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工法产生背景工法特点工艺原理关键技术创新点与操作要点工程应用情况社会经济效益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、工法特特点2.1质量、安安全质量控制制要求执执行国内内相关行行业规范范标准，，主要包包括现行行《公路桥涵涵施工技技术规范范》（JTG/TF50-2011）及《纤维增强强复合材材料建设设工程应应用技术术规范》（GB50608-2010）相关规规程。每每片梁断断丝及滑滑丝数量量不得超超过预应应力筋总总丝数的的1%，并不得得位于梁梁体的同同一侧，，且一束束内断丝丝不得超超过一丝丝。否则则，放松松换束。。采用本工工法，可可确保非非金属预预应力体体系张拉拉施工质质量，且且能有效效提高预预应力结结构的耐耐久性和和可靠度度。2、工法特特点2.1质量、安安全张拉作业业区，应应设置明明显的警警告标志志，无关关人员，，严禁入入内；张拉前检查张拉拉设备工工具(如千斤顶顶、油泵泵、压力力表、油油管、顶顶楔器及及液控顶顶压阀、、专用空空心支架架等)是否符合合施工安安全的要要求，压力表应应按规定定周期进进行检定定；锚具安装装时，夹夹片的选选择应保保证与筋筋束螺纹纹是同一一规格；；由于筋筋束固化化段外螺螺纹有两两条平行行压模缝缝，夹片片安装时时应使两两条压模模缝在两两夹片的的安装缝缝隙之间间；张拉时作作业人员员不得站站在千斤斤顶及锚锚固段正正后方，，张拉完成成后应按按规定及及时压浆浆、封锚锚。采用非金金属材料料预应力力筋张拉拉施工工工法施工工安全，，风险小小。2、工法特特点2.1质量、安安全2、工法特特点2.2工期、进进度非金金属属筋筋材材重重量量轻轻，，人人工工搬搬运运、、穿穿索索、、张张拉拉等等均均比比较较方方便便，，与与钢钢绞绞线线比比较较可可以以加加快快进进度度、、节节省省工工期期。。2、工工法法特特点点2.3经济济效效益益碳纤纤维维筋筋材材，，比比重重1.65-1.9，强强度度是是钢钢绞绞线线2倍左左右右，，价价格格方方面面约约15元/kg；钢钢绞绞线线的的比比重重7.8，一一般般采采用用设设计计强强度度用用到到1395MPa，价价格格大大部部分分在在6到9元/kg之间间；；按按等等重重量量等等强强度度计计算算，，本本工工法法明明显显比比钢钢绞绞线线工工法法节节约约成成本本；；后后期期营营运运及及养养护护费费用用也也节节省省；；而且且钢钢材材寿寿命命在在40到60年之之间间，，碳碳纤纤维维的的寿寿命命可可达达100-120年，，因因此此非非金金属属预预应应力力筋筋张张拉拉施施工工工工法法总总体体经经济济优优势势显显而而易易见见。。3、工工艺艺原原理理本工工法法工艺艺原原理理与其其它它普普通通钢钢绞绞线线预预应应力力筋筋施施工工工工法基本本相相同同，，主主要要的的区区别别是是预预应应力力筋筋材材制制作作（（非非金金属属材材料料预预应应力力筋筋目目前前只只能能在在工工厂厂内内下下料料、、编编束束及及端端部部处处理理））、、编编束束（（含含端端部部处处理理））、、张张拉拉工工具具(采用用专专用用支支架架)、过过程程控控制制等等有有根根本本的的区区别别。。3、工工艺艺原原理理3.1非金金属属锚锚具具由静静力力平平衡衡得得到到：：为保保证证锚锚固固可可靠靠，，发发挥挥锚锚夹夹具具锚锚固固夹夹持持预预应应力力筋筋的的作作用用，，夹夹片片与与预预应应力力筋筋间间的的摩摩擦擦力力应应大大于于或或等等于于P，以以使使预预应应力力筋筋不不产产生生滑滑动动，，即即：：由以以上上式式子子连连立立可可得得到到：：时，，锚锚具具可可以以自自锚锚。。注:为夹夹片片和和预预应应力力筋筋之之间间等等效效摩摩擦擦角角。。