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(zhì)量等缺點(diǎn)。為克服鋼筋拉桿上述缺點(diǎn)和不足，對(duì)玻璃纖維筋材料進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過材料測試、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、工藝試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)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(shù)。該施工工藝技術(shù)經(jīng)多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)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(zhì)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(hào)745+740處堤內(nèi)側(cè)，承擔(dān)沙市城區(qū)、荊州開發(fā)區(qū)、沙市農(nóng)場、岑河鎮(zhèn)、鑼場鎮(zhèn)等面積190.2km2城區(qū)的排澇任務(wù)，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(shè)計(jì)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(jìn)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(jí)建筑物，其余主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

本施工工藝技術(shù)應(yīng)用于鹽卡泵站進(jìn)口攔污柵橋第三、四節(jié)擋土墻等部位，第三節(jié)擋土墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)備

2.1 材料準(zhǔn)備

模板采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模板，按模板總體拉桿布置計(jì)算位置進(jìn)行鉆孔，以方便拉桿對(duì)穿緊固作業(yè)；玻璃纖維筋按標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)施工方案，計(jì)算模板系統(tǒng)材料用量，制定材料采購計(jì)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(shè)備準(zhǔn)備

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

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

本施工工藝主要內(nèi)容包括施工準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

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(qiáng)度較弱，按常規(guī)2.0mm設(shè)置螺紋深度時(shí)，玻璃纖維筋拉桿易因結(jié)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(shù)適度提升螺紋深度至2.5mm，增長螺帽長度至80mm，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證錨固效果良好。

以φ14拉桿為例，當(dāng)螺紋加深至2.5mm，螺紋桿中心部分直徑為9.0mm時(shí)，極限螺紋荷載為52.1kN，錨固和抗拉強(qiáng)度能滿足施工要求，計(jì)算見3.3中拉桿軸向力計(jì)算(傳統(tǒng)φ14鋼筋對(duì)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(duì)應(yīng)的配套止水片以提高玻璃纖維筋和混凝土結(jié)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(gòu)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(duì)混凝土造成傷害，玻璃纖維筋拉桿可選擇注塑止水片。對(duì)于大型水工混凝土構(gòu)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(nèi)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(yīng)后可阻斷玻璃纖維筋拉桿和混凝土黏結(jié)界面的滲水通路，從而達(dá)到提高抗?jié)B性的作用。

3.3 玻璃纖維筋拉桿校核計(jì)算

3.3.1 拉桿軸向力計(jì)算

3.3.1.1 混凝土自重對(duì)模板側(cè)壓力計(jì)算

新澆混凝土側(cè)壓力按式(1)和式(2)計(jì)算，取較小值：

(1)

F2=γcH

(2)

式中F1，F(xiàn)2——新澆混凝土自重對(duì)模板的側(cè)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(jì)算側(cè)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(shí)取1.0，摻具有緩凝作用外加劑時(shí)取1.2；

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

新澆混凝土對(duì)模板側(cè)壓力大小受澆筑時(shí)間制約，澆筑高度達(dá)5.4m時(shí)，底部混凝土開始凝固，混凝土對(duì)于底部模板產(chǎn)生的側(cè)壓力逐漸消失，對(duì)此驗(yàn)算大體積結(jié)構(gòu)側(cè)模承載力計(jì)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(shè)計(jì)值計(jì)算

混凝土澆筑過程中，傾倒混凝土?xí)r對(duì)側(cè)面模板產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值pv=3kN/m2，振搗混凝土?xí)r對(duì)側(cè)模板產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值取pc=4kN/m2。采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)求得，模板自重、混凝土自重分項(xiàng)系數(shù)Gk為1.2，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載系數(shù)Sk為1.4，傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載系數(shù)Qk為1.4，按式(3)計(jì)算。

Fy=FGk+pvQk+pcSk

(3)

式中Fy——混凝土對(duì)模板水平荷載總值；

F——混凝土自重對(duì)模板最大側(cè)壓力；

Gk——混凝土自重分項(xiàng)系數(shù)；

pv——混凝土傾倒產(chǎn)生的荷載；

Qk——混凝土傾倒分項(xiàng)系數(shù)；

pc——混凝土振搗產(chǎn)生的荷載；

Sk——混凝土振搗分項(xiàng)系數(shù)。

混凝土對(duì)模板水平荷載總值Fy計(jì)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(jì)算

