一种预应力FRP筋纤维高强轻骨料混凝土梁及其制备方法与流程

本发明涉及建筑、桥梁及港口工程领域，具体涉及提供一种预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁及其制备方法。

背景技术：

随着结构的安全性和耐久性日益得到重视，frp(纤维增强复合材料)筋的研究和应用得以不断深入。将frp筋配置在混凝土结构内部或外部，替代钢筋应用于恶劣环境中不被腐蚀，是解决混凝土结构耐久性不足的有效途径之一，具有广阔的应用前景。

在非预应力frp筋混凝土结构中，由于frp筋的弹性模量相对较低，结构的裂缝宽度和变形较大，使得frp筋的高强度一般得不到有效的发挥。为了充分发挥frp筋轻质高强、耐腐蚀和抗疲劳性能好的特点，可以将frp筋作为预应力筋用在各类结构中。

高强轻骨料具有轻质高强、耐久性优、保温隔热性好的特点，对于大跨桥梁等恒载占比较高的结构，采用轻骨料混凝土对降低结构内力作用明显，可有效减小截面尺寸和配筋用量，增大桥梁跨度，有利于改善桥梁结构抗震性能。然而，受骨料吸水返水特性影响，轻骨料混凝抗拉强度及弹性模量较低，使得构件裂缝发展迅速，刚度退化幅度较大。因纤维具有桥连作用，采用纤维进行改性可显著增大高强轻骨料混凝土破坏时的能量吸收，是改善其弯曲韧性、抑制裂缝产生和开展的有效手段。

将frp筋和纤维高强轻骨料混凝土两种性能优越的材料结合形成的frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁，充分发挥frp筋抗拉强度高、抗腐蚀性能优越等特点以及纤维高强轻骨料混凝土自重小、强度高、延性高、耐腐蚀性能好等特点，可显著减少结构自重，解决钢筋腐蚀、耐久性较差的问题，提高结构的抗震性能，促使现代工程结构向高层、超高层、大跨方向发展。

在承载能力和正常使用极限状态下，frp筋的性能能否得到合理的发挥取决于其与混凝土粘结的有效程度，构件的挠度、裂缝间距和裂缝宽度也取决于其粘结性能。完全粘结预应力frp筋结构虽具有较高的承载能力，但其变形性能较差；而完全无粘结frp筋结构能保证梁具有很好的转动能力和承载能力，但其端部锚固区的抗疲劳性能较差。

有研究表明：仅配有frp全预应力混凝土结构，由于frp筋有限的极限应变使得其变形能力较差；以frp筋作为无粘结预应力筋，以环氧涂层钢筋、镀锌钢筋或frp筋作为非预应力筋的无粘结frp筋部分预应力混凝土梁板，可避免因预应力钢筋锈蚀而引起的结构承载力下降和耐久性降低，并且具有良好的变形能力及较好的裂缝分布状态。

frp筋特别是cfrp筋(碳纤维增强塑料筋)最大的特征之一是其高强度，因此，充分利用其较高的强度对其施加预应力是有效利用frp筋的方法之一。但由于frp筋的抗剪强度和抗挤压强度普遍都很低(通常不超过其抗拉强度的10％)，因此普通预应力钢筋的锚具不再适用。国外有学者通过对预应力frp筋/锚具体系进行的拉伸性能试验得出结论：预应力frp筋的极限承载力一般受锚具控制，而不是预应力筋本身，因此，预应力frp筋锚具、夹具的设计是frp筋应用于预应力混凝土领域的前提。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁及其制备方法，该预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁结构自重轻，钢筋耐腐蚀、耐久性好；且有效改善frp混凝土梁和frp筋轻骨料混凝土梁延性差、裂缝宽度大、挠度大，脆性破坏明显等问题，充分发挥frp筋的力学性能，提高结构的抗震性能；其制备方法简单，易操作实施。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁，包括：纤维高强轻骨料混凝土、架立钢筋、箍筋、非预应力frp筋、预应力frp筋、pvc管、锚固装置和张拉构件；其中，所述架立钢筋、预应力frp筋、非预应力frp筋从上往下依次横向布置，所述架立钢筋、预应力frp筋、非预应力frp筋采用纵向箍筋绑扎成钢筋笼；所述纤维高强轻骨料混凝土浇筑于所述钢筋笼内；所述预应力frp筋上套设有pvc管，所述预应力frp筋的两端分别设置有锚固装置；所述预应力frp筋的左端的锚固装置上设置有用于张拉预应力frp筋的张拉构件。

