CN113175155A - 一种frp预应力体系超高性能混凝土t型梁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土木工程相关技术领域，并公开了一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁及其制备方法。该T型梁包括：上翼缘、腹板、下翼缘和FRP预应力体系。其中，腹板设置在上翼缘与下翼缘之间，用于连接上下翼缘，上下翼缘的中心设置FRP筋/索，该FRP筋/索作为T型梁的预应力筋；根据施工方式的不同分为整体式梁和节段式梁，其中节段式梁不仅包括上述部件，在其各节段连接截面还布置剪力键。本发明将超高性能混凝土与FRP相结合，充分发挥两种高性能材料优越的力学性能和耐久性，使梁的结构设计更加纤细、轻薄和简洁，解决传统混凝土T型梁在结构设计、耐久性及施工方面的问题，且能够节约结构全生命周期成本，具有长远的经济效益。

Description

一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁及其制备方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，更具体地，涉及一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁及其制备方法。
背景技术
传统钢筋混凝土结构自重大，跨越能力有限，施工工艺比较复杂、生产周期较长，而且普通混凝土的抗裂性差，容易产生裂缝，这使得布置在混凝土内部的钢筋不能得到有效地保护而产生钢筋锈蚀问题，进而影响结构的性能。为了能够彻底的解决上述问题，人们将目光投向新型的高性能材料，其中以超高性能混凝土(Ultra High PerformanceConcrete，简称UHPC)和纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)两种材料最为突出。
超高性能混凝土是采用最大堆积密度理论，利用毫米级的细骨料，微米级的胶凝材料和亚微米级的硅灰形成致密堆积，最后掺入钢纤维，得到的具有超高强度、韧性和耐久性的一种水泥基复合材料。与普通混凝土结构相比，由于超高性能混凝土具有超高强度和韧性，因此可以将结构构件设计的更加纤细、轻薄和简洁，显著降低结构的材料用量，有效地减小了结构的自重，不仅提升了结构的跨越能力而且有利于现场施工。此外，超高性能混凝土的抗碳化、抗氯离子渗透和抗化学腐蚀能力相比于普通混凝土也有显著的提高，这使得UHPC结构具有超高的耐久性，因此UHPC特别适合用于桥梁结构、抗爆结构、薄壁结构以及在高腐蚀环境下构造物的建造。
FRP是由高性能纤维丝、树脂和添加剂等材料经过特殊的加工工艺复合而成，因其具有抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀和抗疲劳性能优良以及可设计性强等优点，使其在土木工程领域的应用范围越来越广泛，作为预应力混凝土结构中的预应力筋/索就是其中之一。常用作预应力筋/索的FRP种类包括：芳纶纤维(AFRP)、碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)或混杂纤维。使用FRP筋/索代替传统的高强钢丝、钢绞线作为预应力筋可以有效避免预应力钢筋锈蚀对结构使用功能产生的不利影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁及其制备方法，该T型梁将超高性能混凝土与FRP相结合，利用超高性能混凝土超高的抗压强度，在梁上施加更大的预应力，从而使梁的结构设计更加纤细、轻薄；利用超高性能混凝土的高抗拉强度和受拉应变硬化对梁斜截面抗剪带来的加强，从而省略抗剪腹筋，简化梁的构造；利用FRP筋的高抗拉强度施加预应力；利用超高性能混凝土和FRP筋的强耐久性，提高梁的使用寿命。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，该T型梁包括上翼缘、腹板、下翼缘和FRP预应力体系。其中，所述上翼缘可作为桥面，所述腹板设置在所述上翼缘和下翼缘之间，用于连接所述上翼缘和下翼缘，连接过渡采用直倒角，所述上翼缘的上表面和下表面为水平面，所述下翼缘的上表面为斜平面，所述下翼缘的下表面为水平面。FRP预应力体系包括：FRP筋/索以及与FRP筋/索相适配的锚具，该FRP筋/索作为所述T型梁的预应力筋，布置在所述上翼缘和下翼缘的中心。
