一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系及施工方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系及施工方法。

背景技术

目前超高性能混凝土已成为土木工程领域极具有应用前景的新型建筑材料。预应力无腹筋UHPC-NC组合梁充分利用UHPC基体的抗剪能力，通过设置预应力满足抗裂性的要求，并采用无腹筋的设计，达到重量轻、施工便捷的特点。UHPC超高抗压强度可以更好发挥预应力的作用，有利于设计建造更轻质高强的结构。UHPC的材料价格较高，在结构设计中应充分利用材料性能，尽可能减少截面尺寸以实现经济性。无腹筋UHPC-NC梁通过底板预应力束提供的高抗拉强度以提供弯拉性能，预应力筋的数量和张拉力由截面的抗弯承载力和结构延性决定。UHPC作为预应力束的耐久性保护材料，梁体的底板尺寸是由钢束的布设决定的。预应力束通常选用抗拉强度相对较高的钢绞线或高强钢丝，底板常设计为马蹄状，面积占全截面面积的50％以上，使得无腹筋预应力UHPC-NC组合梁较常规的混凝土结构相比，经济性没有优势，从而导致推广难度较大。同时钢绞线的抗拉强度难与UHPC的超高抗压强度相匹配，未能充分利用UHPC的抗压强度，抗弯试验往往是预应力筋拉断的脆性破坏状态。若能采用抗拉强度更高的新型建筑材料作为组合梁的预应力，将能研发出性价比及受力更优的UHPC结构。

碳纤维增强复合材料CFRP具有轻质、比强度大、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳和易于施工等优点，尤其是抗拉强度可达常规钢绞线的1.5倍以上，可认为是作为混凝土结构预应力筋的理想材料。然而CFRP配筋混凝土结构中反映结构延性的塑性残余变形比普通混凝土结构的要小，其延性性能主要取决于混凝土的塑性，常规的CFRP配筋混凝土结构延性较差，且黏结强度随CFRP筋的直径增大而减小。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系，充分利用UHPC的受压强度及CFRP筋的抗拉强度，同时克服了CFRP配筋混凝土结构延性差、黏结强度不足的缺陷，使基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁受弯破坏状态为混凝土压碎，提高延性和变形能力。

上述目的可以通过以下技术方案实现。

一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系，包括：

受拉区梁体，为基于最小堆积密度原理制备而成的超高性能混凝土梁即UHPC梁；

沿所述受拉区梁体长度方向设置的预应力筋，位于所述受拉区梁体内的顶部和底部，所述预应力筋为采用先张法施工的碳纤维增强复合材料CFRP筋；

现场浇筑或者预制而成的桥面板，与所述受拉区梁体采用剪力筋连接。

本发明将具有韧性好、抗压强度高等优异物理力学性能的UHPC应用于CFRP配筋结构.掺入适量钢纤维的UHPC具有比普通混凝土高的极限抗拉强度和峰值应变及极限应变，这对于提高发生混凝土压碎破坏的CFRP配筋结构的延性具有重要意义。UHPC优异的黏结锚固性能，保证了与大直径的CFRP筋连接的握裹性与耐久性。对于UHPC结构而言，先张法预应力与后张法工艺相比，有UHPC材料用料省、施工工艺简单、节省锚具、受力均匀等优点。对于CFRP预应力筋而言，先张法不仅能解决其握裹性问题，且无需特制锚具，具有较高的推广价值。

本发明还具有以下优选设计：

本发明的所述受拉区梁体的截面形式为π型梁、工字型梁、T型梁、U型梁之中的任意一种。

作为可行的实施方式，桥梁跨径小于20m时所述受拉区梁体采用π型梁或工字型梁，桥梁跨径在20m～30m之间时所述受拉区梁体采用T型梁，桥梁跨径大于30m时所述受拉区梁体采用U型梁。

本发明的所述预应力筋为直线束，不设置锚具，预应力筋为采用先张法工艺的CFRP筋，CFRP筋横向刚度较小，并设置为直线束，方便施工，高效解决CFRP筋的握裹性问题，无需布置预应力管道及锚具，提高施工效率的同时，有利于钢纤维的均匀分布。

本发明的所述受拉区梁体采用高应变硬化型高性能混凝土的UHPC，由于UHPC与钢筋的黏结性能较强，UHPC梁的抗剪承载力由腹板的UHPC基体材料承担，应用UHPC材料较高的抗拉强度、耐久性能和开裂前的抗疲劳强度，所述受拉区梁体的中部即腹板内部可不设置箍筋和普通弯起钢筋，剪力筋无需过长的锚固长度。所以本发明所述剪力筋采用倒“U”型，结构简单，可满足抗剪连接需求，其中剪力筋根据计算结果布设。

本发明的目的之二在于提供一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系的施工方法，包括以下步骤：

S1.在台座上安装预应力筋，并进行张拉锚固；

S2.预制受拉区梁体，浇筑所述受拉区梁体前预留剪力筋和吊点钢筋；

S3.对浇筑的所述受拉区梁体进行保湿养护至设计强度后，对所述预应力筋进行放张；

S4.对所述受拉区梁体进行高温养护，高温养护的总时间≥48h；

S5.将所述受拉区梁体吊装至施工现场，用于与桥面板连接构成UHPC-NC组合梁体系；

其中，所述步骤S1中所述预应力筋的张拉应力依据UHPC-NC组合梁的结构受弯破坏状态为混凝土发生压碎破坏进行设计。

本发明的所述步骤S5中，所述受拉区梁体在施工现场后浇端横隔梁。

本发明的所述桥面板为现场浇筑的混凝土桥面板或预制桥面板。

本发明具有以下有益效果：

1.经济效果好：UHPC的材料单价较高，本发明在采用无腹筋设计的基础上，利用CFRP材料的高抗拉强度，减少UHPC梁的底板材料用量，实现轻量化设计，便于运输装配。采用先张法工艺施工，无需预留管道及张拉空间，进一步提高UHPC结构性价比。

