学郑郑文衡2014年3月25日非金属材料预预应力筋张拉拉施工工法目录工法产生背景景工法特点工艺原理关键技术创新新点与操作要要点工程应用情况况社会经济效益益1、工法产生背背景1.1工程背景宜昌宜巴公路路秭归境内松松树坳大桥全全长114.04m，桥梁上部采采用5跨20m预应力简支空空心板，其中中四跨为装配配式预应力钢钢筋砼空心板板；第一跨为为20m预应力CFRP筋混凝土空心心板，采用CFRP材料配筋，按按照碳纤维CFRP预应力束、GFRP锚具设计及施施工.1、工法产生背背景1.2.1该工法依托课课题背景本工法依托课课题是广东长长宏公路工程程有限公司和和华中科技大大学联合申报报的“非金属属材料预应力力筋张拉工艺艺技术研究””课题，该课课题是广东省省交通运输厅厅2009年度科技项目目，编号2009-02-18。课题成果鉴定定证书编号粤粤交科鉴字【2012】】35号。1.2技术背景1、工法产生背背景1.2技术背景1.2.2依托课题研究究内容及目的的从非金属材料料（CFRP)预应力筋及其其锚固体系研研究出发，形形成一套完全全非金属锚固固体系完整的的计算理论、、工艺技术，，解决非金属属锚具应用中中所面临的一一些问题，使使其从研究走走向实际工程程应用。将常规钢绞线线预应力筋用用非金属材料料预应力筋束束替代，在归归纳总结国外外、国内研究究成果和的工工程实践的基基础上，根据据目前国内外外非金属材料料锚固系统的的研究和发展展动态，以实实际应用为目目标，以理论论与实践相结结合，形成完全非金属锚锚固系统及非非金属材料预预应力筋专用用张拉工具来来施工的张拉拉施工工艺。。1、工法产生背背景1.3技术水平2012年11月20日该工法的关关键技术在广广东省交通运运输厅组织的的成果鉴定会上顺利通过，，鉴定结论是是“整体达到国国际先进水平平，其中GFRP夹片式锚具达达到国际领先先水平”。2013年11月“非金属材材料预应力筋筋张拉工艺技技术研究”获获得中国公路路建设行业协协会组织评审审的“科技创创新成果一等等奖”。1、工法产生背背景1.3技术水平1、发明专利2011年8月获得专利““具有自监测测功能的复合合材料智能锚锚具及其制备备方法”,编号：中国201010183250.51、工法产生背背景1.3技术水平2、实用新型专专利2010年12月获得专利““一种具有自自监测功能的的复合材料智智能锚具”，，编号：中国国201020202991.91、工法产生背背景1.3技术水平3、实用新型专专利2010年10月获得专利““一种FRP制筋材锚具””，编号：中中国200920289624.42、工法特点2.1质量、安全质量控制要求求执行国内相相关行业规范范标准，主要要包括现行《公路桥涵施工工技术规范》（JTG/TF50-2011）及《纤维增强复合合材料建设工工程应用技术术规范》（GB50608-2010）相关规程。。每片梁断丝丝及滑丝数量量不得超过预预应力筋总丝丝数的1%，并不得位于于梁体的同一一侧，且一束束内断丝不得得超过一丝。。否则，放松松换束。采用本工法，，可确保非金金属预应力体体系张拉施工工质量，且能能有效提高预预应力结构的的耐久性和可可靠度。2、工法特点2.1质量、安全张拉作业区，，应设置明显显的警告标志志，无关人员员，严禁入内内；张拉前检查张拉设备备工具(如千斤顶、油油泵、压力表表、油管、顶顶楔器及液控控顶压阀、专专用空心支架架等)是否符合施工工安全的要求求，压力表应按规规定周期进行行检定；锚具安装时，，夹片的选择择应保证与筋筋束螺纹是同同一规格；由由于筋束固化化段外螺纹有有两条平行压压模缝，夹片片安装时应使使两条压模缝缝在两夹片的的安装缝隙之之间；张拉时作业人人员不得站在在千斤顶及锚锚固段正后方方，张拉完成后应应按规定及时时压浆、封锚锚。采用非金属材材料预应力筋筋张拉施工工工法施工安全全，风险小。。2、工法特点2.1质量、安全2、工法特点2.2工期、进度非金属筋材重重量轻，人工工搬运、穿索索、张拉等均均比较方便，，与钢绞线比比较可以加快快进度、节省省工期。