进一步优选地，所述T型梁采用掺钢纤维的超高性能混凝土预制；所述FRP筋/索的材质为芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维；所述T型梁内无需设置抗剪腹筋，除钢纤维外，T型梁内没有钢材参与。
进一步优选地，所述T型梁的总长度小于或等于50m，梁的横截面沿纵向是变截面或等截面。
进一步优选地，所述T型梁包括整体式和节段式两种，所述节段式T型梁由多个预制节段拼接形成，所述预制节段类型分为中间节段和锚固节段。
进一步优选地，通过拼接形成的节段式T型梁在其预制节段接缝面上设置剪力键，所述拼接节段接缝面涂以环氧树脂形成胶接缝。
进一步优选地，所述剪力键均匀分布在所述上翼缘和腹板上，剪力键包括键块和键槽，所述剪力键块/槽采用梯形或圆角梯形截面，剪力键为多重剪力键，所述键块/槽的键长为100mm～300mm，键宽为50mm～100mm，键深为50mm～100mm。
进一步优选地，所述FRP筋/索施加预应力的方法为后张法。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1预制超高性能混凝土T型梁初坯，并在该初坯的上翼缘和下翼缘的中心预留孔道；
S2在所述预留孔道中穿入所述FRP筋/索并进行张拉，然后采用与FRP筋/索配套的锚具将所述FRP筋/索锚固，通过该锚具将所述FRP筋/索产生的张拉应力传递给超高性能混凝土T型梁，使其产生预压应力；
S3对于节段式T型梁，在将预应力FRP筋/索插入预留管道前，先将预制完成的各拼接节段按顺序排列，然后在节段的接缝面上涂抹环氧树脂，最后将相邻节段的剪力键对接，形成一个T型梁的整体；
S4预应力施加完成后，在预留孔道中灌入高强砂浆或不掺钢纤维的超高性能混凝土浆进行密封，凝固后获得所需的T型梁。
进一步优选地，在步骤S1中，所述T型梁初坯的制备包括下列步骤：
S11使用强制式搅拌机搅拌超高性能混凝土，将搅拌均匀的超高性能混凝土浆浇筑在钢模板内并密封，浇筑温度大于10℃；
S12将浇筑成型的T型梁初坯在温度大于10℃、相对湿度大于70％的环境中放置12小时，然后在70℃～90℃高温蒸汽中养护72小时，养护过程中相对湿度保持在95％以上，达到预设强度后，拆除所述模板；
S13拆除所述模板后，在70℃～90℃高温蒸汽和相对湿度大于95％的环境中养护48小时，以此获得所需的T型梁初坯。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1、本发明T型梁将超高性能混凝土与FRP筋/索相结合，利用超高性能混凝土超高的抗压强度，在梁上施加更大的预应力，从而使梁的结构设计更加纤细、轻薄，提升了结构的跨越能力；利用超高性能混凝土的高抗拉强度和受拉应变硬化对梁斜截面抗剪带来的加强，省略抗剪腹筋，简化梁的构造；利用FRP筋轻质高强、耐疲劳的优点，既可以施加高预应力又可以增强结构在反复荷载作用下的抗疲劳性；
2、本发明T型梁所采用的超高性能混凝土和FRP筋均是耐久性极好的材料，梁体内不再设置任何钢筋，从根本上解决结构因钢筋锈蚀所产生的耐久性问题，非常适用于沿海或海洋工程、盐渍土地区或者受除冰盐影响的环境等恶劣条件下的建筑结构和桥梁结构，使结构的使用寿命大幅提高，节约结构全生命周期成本，具有长远的经济效益；
3、本发明T型梁的制备方式为工厂预制，能够满足超高性能混凝土的养护条件，不受外界恶劣天气或环境的影响，保证施工的进度和结构的质量；在相同跨度下，该FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁比传统钢筋混凝土梁的自重有大幅度的下降，有效地降低了施工和运输的难度，保证短时间内完成安装，减少对周边环境或道路交通的干扰，非常适用于修建或改造展览馆、体育馆等空间较大的建筑结构或一些中小跨度公路、铁路或市政桥梁。