2.结构受力优：充分利用UHPC和CFRP两种材料的高抗拉及超高抗压强度，通过合理设计，使其抗弯破坏状态为混凝土压碎破坏，延性和变形能力好，耐久性更优。

3.黏结强度高：UHPC梁与CFRP筋的黏结强度比较普通混凝土而言有较大提高，保证了UHPC与大直径的CFRP筋连接的握裹性与耐久性。

4.耐久性佳：UHPC及CFRP材料均为耐久性较优的材料，本组合梁特别适用于高腐蚀环境中使用。

5.简化施工：钢筋工程量少，先张法施工，简化施工工艺、节约锚具，无需灌浆。受拉区梁体可通过工厂化制造，保证质量。

6.节能减排：无腹筋UHPC-NC组合梁的碳排放量一般比钢组合结构桥梁降低约50～60％，基于CFRP预应力筋UHPC-NC组合梁进一步减少了结构断面尺寸，生产和维护过程中产生的碳排放量更少，绿色环保。

综上所述，本发明通过采用基于CFRP预应力筋的UHPC-NC的组合梁体系，在实现经济性的同时，有利于制造的工厂化、运输轻量化以及施工装配化，最终实现工业化制造。有良好的经济效益与社会效益，具有广阔的应用前景，值得推广。

附图说明

图1是本发明的一种基于预应力CFRP筋的UHPC-NC组合梁体系的工字型梁结构示意图；

图2是本发明的一种基于预应力CFRP筋的UHPC-NC组合梁体系；的π型梁结构示意图；

图3是本发明的一种基于预应力CFRP筋的UHPC-NC组合梁体系的T型梁结构示意图；

图4是本发明的一种基于预应力CFRP筋的UHPC-NC组合梁体系的U型梁结构示意图。

附图标记：1-受拉区梁体，2-预应力筋，3--桥面板，4-剪力筋。

具体实施方式

下表面结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。

如图1所示，一种基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系，包括：

受拉区梁体1，为基于最小堆积密度原理制备而成的超高性能混凝土梁即UHPC梁，UHPC梁在工厂内预制，最小强度标准值为130MPa；

沿受拉区梁体1长度方向设置的预应力筋2，位于受拉区梁体1内的顶部和底部，预应力筋2为采用先张法施工的碳纤维增强复合材料CFRP筋，净距不小于30mm；

现场浇筑或者预制而成的桥面板3，与受拉区梁体1采用剪力筋4连接。

作为优选实施例：

本实施例中受拉区梁体的截面形式为工字型梁，其他实施例中，受拉区梁体的截面形式还可以为π型梁、T型梁、U型梁之中的任意一种，具体参见图2至图4。

具体地，桥梁跨径小于20m时受拉区梁体1优先采用π型梁或工字型梁，桥梁跨径在20m～30m之间时受拉区梁体1优先采用T型梁，桥梁跨径大于30m时受拉区梁体1优先采用U型梁。

预应力筋2为直线束，不设置锚具，因为预应力筋2为采用先张法工艺的CFRP筋，CFRP筋横向刚度较小，并设置为直线束，方便施工，高效解决CFRP筋的握裹性问题，无需布置预应力管道及锚具，提高施工效率的同时，有利于钢纤维的均匀分布。其中，预应力筋2按全预应力构件设计，抗拉强度标准值不小于2300MPa，根据计算结果需要，梁端配合套筒设置失效长度。

受拉区梁体1采用高应变硬化型高性能混凝土的UHPC，由于UHPC与钢筋的黏结性能较强，UHPC梁的抗剪承载力由腹板的UHPC基体材料承担，应用UHPC材料较高的抗拉强度、耐久性能和开裂前的抗疲劳强度，所述受拉区梁体的中部即腹板内部可不设置箍筋和普通弯起钢筋，剪力筋4无需过长的锚固长度，剪力筋4采用倒“U”型，结构简单，可满足抗剪连接需求，其中剪力筋根据计算结果布设。

上述基于CFRP预应力筋的UHPC-NC组合梁体系的施工方法，包括以下步骤：

S1.在台座上拼装用于浇筑受拉区梁体1的钢模板，并对其外表面进行防锈处理，在台座上安装预应力筋2，并进行张拉锚固，预应力筋2采用直线束，不得弯折，根据计算结果设置梁端失效长度；

S2.预制受拉区梁体1，浇筑受拉区梁体1前预留剪力筋4和吊点钢筋；

S3.对浇筑的受拉区梁体1进行保湿养护至设计强度后，对预应力筋2进行放张，放张时对称均匀并分次完成；

S4.对受拉区梁体1进行高温养护，高温养护的总时间≥48h；

S5.将受拉区梁体1吊装至施工现场，用于与桥面板3连接构成UHPC-NC组合梁体系；

其中，所述步骤S1中预应力筋2的张拉应力依据UHPC-NC组合梁的结构受弯破坏状态为混凝土发生压碎破坏进行设计。

步骤S5中，受拉区梁体1在施工现场后浇端横隔梁。

桥面板3为现场浇筑的混凝土桥面板或预制桥面板。一般在现场铺设桥面板模板，绑扎钢筋后，现场浇筑混凝土桥面板，其混凝土标号为C50或以上。

本发明中，预应力筋2的张拉应力需保证结构受弯破坏状态为混凝土发生压碎破坏。

上述实施例仅是本发明较优实施例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上作出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。