2、工法特点2.3经济效益碳纤维筋材，，比重1.65-1.9，强度是钢绞绞线2倍左右，价格格方面约15元/kg；钢绞线的比比重7.8，一般采用设设计强度用到到1395MPa，价格大部分分在6到9元/kg之间；按等重重量等强度计计算，本工法法明显比钢绞绞线工法节约约成本；后期期营运及养护护费用也节省省；而且钢材寿命命在40到60年之间，碳纤纤维的寿命可可达100-120年，因此非金金属预应力筋筋张拉施工工工法总体经济济优势显而易易见。3、工艺原理本工法工艺原理与其它普通钢钢绞线预应力力筋施工工法基本相同，主主要的区别是是预应力筋材材制作（非金金属材料预应应力筋目前只只能在工厂内内下料、编束束及端部处理理）、编束（（含端部处理理）、张拉工工具(采用专用支架架)、过程控制等等有根本的区区别。3、工艺原理3.1非金属锚具由静力平衡得得到：为保证锚固可可靠，发挥锚锚夹具锚固夹夹持预应力筋筋的作用，夹夹片与预应力力筋间的摩擦擦力应大于或或等于P，以使预应力力筋不产生滑滑动，即：由以上式子连连立可得到：：时，锚具可以以自锚。注:为夹片和预应应力筋之间等等效摩擦角。。经分析，在影影响非金属材材料夹片式锚锚具锚固性能能的因素中，，锚环内壁倾角角、锚环长度度、夹片倾角角与锚环内壁壁倾角差值这三个因素是是影响非金属属预应力体系系锚固效率的的最主要因素素。3、工艺原理3.1非金属锚具3、工艺原理锚具内壁倾角角影响因素分分析结果较大的倾角有有利于减少纤纤维筋的滑移移，而且可以以减小纤维筋筋对夹片和锚锚环的轴向应应力。考虑到到锚具的自锚锚性能，经理理论计算及大大量试验获得得结论：采用用6°的倾角较为合合理。软化区概念图图角角度度差异概念图图锚具的锚固长长度影响结果果GFRP锚具的锚固长长度对锚固系系统有很大影影响，锚固的的长度越长(即接触长度越越长)，能够减少锚锚固系统中各各个部件的应应力和位移。。如果在可能能的情况下，，可以通过增增加锚环和夹夹片的长度来来增加锚具锚锚固的长度，，从而提高锚锚固的效率。。3、工艺原理夹片与锚环的的锥角差的影影响分析结果果锚环锥角和夹夹片锥角之间间合适的角度度差异可以减减少锚具部件件中的应力峰峰值，使夹片片受到的横向向挤压力变得得均匀，减少少了对GFRP筋的径向挤压压损伤，一般般夹片倾角大大于锚环倾角角0.10～0.20，可以达到较较好的效果。。3、工艺原理3、工艺原理3.2CFRP预应力束预应力束采用用19根6mmCFRP筋，端部用环环氧树脂压模模制成螺纹状状。4、关键技术创创新点与施工工工艺操作要要点4.1关键技术创新新点4.1.1研发了用于预预应力混凝土土结构的高强强度CFRP筋和预应力平平行CFRP束单根CFRP筋直径为6mm，单筋强度超过过3000Mpa（单筋强度已已达国际领先先水平），并用19根6mm的CFRP筋组成预应力力平行CFRP束，在两端用用自行研发的的环氧树脂配配方压模形成成与夹片内螺螺纹相对应的的螺纹状。最终形成的CFRP预应力束形式式在国内外都都属首创。4.1.2研发了GFRP制锚具(ZL200920289624.4)，并对其参数数进行了优化化设计GFRP制锚具设计时时对最佳锥角角和角度差的的概念在结合合已有国内外外研究成果的的基础上进行行了深入研究究，经过理论论研究、仿真真模拟和试验验研究提出了了夹片最佳锥角角为6°，以及0.1°的锥角差，有有效的解决了了大吨位张拉拉力作用下GFRP夹片局部应力力集中问题。。4、关键技术创创新点与操作作要点4.1关键技术创新新点4、关键技术创创新点与操作作要点4.1关键技术创新新点4.1.3锚固系统采用用完全非金属属材料（不含含金属材质））整套锚固张拉拉系统包括：：锚环、夹片片和预应力束束。锚环和夹夹片均采用GFRP材料，预应力力筋采用CFRP材料，预应力力束两端的螺螺纹采用环氧氧树脂压模形形成。整套锚锚固系统完全全采用非金属属材料，不含含金属材质，，从根本上解解决了金属材材质在使用阶阶段易生锈导导致承载能力力和使用性能能降低的弱点点，在国内外外都属首创。。