CN112360059B

CN112360059B - 一种采用frp组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法

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Publication number: CN112360059B
Application number: CN202011259162.9A
Authority: CN
Inventors: 朱虹; 王春林; 王强; 董志强; 李胡兵
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-11-12
Also published as: CN112360059A

Abstract

本发明公开了一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法，包括预制部混凝土、现浇部混凝土和FRP筋笼；FRP筋笼包括均采用FRP筋材的下部纵筋、腰筋、上部纵筋和箍筋；下部纵筋张拉后埋置在预制部混凝土的底部，每根下部纵筋上均设有附加肋和FRP短管；每根上部纵筋上均设有附加肋和FRP长管；FRP长管套设在上部纵筋的跨中段；FRP管内填充超高性能混凝土（UHPC）。本发明适用于海洋环境，FRP筋‑铝合金肋界面强度高，能实现界面长期滑移可控的目标；采用先张法对下部纵筋施加预应力以提高构件刚度；在FRP管间填充超高性能混凝土（UHPC）以提高FRP筋的抗压强度及构件延性，并通过其可实现上部纵筋的连接。

Description

一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法

技术领域

本发明涉及装配式建筑预制构件领域，特别是一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法。

背景技术

我国作为一个沿海国家，海洋经济正成为区域经济发展的新增长点和区域产业经济转型的切入点。目前，我国的海洋经济产业处于快速成长期，产业结构正从以传统海洋产业为主向海洋高新技术产业逐步崛起与传统海洋产业改造相结合的方向发展。

发展海洋经济、建设海洋强国需要相应面向海洋的基础设施。对于面向海洋环境特别是远海等的混凝土工程结构物，从陆地运输砂子和水等材料成本高昂。另外，建造在海洋及含氯化物介质环境中的钢筋混凝土结构常出现钢筋锈蚀的问题。显然，普通钢材不是在高腐蚀海洋环境下建造安全、耐久结构的理想材料。

纤维增强复合材料（FRP）具有轻质高强、耐腐蚀等优点，可代替普通钢筋以克服锈蚀的影响。FRP 为各向异性材料，成型之后无法进行焊接和机械加工，因此采用装配式结构将更加便捷。

研究发现，FRP筋抗拉强度高，但弹性模量仅为钢筋的1/5~3/4。在相同承载力前提下，与传统钢筋混凝土构件相比，FRP筋混凝土构件的变形大且裂缝相对较宽，设计常由正常使用极限状态控制，材料强度仅能发挥10%左右，导致材料资源浪费严重。

对FRP筋施加预应力，被认为是充分发挥其高强度优势、控制构件变形和裂缝、改善构件使用阶段性能最有效的方法，同时，采用工艺简单、经济性佳的先张法预应力技术更适合当下建筑工业化的发展趋势，具有工期短、质量可控以及现场湿作业少等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法，该采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁及其施工方法适用于海洋环境， FRP筋-铝合金肋界面强度高，能实现界面长期滑移可控的目标；采用先张法对下部纵筋施加预应力以提高构件刚度；上部纵筋通过FRP管于其间填充超高性能混凝土（UHPC）实现连接，并提高FRP筋的抗压强度及构件延性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁，包括预制部混凝土、现浇部混凝土和FRP筋笼。

FRP筋笼包括均采用FRP筋材的下部纵筋、腰筋、上部纵筋和箍筋。

下部纵筋张拉后埋置在预制部混凝土的底部，且两端均从预制部混凝土中伸出，形成伸出部。

每根下部纵筋上均还设置有两根FRP短管、超高性能混凝土和两个附加肋。

两根FRP短管分别套设在下部纵筋的两个伸出部外周，超高性能混凝土填充在两根FRP短管与对应伸出部之间的环形缝隙内。FRP短管、超高性能混凝土和下部纵筋，共同构成下部FRP组合筋。套设有FRP短管的下部纵筋伸出部，分别伸入面向海洋环境建筑中梁柱的连接节点内。