4、本发明将超高性能混凝土与FRP相结合，充分发挥两种材料轻质高强、耐久性能优异的特性，设计出更加纤细、轻薄的梁构件，在梁内不再设置任何钢筋，从根本上解决传统钢筋混凝土梁因钢筋锈蚀所产生的耐久性问题，使结构的使用寿命大幅提高，节约结构全生命周期成本，具有长远的经济效益。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的FRP预应力体系超高性能混凝土整体式T型梁的纵向结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的FRP预应力体系超高性能混凝土整体式或节段式T型梁的锚固截面示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的FRP预应力体系超高性能混凝土整体式或节段式T型梁的一般截面示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的FRP预应力体系超高性能混凝土节段式T型梁的纵向结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的FRP预应力体系超高性能混凝土节段式T型梁的节段拼接截面示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-上翼缘，2-腹板，3-下翼缘，4-FRP筋/索，5-锚具，6-剪力键。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1-5为本发明的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁的示意图，该T型梁包括整体式T型梁(图1)和节段式T型梁(图4)，两种T型梁都包含上翼缘1、腹板2、下翼缘3、FRP筋/索4以及与FRP筋/索相适配的锚具5，此外节段式T型梁还包括剪力键6。其中，上翼缘1可作为桥面板，腹板2设置在上翼缘1和下翼缘3之间，用于连接上翼缘1和下翼缘3，连接过渡采用直倒角；上翼缘1的上表面和下表面为水平面，下翼缘3的上表面为斜平面，下翼缘3的下表面为水平面。该FRP筋/索4作为T型梁的预应力筋，布置在上翼缘1和下翼缘3的中心。
T型梁采用掺钢纤维的超高性能混凝土预制；FRP筋/索4的材质为芳纶纤维(AFRP)、碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)或混杂纤维。梁体内无需设置抗剪腹筋，除钢纤维外，T型梁内没有钢材参与。
进一步的，T型梁的总长度小于或等于50m，梁的横截面沿纵向是变截面或等截面如图1和图4所示。
进一步的，图4所示的节段式T型梁由多个预制节段拼接形成，预制节段类型分为中间节段和锚固节段。
进一步的，通过拼接形成的节段式T型梁在其预制节段接缝面上设置剪力键6，预制节段接缝面涂以环氧树脂形成胶接缝。
进一步的，剪力键6均匀分布在上翼缘1和腹板2上，剪力键6包括键块和键槽，剪力键块/槽采用梯形或圆角梯形截面，剪力键6为多重剪力键，键块/槽的键长为100mm～300mm，键宽为50mm～100mm，键深为50mm～100mm如图4或图5所示。
FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁的制备方法包括下列步骤：
1、预制超高性能混凝土T型梁初坯，并在该初坯的上翼缘和下翼缘的中心预留孔道；
2、在预留孔道中穿入FRP筋/索并进行张拉，然后采用与FRP筋/索配套的锚具将FRP筋/索锚固，通过该锚具将FRP筋/索产生的张拉应力传递给超高性能混凝土T型梁，使其产生预压应力；
3、对于节段式T型梁，在将预应力FRP筋/索插入预留管道前，先将预制完成的各节段按拼接顺序排列，然后在节段的接缝面上涂抹环氧树脂，最后将相邻节段的剪力键对接，形成一个T型梁的整体；
4、预应力施加完成后，在预留孔道中灌入高强砂浆或不掺钢纤维的超高性能混凝土浆进行密封，凝固后获得所需的T型梁。
其中预制超高性能混凝土T型梁初坯具体步骤为：
1、使用强制式搅拌机搅拌超高性能混凝土，将搅拌均匀的超高性能混凝土浆浇筑在钢模板内并密封，浇筑温度大于10℃；
2、将浇筑成型的T型梁初坯在温度大于10℃、相对湿度大于70％的环境中放置12小时，然后在70℃～90℃高温蒸汽中养护72小时，养护过程中相对湿度保持在95％以上，达到预设强度后，拆除模板；