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.1施工工艺流程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、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.2原材料要求非金属材料预预应力筋可采采用CFRP筋或GFRP筋，但从下表表参数可以看看出，CFRP筋更具有优势势。本工法依依托工程预应应力筋材采用用的是CFRP筋，锚夹具采采用GFRP材料，该桥CFRP预应力筋由19根直径6mm的CFRP筋平行编束而而成，锚固段段、张拉段及及工作段经环环氧树脂固化化成外径为35mm的螺纹状，其其它部位用塑塑料拴扣紧。。具体参数见见下表。4、关键技术创创新点与操作作要点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筋力学指标表表4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.2原材料进场非金属锚具、、夹片根据设计方案案委托有资质质的厂家制作作非金属锚夹夹具系统，进进场后按相关关规范及设计计要求进行外外观、硬度、、静载锚固性性能等验收。。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.3预应力体系安安装1、波纹管、锚锚垫板安装与普通钢绞线线预应力体系系同，注意锚下垫板必须须与预应力束束垂直放置，，垫板中心应应对准管道中中心。2、预应力筋下下料及编束非金属材料预预应力筋束端端部必须采用用环氧树脂进进行特殊处理理，目前非金金属材料预应应力筋束需要要在专业工厂厂内根据每束束设计长度再再加上施工工工具长度进行行下料、编束束、端部处理理等，下料时时要对筋材做做好保护措施施，有被污染染的要将污染染物清理干净净后才能使用用。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.3预应力体系安安装预应力筋根据据设计长度并并预留足够工工作长度下料料，下料时采采用砂轮锯切切割，严禁用用氧气或电焊焊切割。CFRP预应力筋由19根直径6mm的CFRP筋平行编束而而成，锚固段段、张拉段及及工具段经环环氧树脂固化化成外径为35mm螺纹状，与设设计锚具配合合锚固，中间间段每1m用塑料拴扣紧紧。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.4预应力筋穿索索穿束前将锚垫垫板孔口及喇喇叭管内的混混凝土浆碴清清除干净。中中长束可人工工传束，长束束穿索时采用用5t卷扬机进行穿穿束作业。将将卷扬机钢丝丝绳套在预应应力筋束前端端，人工将筋筋材端头抬高高并放入管道道口内，开动动卷扬机，使使筋材缓缓进进入孔道内，，避免筋材扭扭曲，如发生生个别筋材顶顶弯，将其更更换后再穿束束。筋束顺直直，不得有死死弯，不得沾沾有油渍。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.5安装锚具、夹夹片锚具安装前先先进行清孔、、吹孔，使孔孔内清洁无杂杂物，并且量量一下两端头头悬出的筋束束长度是否一一样长，坚决决避免出现一一头长一头短短和同束筋材材长短差别过过大的情况。。然后再安装装锚杯，锚杯杯一定要安装装在锚板的限限位槽内，并并用套筒将夹夹片打紧，使使锚杯不脱离离限位槽为原原则。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.6安装千斤顶由于非金属预预应力体系的的特殊性，根根据实际需要要设计了专门门的传力支架架。采用三角角支架或特制制的吊装支架架配合手拉葫葫芦吊装千斤斤顶，人工定定位。千斤顶顶定位时，要要使千斤顶轴轴线、锚杯轴轴线、传力筒筒以及预留孔孔道四轴线同同心，张拉开开始后当千斤斤顶开始受力力后将吊千斤斤顶的吊链放放松。然后检检查千斤顶活活塞顶部是否否全部套进锚锚垫板定位凹凹槽内，必须须确保千斤顶顶顶部全部套套在锚垫板凹凹槽内。