优选的，所述锚固装置包含防局压钢板、钢管、螺丝端杆、第一调节螺母、第一垫板、对中环；其中，所述螺丝端杆的两端焊接有对中环，所述预应力frp筋伸出pvc管的伸出端通过对中环插入螺丝端杆，并伸出所述螺丝端杆外；所述预应力frp筋与所述螺丝端杆之间填充有粘结剂；所述防局压钢板和所述钢管的一端固定连接，所述防局压钢板上具有通孔，所述通孔的内径与所述钢管的内径相同；所述钢管的另一端与所述pvc管之间设置有密封层；所述螺丝端杆外套设有钢管和防局压钢板，所述钢管与所述钢筋笼固定连接；所述螺丝端杆上靠近防局压钢板处装配有与所述螺丝端杆的外螺纹相匹配的第一调节螺母，所述第一调节螺母与所述防局压钢板之间设置有第一垫板。

优选的，所述张拉构件包含穿心式千斤顶、撑力架和第二调节螺母；所述螺丝端杆上靠近所述第一调节螺母处从右往左依次套设有撑力架、穿心式千斤顶和第二调节螺母；所述第二调节螺母的内螺纹与所述螺丝端杆的外螺纹相匹配。

优选的，所述穿心式千斤顶与所述撑力架之间设置有第二垫板；所述第二调节螺母与所述穿心式千斤顶之间设置有第三垫板。

优选的，所述密封层为浸透有环氧树脂的纱布。

优选的，所述frp筋包括cfrp筋(碳纤维增强塑料筋)、bfrp筋(玄武岩纤维增强树脂基复合筋)、afrp筋(芳纶纤维增强塑料筋)。

优选的，所述预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁的横截面沿纵向是等截面或变截面。

优选的，所述架立钢筋和箍筋分别为螺纹钢筋。

优选的，所述螺丝端杆为650mpa以上的无缝高强钢管；所述第一调节螺母的强度为800mpa以上。

优选的，所述纤维高强轻骨料混凝土包含轻骨料混凝土、纤维、辅助胶凝材料、减水剂和水；其中，所述轻骨料混凝土包括陶粒、中砂和水泥。

进一步优选的，所述轻骨料混凝土包括900级碎石型陶粒、细度模数2.8-2.3的中砂和强度等级42.5-52.5r的硅酸盐水泥。

优选的，所述纤维为钢纤维、塑钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、木质素纤维中的一种或多种。

优选的，所述辅助胶凝材料为粉煤灰或硅粉。

优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

进一步优选的，所述辅助胶凝材料为920u微硅粉或ⅰ级粉煤灰。

优选的，所述纤维高强轻骨料混凝土包含陶粒590～650份、中砂670～730份、水泥370～430份、辅助胶凝材料70～130份、减水剂3.5～5份和水120～180份；所述纤维的掺量占所述轻骨料混凝土体积的0.4％～0.8％。

优选的，所述粘结剂为环氧树脂。

进一步优选的，所述粘结剂为高性能环氧树脂。

(二)一种预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗预应力frp筋端部和螺丝端杆内部的油污，在螺丝端杆表面覆盖塑料薄膜以作保护；

步骤2，将对中环分别焊接在螺丝端杆的两端；在预应力frp筋上套pvc管并伸出pvc管外，预应力frp筋伸出端通过对中环插入螺丝端杆内并伸出螺丝端杆外；

步骤3，向螺丝端杆和预应力frp筋之间填充粘结剂，静置，备用；

步骤4，根据预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁的构件尺寸制作所需模板，并在所述模板上预留供螺丝端杆穿入的孔洞；

步骤5，将防局压钢板和钢管焊接为一体；将架立钢筋、预应力frp筋、非预应力frp筋采用纵向箍筋绑扎成钢筋笼；

步骤6，将螺丝端杆插入钢管和防局压钢板内并伸出防局压钢板外，校正螺丝端杆在钢管和防局压钢板内的位置，并将防局压钢板固定在钢筋笼上；

步骤7，将pvc管固定在所述钢筋笼上并校正位置，钢管的非固定端与pvc管之间采用密封层密封；

步骤8，制作纤维高强轻骨料混凝土并浇筑于模板内，养护，拆除模板；

步骤9，拆除螺丝端杆上的塑料薄膜，在螺丝端杆的两端分别套上第一垫板和第一调节螺母，并将螺丝端杆的两端的第一调节螺母初步拧紧；然后在螺丝端杆的左侧张拉端上依次套上撑力架、第二垫板、穿心式千斤顶、第三垫板和第二调节螺母，并拧紧第二调节螺母；

步骤10，将穿心式千斤顶接上油泵进行张拉，张拉完成后拧紧第一调节螺母，松开油泵卸载，然后依次拆卸第二调节螺母、第三垫板、穿心式千斤顶、第二垫板和撑力架，张拉完成，即得。