两个附加肋分别设置在FRP短管内侧的下部纵筋上，且预埋在预制部混凝土。

腰筋预埋在预制部混凝土的顶部。

上部纵筋布设在现浇部混凝土中，箍筋用于固定上部纵筋、腰筋和下部纵筋。

每根上部纵筋上均设置有FRP长管、超高性能混凝土和两个附加肋。

FRP长管套设在上部纵筋的跨中段，超高性能混凝土填充在FRP长管与上部纵筋之间的环形缝隙内。FRP长管、超高性能混凝土和上部纵筋，共同构成上部FRP组合筋。

两个附加肋分别设置在FRP长管两侧的上部纵筋上，且位于现浇部混凝土内。

附加肋均为挤压的铝合金管，铝合金管的表面涂覆有钝化液。

铝合金管的直径为下部纵筋或上部纵筋直径的2倍。

铝合金管在下部纵筋或上部纵筋上的挤压量为2~4mm。

预制部混凝土为凹形槽状结构。

预制部混凝土的顶面和两侧端面均为粗糙面。

FRP短管和FRP长管表面均设置有通长螺纹。

一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，包括如下步骤。

步骤1、制作下部纵筋上的附加肋：将铝合金管安装至每根下部纵筋的设定锚固区域，通过挤压铝合金管，在下部纵筋表面形成附加肋，并在附加肋表面涂抹钝化液。

步骤2、制作FRP筋笼：将步骤1制作的多根下部纵筋依次放置在箍筋的底部，并在箍筋的中部绑扎腰筋，从而形成FRP筋笼。

步骤3、张拉并固定下部纵筋：将步骤2制作的FRP筋笼置于钢模内，用张拉装置将每根下部纵筋均张拉至控制应力，并用夹具临时固定张拉后的下部纵筋。

步骤4、浇筑并养护预制部混凝土：在钢模内或钢模两侧支模，形成预制部混凝土浇筑模具。然后在预制部混凝土浇筑模具内浇筑海砂海水混凝土并养护。当海砂海水混凝土强度不低于设计值的75%时，切断下部纵筋两端，切断后的每根下部纵筋两端均伸出至预制部混凝土外侧。

步骤5、套设FRP短管并填充超高性能混凝土：在每根下部纵筋两端的伸出部上各套设一根FRP短管。接着，在每根FRP短管与对应下部纵筋之间的环形间隙内填充超高性能混凝土，从而形成下部FRP组合筋。

步骤6、安装预制部混凝土：通过起重机械，将叠合梁预制部混凝土吊装至面向海洋环境的建筑的梁柱连接节点处，套设有FRP短管的下部纵筋伸出部均伸入梁柱连接节点内。调整预制部混凝土的垂直度与位置。

步骤7、安装上部纵筋，具体安装方法，包括如下步骤：

步骤71、安装FRP长管：在FRP筋笼的顶部中心，放置设定长度的FRP长管。FRP长管的数量与上部纵筋的数量相同，且位置相对应。

步骤72、穿插上部纵筋：将上部纵筋伸入对应的FRP长管内。当上部纵筋具有两根以上时，应使得上部纵筋的对接位置处于梁跨中段的FRP长管内。

步骤73、填充超高性能混凝土：在步骤72的每个FRP长管与对应上部纵筋之间的环形间隙内均填充超高性能混凝土并养护。FRP长管、上部纵筋和填充在两者间的超高性能混凝土，共同构成上部FRP组合筋。

步骤8、安装预制叠合板。

步骤9、浇筑叠合层海砂海水混凝土，形成先张预应力叠合梁。

步骤72中，上部纵筋在穿插前，位于梁端的上部纵筋表面各套设一个铝合金管并挤压成型，形成两个附加肋；在上部纵筋穿插后，两个附加肋位于FRP长管两侧的上部纵筋上。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明适用于海洋环境，预制部混凝土和现浇部混凝土均采用海水海砂混凝土，能就地取材。

