玻璃纖維筋模板拉桿在荊州市鹽卡泵站新建工程中的應用

楊 莉 劉成蛟

(湖北華夏水利水電股份有限公司，湖北 荊州 434000)

傳統(tǒng)混凝土工程模板安裝采用鋼筋拉桿作為固定模板的施工方法，存在外露拉桿切除困難、端頭處理繁瑣、影響混凝土外觀表面質量等缺點。為克服鋼筋拉桿上述缺點和不足，對玻璃纖維筋材料進行了系統(tǒng)研究，通過材料測試、室內實驗、工藝試驗和應用實踐，形成了采用玻璃纖維筋代替鋼筋作為拉桿的施工工藝技術。該施工工藝技術經多個工程項目實踐應用，達到了預期的效果，可有效提高工作效率，降低施工成本，保證混凝土的表觀質量，推廣前景良好。

1 工程概況

新建鹽卡泵站位于荊州市城區(qū)，在荊江大堤樁號745+740處堤內側，承擔沙市城區(qū)、荊州開發(fā)區(qū)、沙市農場、岑河鎮(zhèn)、鑼場鎮(zhèn)等面積190.2km2城區(qū)的排澇任務，將城市澇水抽排至長江沙市河灣下段。泵站排區(qū)主要為沙市區(qū)南北渠以西區(qū)域，設計排澇流量為55m3/s。

泵站主要建筑物有主泵房、安裝間、副廠房、變電站、攔污柵(橋)、進水前池、引渠、出口箱涵及出水渠等；工程為Ⅱ等大(2)型工程，防洪閘、穿堤建筑物為1級建筑物，其余主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。

本施工工藝技術應用于鹽卡泵站進口攔污柵橋第三、四節(jié)擋土墻等部位，第三節(jié)擋土墻結構長17.3m，高7m，墻體厚度為1m，模板面積484.4m2；第四節(jié)擋土墻結構長13.3m，高為3～7m漸變，墻體厚度為1m，模板面積273.8m2。共使用玻璃纖維筋拉桿2370根。

2 施工準備

2.1 材料準備

模板采用標準尺寸模板，按模板總體拉桿布置計算位置進行鉆孔，以方便拉桿對穿緊固作業(yè)；玻璃纖維筋按標準單根拉桿長度在工廠定尺采購，并配備兩端緊固墊板和緊固螺帽，其他輔助材料主要有鋼管、方木、圓鐵釘、鐵絲等，根據(jù)施工圖紙以及模板系統(tǒng)設計施工方案，計算模板系統(tǒng)材料用量，制定材料采購計劃。主要材料規(guī)格、使用部位見表1。

表1 主要材料規(guī)格、使用部位

2.2 加工設備準備

將模板加工的機械運輸進場，安裝在規(guī)劃好的位置，主要有圓盤鋸、木工壓刨機床、臺式木工多用機床、曲面鋸、電圓鋸(手提式)、電刨(手提式)、電鉆、角磨機等；安裝位置既要保證各機械的安全使用和安全運行，又要確保各機械工作時不相互間干擾。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

本施工工藝主要內容包括施工準備、玻璃纖維筋配件檢查、玻璃纖維筋拉桿下料、模板和玻璃纖維筋拉桿安裝、混凝土澆筑、模板拆除及玻璃纖維筋拉桿切割等(見圖1)。

圖1 施工工藝流程

3.2 玻璃纖維筋拉桿結構

3.2.1 玻璃纖維筋拉桿模板加固系統(tǒng)

玻璃纖維筋拉桿模板加固系統(tǒng)由玻璃纖維筋拉桿、止水橡膠片、蝴蝶扣、緊固螺帽組成(見圖2)。

圖2 玻璃纖維筋拉桿模板加固系統(tǒng)示意圖1-止水橡膠片；2-玻璃纖維筋拉桿；3-蝴蝶扣；4-緊固螺帽

3.2.2 玻璃纖維筋拉桿及配套螺栓

玻璃纖維筋材為各向異性材料，其抗剪抗扭強度較弱，按常規(guī)2.0mm設置螺紋深度時，玻璃纖維筋拉桿易因結合不緊密，發(fā)生與螺帽滑絲現(xiàn)象。為增大玻璃纖維筋螺桿和螺栓錨固力，本施工工藝技術適度提升螺紋深度至2.5mm，增長螺帽長度至80mm，經實驗驗證錨固效果良好。