经分分析析，，在在影影响响非非金金属属材材料料夹夹片片式式锚锚具具锚锚固固性性能能的的因因素素中中，，锚环环内内壁壁倾倾角角、、锚锚环环长长度度、、夹夹片片倾倾角角与与锚锚环环内内壁壁倾倾角角差差值值这三三个个因因素素是是影影响响非非金金属属预预应应力力体体系系锚锚固固效效率率的的最最主主要要因因素素。。3、工工艺艺原原理理3.1非金金属属锚锚具具3、工工艺艺原原理理锚具具内内壁壁倾倾角角影影响响因因素素分分析析结结果果较大大的的倾倾角角有有利利于于减减少少纤纤维维筋筋的的滑滑移移，，而而且且可可以以减减小小纤纤维维筋筋对对夹夹片片和和锚锚环环的的轴轴向向应应力力。。考考虑虑到到锚锚具具的的自自锚锚性性能能，，经经理理论论计计算算及及大大量量试试验验获获得得结结论论：：采采用用6°°的倾倾角角较较为为合合理理。。软化化区区概概念念图图角角度度差差异异概概念念图图锚具具的的锚锚固固长长度度影影响响结结果果GFRP锚具具的的锚锚固固长长度度对对锚锚固固系系统统有有很很大大影影响响，，锚锚固固的的长长度度越越长长(即接接触触长长度度越越长长)，能能够够减减少少锚锚固固系系统统中中各各个个部部件件的的应应力力和和位位移移。。如如果果在在可可能能的的情情况况下下，，可可以以通通过过增增加加锚锚环环和和夹夹片片的的长长度度来来增增加加锚锚具具锚锚固固的的长长度度，，从从而而提提高高锚锚固固的的效效率率。。3、工工艺艺原原理理夹片片与与锚锚环环的的锥锥角角差差的的影影响响分分析析结结果果锚环环锥锥角角和和夹夹片片锥锥角角之之间间合合适适的的角角度度差差异异可可以以减减少少锚锚具具部部件件中中的的应应力力峰峰值值，，使使夹夹片片受受到到的的横横向向挤挤压压力力变变得得均均匀匀，，减减少少了了对对GFRP筋的的径径向向挤挤压压损损伤伤，，一一般般夹夹片片倾倾角角大大于于锚锚环环倾倾角角0.10～0.20，可可以以达达到到较较好好的的效效果果。。3、工工艺艺原原理理3、工工艺艺原原理理3.2CFRP预应应力力束束预应应力力束束采采用用19根6mmCFRP筋，，端端部部用用环环氧氧树树脂脂压压模模制制成成螺螺纹纹状状。4、关键键技术术创新新点与与施工工工艺艺操作作要点点4.1关键技技术创创新点点4.1.1研发了了用于于预应应力混混凝土土结构构的高高强度度CFRP筋和预预应力力平行行CFRP束单根CFRP筋直径径为6mm，单筋强强度超超过3000Mpa（单筋筋强度度已达达国际际领先先水平平），，并用19根6mm的CFRP筋组成成预应应力平平行CFRP束，在在两端端用自自行研研发的的环氧氧树脂脂配方方压模模形成成与夹夹片内内螺纹纹相对对应的的螺纹纹状。。最终形形成的的CFRP预应力力束形形式在在国内内外都都属首首创。4.1.2研发了了GFRP制锚具具(ZL200920289624.4)，并对对其参参数进进行了了优化化设计计GFRP制锚具具设计计时对对最佳佳锥角角和角角度差差的概概念在在结合合已有有国内内外研研究成成果的的基础础上进进行了了深入入研究究，经经过理理论研研究、、仿真真模拟拟和试试验研研究提提出了了夹片最最佳锥锥角为为6°，以及及0.1°的锥角角差，，有效效的解解决了了大吨吨位张张拉力力作用用下GFRP夹片局局部应应力集集中问问题。。4、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.1关键技技术创创新点点4、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.1关键技技术创创新点点4.1.3锚固系系统采采用完完全非非金属属材料料（不不含金金属材材质））整套锚锚固张张拉系系统包包括：：锚环环、夹夹片和和预应应力束束。锚锚环和和夹片片均采采用GFRP材料，，预应应力筋筋采用用CFRP材料，，预应应力束束两端端的螺螺纹采采用环环氧树树脂压压模形形成。。