3、拆除模板后，在70℃～90℃高温蒸汽和相对湿度大于95％的环境中养护48小时，以此获得所需的T型梁初坯。
本领域的技术人员容易理解，上述内容仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，该T型梁包括上翼缘、腹板、下翼缘和FRP预应力体系，其中，所述腹板设置在所述上翼缘和下翼缘之间，用于连接所述上翼缘和下翼缘，连接过渡采用直倒角；所述上翼缘的上表面和下表面为水平面，所述下翼缘的上表面为斜平面，所述下翼缘的下表面为水平面，FRP预应力体系包括：FRP筋/索以及与FRP筋/索相适配的锚具，该FRP筋/索作为所述T型梁的预应力筋，布置在所述上翼缘和下翼缘的中心。
2.如权利要求1所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，所述T型梁采用掺钢纤维的超高性能混凝土预制；所述FRP筋/索的材质为芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维；所述T型梁内没有设置抗剪腹筋，除钢纤维外，T型梁内没有钢材参与。
3.如权利要求1或2所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，所述T型梁的总长度小于或等于50m，梁的横截面沿纵向是变截面或等截面。
4.如权利要求3所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，所述T型梁包括整体式和节段式两种，所述节段式T型梁由多个预制节段拼接形成，所述预制节段类型分为中间节段和锚固节段。
5.如权利要求4所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，通过拼接形成的节段式T型梁在其预制节段接缝面上设置剪力键，所述预制节段接缝面涂以环氧树脂形成胶接缝。
6.如权利要求5所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，所述剪力键均匀分布在所述上翼缘和腹板上，剪力键包括键块和键槽，所述剪力键块/槽采用梯形或圆角梯形截面，剪力键为多重剪力键，所述键块/槽的键长为100mm～300mm，键宽为50mm～100mm，键深为50mm～100mm。
7.如权利要求1或2所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁，其特征在于，所述FRP筋/索施加预应力的方法为后张法。
8.权利要求1-7任一项所述的一种FRP预应力体系超高性能混凝土T型梁的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1预制超高性能混凝土T型梁初坯，并在该初坯的上翼缘和下翼缘的中心预留孔道；
S2在所述预留孔道中穿入所述FRP筋/索并进行张拉，然后采用与FRP筋/索配套的锚具将所述FRP筋/索锚固，通过该锚具将所述FRP筋/索产生的张拉应力传递给超高性能混凝土T型梁，使其产生预压应力；
S3对于节段式T型梁，在将预应力FRP筋/索插入预留管道前，先将预制完成的各节段按拼接顺序排列，然后在节段的接缝面上涂抹环氧树脂，最后将相邻节段的剪力键对接，形成一个T型梁的整体；
S4预应力施加完成后，在预留孔道中灌入高强砂浆或不掺钢纤维的超高性能混凝土浆进行密封，凝固后获得所需的T型梁。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述T型梁初坯的预制包括下列步骤：
S11使用强制式搅拌机搅拌超高性能混凝土，将搅拌均匀的超高性能混凝土浆浇筑在钢模板内并密封，浇筑温度大于10℃；
S12将浇筑成型的T型梁初坯在温度大于10℃、相对湿度大于70％的环境中放置12小时，然后在70℃～90℃高温蒸汽中养护72小时，养护过程中相对湿度保持在95％以上，达到预设强度后，拆除所述模板；
S13拆除所述模板后，在70℃～90℃高温蒸汽和相对湿度大于95％的环境中养护48小时，以此获得所需的T型梁初坯。
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