2、本发明的预制部混凝土能在工厂预制，并于现场安装完毕后，浇筑现浇部混凝土，从而形成整体，降低工程费用，提高结构整体性和抗震性。

3、本发明的预制部混凝土为凹形槽状板壳，减小吊装质量，方便施工，同时可作为模板进行现浇部混凝土的浇筑。

4、本发明中的配筋（如下部纵筋、腰筋、上部纵筋和箍筋），均采用耐腐蚀性能良好的纤维增强复合材料制成，从而能延长结构寿命。

5、本发明采用先张法，对下部纵筋施加预应力，能够提高构件刚度。本发明中下部纵筋上附加肋的设置，能控制张拉后下部纵筋的滑移；上部纵筋中附加肋的设置，用于控制上部纵筋的滑移。

6、在梁端的上、下部纵筋锚固区域设置附加肋，以提升其锚固储备，由于FRP筋-铝合金肋界面强度高，较FRP筋-混凝土界面更可靠，其通过稳定的摩擦力与机械咬合力实现抗滑移作用实现界面长期滑移可控的目标。

7、在梁、柱等构件中的FRP筋不可避免地要承受压力。FRP筋受压时，内部的纤维会发生微屈曲，使得FRP的抗压强度远低于抗拉强度，且易发生脆性破坏。根据连续梁跨中有正弯矩，支座有负弯矩的受力特点，本发明中，上部纵筋中部套设FRP长管、下部纵筋两端套设FRP短管以增强承压能力。

8、上部纵筋通过FRP管于其间填充超高性能混凝土（UHPC）实现连接，并提高FRP筋的抗压强度及构件延性。

附图说明

图1显示了本发明一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的结构示意图。

图2显示了本发明一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的侧视图。

图3显示了本发明一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的现场穿筋图。

图4显示了本发明一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的主视图。

图5显示了本发明中FRP筋笼的主视图。

图6显示了本发明中下部FRP组合筋的截面示意图。

其中的附图标记为：1-预制部混凝土、2-现浇部混凝土、3-粗糙面、4-下部纵筋、5-上部纵筋、6-腰筋、7-箍筋、8-附加肋、9-FRP短管、10-FRP长管、11-超高性能混凝土。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁，包括预制部混凝土1、现浇部混凝土2和FRP筋笼。

预制部混凝土优选为凹形槽状结构，能作为现浇部混凝土的浇筑模板，预制部混凝土的顶面和两侧端面均优选为粗糙面3。粗糙面的设置，能够保证新旧混凝土间的连接性能。

如图1和图5所示，FRP筋笼包括下部纵筋4、腰筋6、上部纵筋5和箍筋7。下部纵筋4、腰筋6、上部纵筋5和箍筋7均为FRP筋，轻质高强且耐腐蚀。

下部纵筋张拉后预埋在预制部混凝土的底部，且两端均从预制部混凝土中伸出，形成伸出部。

每根下部纵筋上均还设置有两根FRP短管9、超高性能混凝土11和两个附加肋8。

两根FRP短管分别套设在下部纵筋的两个伸出部外周，超高性能混凝土填充在两根FRP短管与对应伸出部之间的环形缝隙内。

FRP短管、超高性能混凝土和下部纵筋，共同构成下部FRP组合筋。

套设有FRP短管的下部纵筋伸出部，分别伸入面向海洋环境建筑中梁柱的连接节点内。

附加肋优选由铝合金管挤压而成，根据设计确定铝合金管的长度，两侧应预留一定长度不做挤压处理。铝合金管加工便捷，且具有良好的防腐性能。铝合金管直径约为FRP筋直径的两倍，将铝合金管安装至指定位置，通过冷挤压工艺挤压成型并贴合于FRP筋表面形成附加肋，挤压量优选为2~4mm。

由于下部纵筋均处于张紧状态，两个附加肋的设置，能增加下部纵筋与预制部混凝土之间的锚固性能，抑制下部纵筋的滑移，从而保持设定的预张紧力，进而使叠合梁下部混凝土受到预压应力。