优选的，步骤1中，采用丙酮清洗预应力frp筋端部和螺丝端杆内部的油污。

优选的，步骤2中，所述预应力frp筋伸出所述螺丝端杆外2mm。

优选的，步骤3中，具体填充粘结剂的方法为：在螺丝端杆的一端采用真空机抽吸孔道中的空气，使孔道内达到-0.9mpa的真空度；然后在螺丝端杆的另一端用压浆泵以0.7mpa的正压力把粘结剂压入孔道内。

优选的，步骤3中，所述静置的时间为7天。

优选的，步骤10中，所述张拉时，每次加荷完毕后静置2min，待预应力frp筋变形稳定后再拧紧第一调节螺母。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)将frp筋和纤维高强轻骨料混凝土结合使用，充分发挥frp筋抗拉强度高、抗腐蚀性能优越等特点以及纤维高强轻骨料混凝土自重小、强度高、延性高、耐腐蚀性能好等特点，可显著减少预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁结构自重，解决钢筋腐蚀、耐久性较差的问题，提高结构的抗震性能，促使现代工程结构向高层、超高层、大跨方向发展。且frp筋电磁绝缘性能好，可在变电所基础，医院以及有特殊要求的实验室等特殊的建筑中满足相应的要求。

2)预应力frp筋主体部分套在pvc(聚氯乙烯)管内，与纤维高强轻骨料混凝土无粘结，两端通过粘结剂与螺丝端杆粘结；非预应力frp筋、预应力frp筋和架立钢筋依附于箍筋内侧并扎成钢筋笼，非预应力frp筋位于最下层，与纤维高强轻骨料混凝土粘结。将非预应力frp筋和预应力筋混合使用，可显著改善预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁延性差、裂缝宽度大、挠度大，脆性破坏明显等问题，具有良好的变形能力及较好的裂缝分布状态，且充分发挥frp筋的力学性能。

3)在轻骨料混凝土中掺入纤维，可有效改善预应力frp筋高强轻骨料混凝土梁的受弯性能，主要表现为：提高构件极限承载力；增大构件受弯刚度，从而减小梁的挠度，使其基本满足正常使用状态要求；减小荷载作用下裂缝宽度；相比钢筋轻骨料混凝土试件，预应力frp筋高强轻骨料混凝土梁受弯延性较差，掺入纤维可以改善其延性。

4)本发明中的锚固装置适用于各种截面形式的预应力frp筋，结合机械式锚具和粘结式锚具，构造简单、施工方便且承载力高、经济效果好，避免了预应力frp筋在锚固过程中受剪易断裂的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁构件正视图；

图2为预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁构件侧视图；

图3为图1中锚固装置的张拉端的剖视详图；

图4为图1中锚固装置的固定端的剖视详图。

以上图中：1纤维高强轻骨料混凝土；2架立钢筋；3箍筋；4非预应力frp筋；5预应力frp筋；6pvc管；7锚固装置；701防局压钢板；702钢管；703螺丝端杆；704第一调节螺母；705第一垫板；706对中环；8张拉构件；801撑力架；802第二垫板；803穿心式千斤顶；804第三垫板；805第二调节螺母；9粘结剂。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1

(一)一种预应力frp筋5纤维高强轻骨料混凝土1梁，包括：纤维高强轻骨料混凝土1、架立钢筋2、箍筋3、非预应力frp筋4、预应力frp筋5、pvc管6、锚固装置7和张拉构件8；其中，架立钢筋2、预应力frp筋5、非预应力frp筋4从上往下依次横向布置，架立钢筋2、预应力frp筋5、非预应力frp筋4采用依附于纵向箍筋3内侧并与之绑扎成钢筋笼，非预应力frp筋4位于最下层，与纤维高强轻骨料混凝土1粘结；纤维高强轻骨料混凝土1浇筑于钢筋笼内，尺寸为3600mm×200mm×300mm；预应力frp筋5上套设有pvc管6，预应力frp筋5与纤维高强轻骨料混凝土1无粘结，预应力frp筋5的两端分别设置有锚固装置7；预应力frp筋5的左端的锚固装置7上设置有用于张拉预应力frp筋5的张拉构件8。

其中，锚固装置7包含左侧的张拉端和右侧的固定端；锚固装置7包含防局压钢板701、钢管702、螺丝端杆703、可调螺母、垫板、对中环706；其中，螺丝端杆703的两端焊接有对中环706，预应力frp筋5伸出pvc管6的伸出端通过对中环706插入螺丝端杆703，并伸出螺丝端杆703外；预应力frp筋5与螺丝端杆703之间填充有粘结剂9，预应力frp筋5两端通过粘结剂9与螺丝端杆703粘结；防局压钢板701和钢管702的一端固定连接，防局压钢板701上具有通孔，通孔的内径与钢管702的内径相同；钢管702的另一端与pvc管6之间设置有密封层；螺丝端杆703外套设有钢管702和防局压钢板701，钢管702与钢筋笼固定连接；螺丝端杆703上靠近防局压钢板701处装配有与螺丝端杆703的外螺纹相匹配的第一调节螺母704，第一调节螺母704与防局压钢板701之间设置有第一垫板705。