以φ14拉桿為例，當螺紋加深至2.5mm，螺紋桿中心部分直徑為9.0mm時，極限螺紋荷載為52.1kN，錨固和抗拉強度能滿足施工要求，計算見3.3中拉桿軸向力計算(傳統(tǒng)φ14鋼筋對拉拉桿配套使用M14螺帽，錨固長度20mm，容許拉力17.8kN。)

3.2.3 橡膠止水片

在拉桿中安裝對應的配套止水片以提高玻璃纖維筋和混凝土結合面的抗?jié)B止水性能(見表2)。

表2 玻璃纖維筋拉桿止水片選擇

無抗?jié)B要求的混凝土構筑物，玻璃纖維筋拉桿可以不安裝止水片?？?jié)B要求S6、體積較小的混凝土，為防止橡膠圈遇水膨脹對混凝土造成傷害，玻璃纖維筋拉桿可選擇注塑止水片。對于大型水工混凝土構筑物，可忽略混凝土的微膨脹，玻璃纖維筋拉桿采用止水效果較好的橡膠片和止水膠。該套止水片由止水膨脹橡膠圈和內嵌于橡膠圈的單組分緩釋止水膠組成。止水膠和現(xiàn)澆混凝土中的水發(fā)生固化反應后可阻斷玻璃纖維筋拉桿和混凝土黏結界面的滲水通路，從而達到提高抗?jié)B性的作用。

3.3 玻璃纖維筋拉桿校核計算

3.3.1 拉桿軸向力計算

3.3.1.1 混凝土自重對模板側壓力計算

新澆混凝土側壓力按式(1)和式(2)計算，取較小值：

(1)

F2=γcH

(2)

式中F1，F(xiàn)2——新澆混凝土自重對模板的側壓力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m3，取24kN/m3；

V——混凝土的澆筑速度，m/h；

H——混凝土計算側壓力位置處至新澆筑混凝土頂面位置高度，m；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，不摻加外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用外加劑時取1.2；

β2——混凝土坍落度修正影響系數(shù)，當坍落度小于30mm時取0.85；為50～90mm時取1.0；為110～150mm時取1.15。

新澆混凝土對模板側壓力大小受澆筑時間制約，澆筑高度達5.4m時，底部混凝土開始凝固，混凝土對于底部模板產生的側壓力逐漸消失，對此驗算大體積結構側模承載力計算過程如下：

F1=0.22×24×200/(15+15)×1.2×1.0=42.24kN/m2

F2=24×5.4=129.6kN/m2

F=min(F1，F(xiàn)2)=42.24kN/m2

3.3.1.2 模板荷載設計值計算

混凝土澆筑過程中，傾倒混凝土時對側面模板產生的水平荷載標準值pv=3kN/m2，振搗混凝土時對側模板產生的水平荷載標準值取pc=4kN/m2。采用荷載標準值乘以相應的荷載分項系數(shù)求得，模板自重、混凝土自重分項系數(shù)Gk為1.2，振搗混凝土產生的荷載系數(shù)Sk為1.4，傾倒混凝土產生的荷載系數(shù)Qk為1.4，按式(3)計算。

Fy=FGk+pvQk+pcSk

(3)