上部纵筋布设在现浇部混凝土中，如图6所示，每根上部纵筋上均还设置有FRP长管10、超高性能混凝土11和两个附加肋8。

上部纵筋中的两个附加肋分别设置在FRP长管两侧的上部纵筋上，且位于现浇部混凝土内，用于增加上部纵筋与现浇部混凝土的锚固力。上部纵筋中的两个附加肋，可以根据需要进行设置，当叠合梁支座负弯矩不大时，可以不增设附加肋，当叠合梁支座负弯矩很大时，最好增设附加肋，抑制上部纵筋的滑动变形。

上部纵筋中的两个附加肋的设置方式，参照下部纵筋中附加肋的设置方法，这里不再赘述。

连续梁受力特点是：跨中有正弯矩，支座有负弯矩。故而，本发明中，上部纵筋中部套设FRP长管、下部纵筋两端套设FRP短管以增强承压能力。

进一步，FRP长管和FRP短管表面均设置有通长螺纹，从而增加FRP管与现浇海砂海水混凝土的连接性能。FRP管的内直径稍大于附加肋，以保证上部纵筋或下部纵筋可穿过FRP管。

腰筋预埋在预制部混凝土的顶部，箍筋用于固定上部纵筋、腰筋和下部纵筋。

步骤1、制作下部纵筋上的附加肋：将铝合金管安装至每根下部纵筋的设定锚固区域，通过挤压铝合金管在下部纵筋的锚固区域表面形成附加肋，并在附加肋表面涂抹钝化液。

步骤4、浇筑并养护预制部混凝土：在钢模内或钢模两侧支模，形成预制部混凝土浇筑模具。然后在预制部混凝土浇筑模具内浇筑海砂海水混凝土并养护。

当海砂海水混凝土强度不低于设计值的75%时，切断下部纵筋两端，切断后的每根下部纵筋两端均伸出至预制部混凝土外侧。

步骤5、套设FRP短管并填充超高性能混凝土：在每根下部纵筋中FRP筋的两端伸出部上各套设一根FRP短管。接着，在每根FRP短管与对应FRP筋之间的环形间隙内填充超高性能混凝土，从而形成下部纵筋的伸出部。

步骤6、安装预制部混凝土：通过起重机械将叠合梁预制部混凝土吊装至面向海洋环境的建筑的梁柱连接节点处，下部纵筋的伸出部均伸入梁柱连接节点内，调整预制部混凝土的垂直度与位置。

步骤7、安装上部纵筋，具体安装方法，包括如下步骤：

步骤72、穿插上部纵筋的FRP筋。

上部纵筋在穿插前，位于梁端的上部纵筋表面优选各挤压成型一个铝合金管，铝合金管表面涂抹钝化液，形成两个附加肋。在上部纵筋穿插后，两个附加肋位于FRP长管两侧的上部纵筋上。

上述铝合金管的直径优选为上部纵筋直径的2倍，铝合金管在FRP筋表面的挤压量优选为2~4mm。

优选从两侧将上部纵筋伸入对应的FRP长管内。当上部纵筋具有两根以上时，应使得上部纵筋的对接位置处于梁跨中段的FRP长管内。

步骤8、安装预制叠合板。

步骤9、浇筑叠合层海砂海水混凝土（也即浇筑现浇部混凝土），形成先张预应力叠合梁。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：

采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁，包括预制部混凝土、现浇部混凝土和FRP筋笼；

FRP筋笼包括均采用FRP筋材的下部纵筋、腰筋、上部纵筋和箍筋；

下部纵筋张拉后埋置在预制部混凝土的底部，且两端均从预制部混凝土中伸出，形成伸出部；

每根下部纵筋上均设置有两根FRP短管、超高性能混凝土和两个附加肋；

两根FRP短管分别套设在下部纵筋的两个伸出部外周，超高性能混凝土填充在两根FRP短管与对应伸出部之间的环形缝隙内；FRP短管、超高性能混凝土和下部纵筋，共同构成下部FRP组合筋；套设有FRP短管的下部纵筋伸出部，分别伸入面向海洋环境建筑中梁柱的连接节点内；