张拉构件8包含穿心式千斤顶803、撑力架801和第二调节螺母805；螺丝端杆703上靠近防局压钢板701处从右往左依次套设有撑力架801、第二垫板802、穿心式千斤顶803、第三垫板804和第二调节螺母805；第二调节螺母805的内螺纹与螺丝端杆703的外螺纹相匹配。

其中，预应力frp筋5纤维高强轻骨料混凝土1梁的横截面沿纵向是等截面或变截面。非预应力frp筋4和预应力frp筋5均采用直径为10mm、强度为1900mpa的cfrp筋。架立钢筋2采用直径为10mm的hrb400级普通螺纹钢筋，箍筋3采用直径10mm的hrb335级普通螺纹钢筋。螺丝端杆703为650mpa无缝高强钢管702，第一调节螺母704强度为800mpa。

预应力frp筋5的长度为4000mm，非预应力frp筋4和架立钢筋2的长度为3600mm。箍筋3加密区间隔100mm，非加密区200mm。钢管702内径为40mm、外径为44mm、长度为300mm。螺丝端杆703内径为30mm、长度为400mm。防局压钢板701的长度为200mm、高度为100mm、厚度为10mm。

(二)一种预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用丙酮清洗预应力frp筋端部和螺丝端杆内部的油污，在螺丝端杆表面覆盖塑料薄膜以作保护；

步骤2，将对中环分别焊接在螺丝端杆的两端；在预应力frp筋的主体部分套上pvc管并伸出pvc管外，预应力frp筋两端的伸出端分别通过对中环插入张拉端、固定端的螺丝端杆内并伸出螺丝端杆外2mm；

步骤3，在张拉端、固定端分别填充高性能环氧树脂粘结剂，具体为：在每侧的螺丝端杆的一端采用真空机抽吸孔道中的空气，使孔道内达到-0.9mpa左右的真空度，然后在螺丝端杆的另一端用压浆泵以0.7mpa的正压力把高性能环氧树脂粘结剂压入孔道内，静置7天备用；

步骤4，根据预应力frp筋纤维高强轻骨料混凝土梁的构件尺寸制作所需模板，并在所述模板上预留供螺丝端杆穿入的孔洞；

步骤5，将防局压钢板和钢管焊接为一体；将架立钢筋、预应力frp筋、非预应力frp筋采用纵向箍筋绑扎成钢筋笼；

步骤6，将螺丝端杆插入钢管和防局压钢板内并伸出防局压钢板外，校正螺丝端杆在钢管和防局压钢板内中的位置；将防局压钢板焊接在钢筋笼上；

步骤7，将pvc管用铁丝吊在钢筋笼上并校正位置，钢管的非固定端与pvc管之间采用浸透环氧树脂的纱布密封两层，防止浇筑纤维高强轻骨料混凝土时其渗入钢管内；

步骤8，制作纤维高强轻骨料混凝土并浇筑于模板内，覆盖土工布或草帘，定期洒水养护28天后拆除模板；其中，每立方米纤维轻骨料混凝土中包括体积掺量为0.6％的钢纤维；质量份数为610kg900级碎石型陶粒、700kg细度模数2.65的中砂细骨料、400kg强度等级po42.5硅酸盐水泥、100kg920u微硅粉或ⅰ级粉煤灰等辅助胶凝材料、150kg水和4.3kg聚羧酸减水剂。

步骤9，拆除螺丝端杆上的塑料薄膜，在螺丝端杆的张拉端和固定端上分别依次套上第一垫板和第一调节螺母，并将第一调节螺母初步拧紧，第一垫板用来保证均匀传力。然后在张拉端的螺丝端杆上依次套上撑力架、第二垫板、穿心式千斤顶、第三垫板和第二调节螺母，并拧紧第二调节螺母。

步骤10，检查设备完好后，将穿心式千斤顶接上油泵进行张拉，每次加荷完毕后静置2min，待预应力frp筋变形稳定后结束张拉。张拉完成后拧紧第一调节螺母，松开油泵卸载，然后依次拆卸第二调节螺母、第三垫板、穿心式千斤顶、第二垫板和撑力架，张拉完成，即得。其中，张拉时，随着穿心式千斤顶的加力，张拉端的螺丝端杆和其上的第一调节螺母随着frp筋的伸长而伸长，固定端的第一调节螺母保持不动，张拉完成后第一调节螺母即为拧紧状态。第二垫板和第三垫板用来保证均匀传力。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。