式中Fy——混凝土對模板水平荷載總值；

F——混凝土自重對模板最大側壓力；

Gk——混凝土自重分項系數(shù)；

pv——混凝土傾倒產生的荷載；

Qk——混凝土傾倒分項系數(shù)；

pc——混凝土振搗產生的荷載；

Sk——混凝土振搗分項系數(shù)。

混凝土對模板水平荷載總值Fy計算如下：

Fy=1.2×42.24+1.4×4+1.4×3=60.488kN/m2

3.3.1.3 單根拉桿最大拉力計算

拉桿橫縱向間隔按a=450mm、b=450mm考慮，單根螺桿拉力設計值為：F=0.45×0.45×60.488=12.25kN。

φ14玻璃纖維筋斷裂荷載62.1kN，螺紋極限承載力為52.1kN。螺桿軸向拉力設計值需小于螺桿極限抗拉力和螺紋極限承載力：

12.25kN

3.4 拉桿布置方案優(yōu)化

傳統(tǒng)鋼筋拉桿布置方案中縱橫向圍檁間隔通常采用固定值。由于現(xiàn)澆混凝土上部模板側壓力較小，下部模板側壓力較大，故對玻璃纖維筋拉桿的布置方案進行了優(yōu)化。本施工工藝技術通過運用有限元軟件和實驗相結合的方式提出“上疏下密”型布置方案，在滿足混凝土驗收規(guī)范的情況下減少纖維筋的用量，以降低成本。

3.4.1 有限元模擬及實驗驗證

分別對木方、鋼管、模板、玻璃纖維筋進行建模，玻璃纖維筋橫向間隔a=1.8m，縱向間隔b=0.7m，鋼管采用Q235碳素鋼，木方及模板的材料參數(shù)來自于參考文獻，裝配后對模板施加分布荷載，模板最大位移3.55mm，底部纖維筋最大應力為37MPa。

實驗和有限元數(shù)值模擬較為吻合，底部玻璃纖維筋最大應變?yōu)?97×10-6，遠小于安全設計值。但橫向間隔a和縱向間隔b對模板中心處最大位移U較為敏感，通過多次實驗擬合出最大位移與混凝土密度、玻璃纖維筋距離模板頂部的距離、橫向間隔、縱向間隔關系的經驗公式：

U=K(ρh)0.25e(2.09X+2.24Y)

(4)

式中U——拉桿中心處最大位移，mm；

K——調整系數(shù)；取0.007；

ρ——模板之間混凝土的密度，kg/m3，取2400kg/m3；

h——玻璃纖維筋的頂點距離模板頂部的距離，mm；

X——橫向間隔，m；

Y——縱向間隔，m。

例：間隔為600mm的布筋方式，距離頂部h=100mm，混凝土密度為2400kg/m3，最大位移為：U=0.007×(2400×100)0.25×2.72(2.09×0.6+2.24×0.6)=2.08mm。

3.4.2 拉桿間距優(yōu)化

基于最大位移公式和相應混凝土驗收規(guī)范，對模板體系玻璃纖維筋拉桿布置間距進行優(yōu)化，以3m墻高為例，優(yōu)化布置后縱、橫向間隔(見表3)。

表3 拉桿間距布置優(yōu)化

經室內實驗和項目現(xiàn)場實踐，采用優(yōu)化后的“上疏下密”型布置方案，能滿足混凝土澆筑要求，模板變形和外觀質量能滿足混凝土驗收規(guī)范要求。

3.5 玻璃纖維筋拉桿安裝操作要點

3.5.1 施工準備

根據(jù)設計要求，結合澆筑現(xiàn)場實際條件和要求，繪制拉桿布置圖。

復查玻璃纖維筋、單組分止水膠的質量，不使用外觀有開裂的玻璃纖維筋拉桿。

按拉桿布置要求準備充足的玻璃纖維筋對拉拉桿、蝴蝶扣、墊片、螺栓等材料。

3.5.2 模板安裝

由于止水片固定在拉桿上，因此有止水片的拉桿，應在一側模板立好后先完成一側安裝，再完成另一側安裝，無止水片的普通拉桿，可在兩側模板立好后從一側對穿完成安裝。

3.5.3 對拉拉桿安裝及加固

模板應按拉桿間距布置拉桿安裝孔，兩側模板開孔應對稱一致，確保拉桿水平，并與模板面垂直。

玻璃纖維筋由內到外由玻璃纖維、高性能樹脂和固化劑通過機器拉擠纏繞而成。外層的樹脂材料和固化層力學性能較差，拉桿安裝、緊固方式不當時易導致外側固化層開裂。因此對拉拉桿應水平穿過預留孔，不得斜拉硬頂。加固時應逐側進行，適當控制螺絲預緊力。