整套套锚固固系统统完全全采用用非金金属材材料，，不含含金属属材质质，从从根本本上解解决了了金属属材质质在使使用阶阶段易易生锈锈导致致承载载能力力和使使用性性能降降低的的弱点点，在在国内内外都都属首首创。。4、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.2操作要要点4.2.1施工工工艺流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、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.2操作要要点4.2.2原材料料要求求非金属属材料料预应应力筋筋可采采用CFRP筋或GFRP筋，但但从下下表参参数可可以看看出，，CFRP筋更具具有优优势。。本工工法依依托工工程预预应力力筋材材采用用的是是CFRP筋，锚锚夹具具采用用GFRP材料，，该桥桥CFRP预应力力筋由由19根直径径6mm的CFRP筋平行行编束束而成成，锚锚固段段、张张拉段段及工工作段段经环环氧树树脂固固化成成外径径为35mm的螺纹纹状，，其它它部位位用塑塑料拴拴扣紧紧。具具体参参数见见下表表。4、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.2操作要要点4.2.2原材料料进场场项目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筋力学学指标标表4、关键键技术术创新新点与与操作作要点点4.2操作要要点4.2.2原材料料进场场非金属属锚具具、夹夹片根据设设计方方案委委托有有资质质的厂厂家制制作非非金属属锚夹夹具系系统，，进场场后按按相关关规范范及设设计要要求进进行外外观、、硬度度、静静载锚锚固性性能等等验收收。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.3预应力体系系安装1、波纹管、、锚垫板安安装与普通钢绞绞线预应力力体系同，，注意锚下垫板必必须与预应应力束垂直直放置，垫垫板中心应应对准管道道中心。2、预应力筋筋下料及编编束非金属材料料预应力筋筋束端部必必须采用环环氧树脂进进行特殊处处理，目前前非金属材材料预应力力筋束需要要在专业工工厂内根据据每束设计计长度再加加上施工工工具长度进进行下料、、编束、端端部处理等等，下料时时要对筋材材做好保护护措施，有有被污染的的要将污染染物清理干干净后才能能使用。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.3预应力体系系安装预应力筋根根据设计长长度并预留留足够工作作长度下料料，下料时时采用砂轮轮锯切割，，严禁用氧氧气或电焊焊切割。CFRP预应力筋由由19根直径6mm的CFRP筋平行编束束而成，锚锚固段、张张拉段及工工具段经环环氧树脂固固化成外径径为35mm螺纹状，与与设计锚具具配合锚固固，中间段段每1m用塑料拴扣扣紧。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.4预应力筋穿穿索穿束前将锚锚垫板孔口口及喇叭管管内的混凝凝土浆碴清清除干净。。中长束可可人工传束束，长束穿穿索时采用用5t卷扬机进行行穿束作业业。将卷扬扬机钢丝绳绳套在预应应力筋束前前端，人工工将筋材端端头抬高并并放入管道道口内，开开动卷扬机机，使筋材材缓缓进入入孔道内，，避免筋材材扭曲，如如发生个别别筋材顶弯弯，将其更更换后再穿穿束。筋束束顺直，不不得有死弯弯，不得沾沾有油渍。。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.5安装锚具、、夹片锚具安装前前先进行清清孔、吹孔孔，使孔内内清洁无杂杂物，并且且量一下两两端头悬出出的筋束长长度是否一一样长，坚坚决避免出出现一头长长一头短和和同束筋材材长短差别别过大的情情况。