拉桿橫縱向間隔按a=450mm、b=450mm考慮，單根螺桿拉力設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(cè)壓力較小，下部模板側(cè)壓力較大，故對(duì)玻璃纖維筋拉桿的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。本施工工藝技術(shù)通過運(yùn)用有限元軟件和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式提出“上疏下密”型布置方案，在滿足混凝土驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別對(duì)木方、鋼管、模板、玻璃纖維筋進(jìn)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(xiàn)，裝配后對(duì)模板施加分布荷載，模板最大位移3.55mm，底部纖維筋最大應(yīng)力為37MPa。

實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬較為吻合，底部玻璃纖維筋最大應(yīng)變?yōu)?97×10-6，遠(yuǎn)小于安全設(shè)計(jì)值。但橫向間隔a和縱向間隔b對(duì)模板中心處最大位移U較為敏感，通過多次實(shí)驗(yàn)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(guān)系的經(jīng)驗(yàn)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(diào)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(diǎn)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(yīng)混凝土驗(yàn)收規(guī)范，對(duì)模板體系玻璃纖維筋拉桿布置間距進(jìn)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(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)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(zhì)量能滿足混凝土驗(yàn)收規(guī)范要求。

3.5 玻璃纖維筋拉桿安裝操作要點(diǎn)

3.5.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合澆筑現(xiàn)場實(shí)際條件和要求，繪制拉桿布置圖。

復(fù)查玻璃纖維筋、單組分止水膠的質(zhì)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(zhǔn)備充足的玻璃纖維筋對(duì)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(yīng)在一側(cè)模板立好后先完成一側(cè)安裝，再完成另一側(cè)安裝，無止水片的普通拉桿，可在兩側(cè)模板立好后從一側(cè)對(duì)穿完成安裝。

3.5.3 對(duì)拉拉桿安裝及加固

模板應(yīng)按拉桿間距布置拉桿安裝孔，兩側(cè)模板開孔應(yīng)對(duì)稱一致，確保拉桿水平，并與模板面垂直。

玻璃纖維筋由內(nèi)到外由玻璃纖維、高性能樹脂和固化劑通過機(jī)器拉擠纏繞而成。外層的樹脂材料和固化層力學(xué)性能較差，拉桿安裝、緊固方式不當(dāng)時(shí)易導(dǎo)致外側(cè)固化層開裂。因此對(duì)拉拉桿應(yīng)水平穿過預(yù)留孔，不得斜拉硬頂。加固時(shí)應(yīng)逐側(cè)進(jìn)行，適當(dāng)控制螺絲預(yù)緊力。

3.5.4 混凝土澆筑

澆筑過程中應(yīng)派遣專人檢查支架、模板、拉桿的穩(wěn)固情況，當(dāng)拉桿出現(xiàn)松動(dòng)、滑絲現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

3.5.5 拉桿割除

混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)拆除模板后，用角磨機(jī)把玻璃纖維筋拉桿外露部分切割掉，切割處無須進(jìn)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(qiáng)材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕易切割等特點(diǎn)。筋材性能及測試方法嚴(yán)格按照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50608—2010)、《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋》(JG/T 406—2013)等標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范進(jìn)行(見表4、表5)。

表4 玻璃纖維筋力學(xué)性能參數(shù)

表5 玻璃纖維筋外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

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(shù)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(fù)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(zhì)量控制

玻璃纖維筋以同一規(guī)格、同一種材料、同一生產(chǎn)工藝、穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)的500根為一批。每批產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行外觀、尺寸偏差和抗拉強(qiáng)度的檢驗(yàn)。

玻璃纖維筋現(xiàn)場宜儲(chǔ)存在空氣干燥、流通的庫房內(nèi)，并存放在地面以上干燥的平臺(tái)或墊子上，不應(yīng)沾油污。露天存放時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)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(xùn)和環(huán)保培訓(xùn)。

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(shí)，上下應(yīng)有人接應(yīng)，隨拆隨運(yùn)，并把活動(dòng)部件固定牢固，嚴(yán)禁堆放在腳手架上，嚴(yán)禁拋落。

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

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)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(jì)對(duì)比玻璃纖維筋拉桿的施工效率是傳統(tǒng)鋼筋對(duì)拉螺栓的3倍，有助于加快施工進(jìn)度和節(jié)省勞動(dòng)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(jìn)行防銹蝕處理，玻璃纖維筋無須后續(xù)處理。

7.2 社會(huì)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(jié) 語

玻璃纖維筋具有抗拉強(qiáng)度高、材質(zhì)理化性能穩(wěn)定，不銹蝕等特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)領(lǐng)域。通過在鹽卡泵站進(jìn)口攔污柵橋第三、四節(jié)擋土墻等部位的實(shí)踐應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(duì)于抗?jié)B性能要求較高的水工混凝土結(jié)構(gòu)，在玻璃纖維筋拉桿中部設(shè)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(jié)合面的抗?jié)B要求。