3.5.4 混凝土澆筑

澆筑過程中應派遣專人檢查支架、模板、拉桿的穩(wěn)固情況，當拉桿出現(xiàn)松動、滑絲現(xiàn)象時，應及時處理。

3.5.5 拉桿割除

混凝土達到設計指標拆除模板后，用角磨機把玻璃纖維筋拉桿外露部分切割掉，切割處無須進行表面處理。

4 玻璃纖維筋拉桿材料參數(shù)

4.1 玻璃纖維筋

玻璃纖維筋(GFRP rebar)以玻璃纖維為增強材料，具有輕質高強耐腐蝕易切割等特點。筋材性能及測試方法嚴格按照《纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范》(GB 50608—2010)、《土木工程用玻璃纖維增強筋》(JG/T 406—2013)等標準或規(guī)范進行(見表4、表5)。

表4 玻璃纖維筋力學性能參數(shù)

表5 玻璃纖維筋外觀質量標準

4.2 止水橡膠片

止水橡膠片性能及測試按《高分子防水材料》(GB 18173—2014)執(zhí)行(見表6)。

表6 橡膠片基本性能參數(shù)

4.3 單組分止水膠

本施工工藝技術采用PJ220止水膠。該止水膠為水膨脹單液型密封劑，遇水開始硬化并膨脹，硬化后成為復原性良好的橡膠彈性體，固化7天后體積膨脹2.3倍，能充填空隙發(fā)揮止水效果。PJ220止水膠性能及測試按《高分子防水材料》(GB 18173—2014)執(zhí)行(見表7)。

表7 PJ220材料參數(shù)

5 質量控制

玻璃纖維筋以同一規(guī)格、同一種材料、同一生產工藝、穩(wěn)定連續(xù)生產的500根為一批。每批產品應進行外觀、尺寸偏差和抗拉強度的檢驗。

玻璃纖維筋現(xiàn)場宜儲存在空氣干燥、流通的庫房內，并存放在地面以上干燥的平臺或墊子上，不應沾油污。露天存放時，應避免產品受到紫外線長期照射。

6 安全、環(huán)保措施

所有參與拉桿裝拆的人員，均需接受專業(yè)的安全培訓和環(huán)保培訓。

高空裝拆拉桿過程中，所有操作人員須佩戴安全帽、安全帶，并攜帶工具或者工具箱。裝拆拉桿時，上下應有人接應，隨拆隨運，并把活動部件固定牢固，嚴禁堆放在腳手架上，嚴禁拋落。

切割拉桿頭應集中回收處理，不得亂扔亂放，接觸玻璃纖維筋的人員應佩戴防塵口罩，減少皮膚裸露。

7 效益分析

7.1 經濟效益

φ14玻璃纖維筋每米5.5元，而φ14鋼筋拉桿每米7.13元，玻璃纖維筋的成本約為鋼筋拉桿的75%。統(tǒng)計對比玻璃纖維筋拉桿的施工效率是傳統(tǒng)鋼筋對拉螺栓的3倍，有助于加快施工進度和節(jié)省勞動力。在混凝土表面的外觀效果上，玻璃纖維筋效果明顯好于鋼筋。拆模后鋼筋拉桿需要抹砂漿進行防銹蝕處理，玻璃纖維筋無須后續(xù)處理。

7.2 社會效益

采用玻璃纖維筋可以節(jié)省鋼鐵資源，減少表面處理砂漿用量，符合國家碳中和戰(zhàn)略，且方便切除，有效提高了工效，節(jié)約了成本。

8 結 語

玻璃纖維筋具有抗拉強度高、材質理化性能穩(wěn)定，不銹蝕等特點，玻璃纖維筋拉桿更便于割除，且更利于環(huán)保節(jié)能，適用于模板支撐結構領域。通過在鹽卡泵站進口攔污柵橋第三、四節(jié)擋土墻等部位的實踐應用，合理布置拉桿間距，減少了拉桿數(shù)量，降低了施工成本，經濟效益顯著。且外露端頭切割方便，切割后色澤與混凝土一致，外觀效果良好。

本施工工藝適用于現(xiàn)澆混凝土墩、墻部位模板安裝工程。對于抗?jié)B性能要求較高的水工混凝土結構，在玻璃纖維筋拉桿中部設置由密封層和單組分止水緩釋膠組成的止水橡膠片，可以滿足拉桿與混凝土結合面的抗?jié)B要求。