然后后再安装锚锚杯，锚杯杯一定要安安装在锚板板的限位槽槽内，并用用套筒将夹夹片打紧，，使锚杯不不脱离限位位槽为原则则。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.6安装千斤顶顶由于非金属属预应力体体系的特殊殊性，根据据实际需要要设计了专专门的传力力支架。采采用三角支支架或特制制的吊装支支架配合手手拉葫芦吊吊装千斤顶顶，人工定定位。千斤斤顶定位时时，要使千千斤顶轴线线、锚杯轴轴线、传力力筒以及预预留孔道四四轴线同心心，张拉开开始后当千千斤顶开始始受力后将将吊千斤顶顶的吊链放放松。然后后检查千斤斤顶活塞顶顶部是否全全部套进锚锚垫板定位位凹槽内，，必须确保保千斤顶顶顶部全部套套在锚垫板板凹槽内。。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉1、张拉方式式：根据桥桥梁预制梁梁的设计分分别采用单单端或两端端分次张拉拉。预应力力张拉采用用双控措施施，两端张张拉过程应应保持两端端的伸长量量基本一致致。预制梁张拉拉前将内模模松开。预预应力张拉拉应按预张张拉、初张张拉和终张张拉三个阶阶段进行。。终张拉应应在梁体混混凝土强度度及弹模达达到设计值值后、龄期期不少于10天时进行。。2、千斤顶：：根据设计计筋束设计计控制应力力选择合适适的千斤顶顶，一般额额定吨位大大于设计控控制应力的的两倍以上上。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉3、张拉控制制应力根据《纤维增强复复合材料建建设工程应应用技术规规范》（GB50608-2010）第6.1.4条规定，CFRP预应力筋的的张拉控制制应力下限限值为0.4ffk，张拉控制制应力上限限值为0.65ffk；本设计使使用材料抗抗拉强度标标准值取ffk=2700MPa，则张拉控控制应力下下限值为：：0.4×2700=1080MPa，张拉控制制应力上限限值为：0.65××2700=1755MPa；4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉4、张拉过程程控制1）施加预应应力应采用用张拉力与与引伸量双双控。当预预应力束张张拉达到设设计张拉力力时，实际际引伸量值值与理论引引伸量值的的误差应控控制在6%以内。保证证张拉力达达到设计要要求，具体体张拉控制制过程如下下表所示：：4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉百分比张拉力/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筋束张拉过过程控制数数据表2）张拉程序序初张拉：0→初应力0.1σk(作伸长值标标记)→张拉至初张张拉设计要要求的控制制应力(测伸长值)→回油、锚固固(持荷5分钟，测量量总回缩量量)。4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉4、关键技术术创新点与与操作要点点4.2操作要点4.2.7预应力张拉拉张拉前先计计算出每束束预应力筋筋锚下总的的伸长量和和工作长度度部分的伸伸长量，以以锚下伸长长量和工作作长度部分分的伸长量量之和作为为理论伸长长量，用理理论伸长量量来复核实实际伸长量量是否满足足规范要求求。张拉到设计计吨位并按按规定时间间持荷后千千斤顶回油油，测预应应力筋总回回缩量和测测夹片外露露量有无超超标。否则则，查明原原因后重新新张拉。终张拉完成成后，在锚锚圈口处的的钢束做上上记号，24h后检查确认认无滑丝、、断丝现象象方可割束束，切断处处距夹片尾尾5～8cm。筋束切割割采用砂轮轮角磨机作作业，严禁禁使用氧焰焰切割。每截面断丝及