两个附加肋分别设置在FRP短管内侧的下部纵筋上，且预埋在预制部混凝土中；

腰筋预埋在预制部混凝土的顶部；

上部纵筋布设在现浇部混凝土中，箍筋用于固定上部纵筋、腰筋和下部纵筋；

施工方法，包括如下步骤：

步骤1、制作下部纵筋上的附加肋：将铝合金管安装至每根下部纵筋的设定锚固区域，通过挤压铝合金管，在下部纵筋表面形成附加肋，并在附加肋表面涂抹钝化液；

步骤2、制作FRP筋笼：将步骤1制作的多根下部纵筋依次放置在箍筋的底部，并在箍筋的中部绑扎腰筋，从而形成FRP筋笼；

步骤3、张拉并固定下部纵筋：将步骤2制作的FRP筋笼置于钢模内，用张拉装置将每根下部纵筋均张拉至控制应力，并用夹具临时固定张拉后的下部纵筋；

步骤4、浇筑并养护预制部混凝土：在钢模内或钢模两侧支模，形成预制部混凝土浇筑模具；然后在预制部混凝土浇筑模具内浇筑海砂海水混凝土并养护；当海砂海水混凝土强度不低于设计值的75%时，切断下部纵筋两端，切断后的每根下部纵筋两端均伸出至预制部混凝土外侧；

步骤5、套设FRP短管并填充超高性能混凝土：在每根下部纵筋两端的伸出部上各套设一根FRP短管；接着，在每根FRP短管与对应下部纵筋之间的环形间隙内填充超高性能混凝土，从而形成下部FRP组合筋；

步骤6、安装预制部混凝土：通过起重机械，将叠合梁预制部混凝土吊装至面向海洋环境的建筑的梁柱连接节点处，套设有FRP短管的下部纵筋伸出部均伸入梁柱连接节点内；调整预制部混凝土的垂直度与位置；

步骤7、安装上部纵筋，具体安装方法，包括如下步骤：

步骤71、安装FRP长管：在FRP筋笼的顶部中心，放置设定长度的FRP长管；FRP长管的数量与上部纵筋的数量相同，且位置相对应；

步骤72、穿插上部纵筋：将上部纵筋伸入对应的FRP长管内；当上部纵筋具有两根以上时，应使得上部纵筋的对接位置处于梁跨中段的FRP长管内；

步骤73、填充超高性能混凝土：在步骤72的每个FRP长管与对应上部纵筋之间的环形间隙内均填充超高性能混凝土并养护；FRP长管、上部纵筋和填充在两者间的超高性能混凝土，共同构成上部FRP组合筋；

步骤8、安装预制叠合板；

2.根据权利要求1所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：步骤72中，上部纵筋在穿插前，位于梁端的上部纵筋表面各套设一个铝合金管并挤压成型，形成两个附加肋；在上部纵筋穿插后，两个附加肋位于FRP长管两侧的上部纵筋上。

3.根据权利要求1所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：每根上部纵筋上均还设置有FRP长管、超高性能混凝土和两个附加肋；

FRP长管套设在上部纵筋的跨中段，超高性能混凝土填充在FRP长管与上部纵筋之间的环形缝隙内；FRP长管、超高性能混凝土和上部纵筋，共同构成上部FRP组合筋；

4.根据权利要求3所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：附加肋均为挤压的铝合金管，铝合金管的表面涂覆有钝化液。

5.根据权利要求4所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：铝合金管的直径为下部纵筋或上部纵筋直径的2倍。

6.根据权利要求5所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：铝合金管在下部纵筋或上部纵筋上的挤压量为2~4mm。

7.根据权利要求1所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：预制部混凝土为凹形槽状结构。

8.根据权利要求7所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：预制部混凝土的顶面和两侧端面均为粗糙面。

9.根据权利要求3所述的采用FRP组合筋的先张预应力叠合梁的施工方法，其特征在于：FRP短管和FRP长管表面均设置有通长螺纹。