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉1、张拉方式：：根据桥梁预预制梁的设计计分别采用单单端或两端分分次张拉。预预应力张拉采采用双控措施施，两端张拉拉过程应保持持两端的伸长长量基本一致致。预制梁张拉前前将内模松开开。预应力张张拉应按预张张拉、初张拉拉和终张拉三三个阶段进行行。终张拉应应在梁体混凝凝土强度及弹弹模达到设计计值后、龄期期不少于10天时进行。2、千斤顶：根根据设计筋束束设计控制应应力选择合适适的千斤顶，，一般额定吨吨位大于设计计控制应力的的两倍以上。。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉3、张拉控制应应力根据《纤维增强复合合材料建设工工程应用技术术规范》（GB50608-2010）第6.1.4条规定，CFRP预应力筋的张张拉控制应力力下限值为0.4ffk，张拉控制应应力上限值为为0.65ffk；本设计使用用材料抗拉强强度标准值取取ffk=2700MPa，则张拉控制制应力下限值值为：0.4×2700=1080MPa，张拉控制应应力上限值为为：0.65×2700=1755MPa；4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉4、张拉过程控控制1）施加预应力力应采用张拉拉力与引伸量量双控。当预预应力束张拉拉达到设计张张拉力时，实实际引伸量值值与理论引伸伸量值的误差差应控制在6%以内。保证张张拉力达到设设计要求，具具体张拉控制制过程如下表表所示：4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7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/min20%134.005.6266.933.4240%268.0010.3533.966.7260%402.0015.0800.8100.1380%536.0019.61067.7133.52100%670.0024.31334.7166.85依托工程CFRP筋束张拉过程程控制数据表表2）张拉程序初张拉：0→初应力0.1σk(作伸长值标记记)→张拉至初张拉拉设计要求的的控制应力(测伸长值)→回油、锚固(持荷5分钟，测量总总回缩量)。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉张拉前先计算算出每束预应应力筋锚下总总的伸长量和和工作长度部部分的伸长量量，以锚下伸伸长量和工作作长度部分的的伸长量之和和作为理论伸伸长量，用理理论伸长量来来复核实际伸伸长量是否满满足规范要求求。张拉到设计吨吨位并按规定定时间持荷后后千斤顶回油油，测预应力力筋总回缩量量和测夹片外外露量有无超超标。否则，，查明原因后后重新张拉。。终张拉完成后后，在锚圈口口处的钢束做做上记号，24h后检查确认无无滑丝、断丝丝现象方可割割束，切断处处距夹片尾5～8cm。筋束切割采采用砂轮角磨磨机作业，严严禁使用氧焰焰切割。每截面断丝及滑丝数数量不得超过过预应力筋总总丝数的1%，且一束内断断丝不得超过过一丝。否则则，放松换束束。4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.7预应力张拉4、关键技术创创新点与操作作要点4.2操作要点4.2.8孔道压浆非金属材料预预应力筋在预预应力筋张拉拉后应尽早进进行孔道压浆浆且在12h内完成，压浆浆采用真空辅辅助压浆工艺艺。其余要求与与普通钢绞线线预应力孔道道压浆同。5、工程应用情情况本工法法在““宜都市市清江江一桥桥”加加固工工程及湖北宜宜昌秭秭归松松树坳坳大桥桥中得到成成功应应用。。以下下是施施工中中的部部分照照片。。5、工程程应用用情况况5、工程程应用用情况况5、工程程应用用情况况5、工程程应用用情况况6、社会会经济济效益益6.1直接经经济效效益碳纤维维筋材材，比比重1.65-1.9，强度度是钢钢绞线