FRP管混凝土与FRP波纹板组合埋置式拱桥及其施工方法

技术领域

本发明涉及公路市政技术领域，具体地指一种FRP管混凝土与FRP 波纹板组合埋置式拱桥及其施工方法。

背景技术

FRP(Fibre Reinforced Polymer/Plastics)由连续纤维和树酯基体复 合而成。常用纤维包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维三种，常用树酯有 环氧树酯、聚酯树酯和乙烯酯树酯。根据纤维种类可将FRP材料分为 三类：玻璃FRP材料(GFRP)、碳FRP材料(CFRP)、芳纶FRP材料 (AFRP)。

FRP材料的研究最早作为钢筋混凝土结构补强、加固和修复技术出 现于上世纪80年代的瑞士，随后90年代在日本、美国和欧洲等发达国 家得到突飞猛进的发展，一些发达国家陆续制定了土木工程用FRP的 规范与标准。例如：

ACI 440.1R-06：纤维筋增强混凝土结构设计与施工指南(Guide for  the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP  Bars)；

ACI 440.2R-08：外粘FRP系统补强混凝土结构设计与施工指南 (Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP  Systems for Strengthening Concrete Structures)；

ACI 440.3R-04：用FRP(FRP)配筋或加固混凝土结构试验方法指 导(Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers(FRPs)for  Reinforcing or Strengthening Concrete Structures)；

ACI 440.4R-04：采用FRP束的预应力混凝土结构(Prestressing  Concrete Structures with FRP Tendons)；ACI 440.6M-08：混凝土加固中 碳纤维与玻璃FRP筋材料规范(Specification for Carbon and Glass  Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement)；

ACI 440.7R-10：外粘FRP系统补强无筋圬工结构设计与施工指南 (Guide for Design&Construction of Externally Bonded FRP Systems for  Strengthening Unreinforced Masonry Structures)；

AASHTO LRFDFRP-2012：受弯或受拉FRP管混凝土的LRFD设 计方法指南(LRFD Guide Specifications for Design of Concrete-filled  FRP Tubes for Flexural and Axial Members)；

FIB 40：混凝土结构中的FRP加固(FRP Reinforcement in RC  Structures)。

我国从上世纪90年代中期开始对FRP加固修复土木建筑结构技术 进行了研究和工程应用，各种纤维加固修复用材料已有近十种，已有数 种经过检验、批量生产的粘贴专用树酯。2000年6月中国土木工程学 会混凝土与预应力混凝土分会成立了FRP工程应用专业委员会。目前， 国内与FRP修复、加固与应用技术有关的技术标准有：

《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003(2007 版)；《纤维片材加固修复结构用粘接树脂》(JG/T 166-2004)；《结构加 固修复用碳纤维片材》(JG/T 167-2004)；《结构加固修复用玻璃纤维布》 (JG/T 284-2010)；《结构加固用玄武岩纤维片材》(JG/T 365-2012)；《结 构加固修复用碳纤维片材》(GB/T 21490-2008)；《纤维增强复合材料建 设工程应用技术规范》(GB 50608-2010)。

FRP材料最显著的优点在于高比强度(强度与重量之比)和良好的 耐腐蚀性。FRP材料的强度一般至少是钢材的2倍，甚至可高达10倍， 而其重量仅为钢材的20％，且强度高即轻质高强，意味着结构具有较高 的承载能力，而且现场施工便捷；良好的耐腐蚀性可提高结构的耐久性。

FRP材料在航空航天等领域已有多年的应用历史，其优异的性能得 到广泛的认同。近年来，随着对FRP材料研究的不断深入和制造工艺 的不断提高，其在土木工程中的应用得到了迅速发展。

传统的中小跨径桥梁建筑材料通常为混凝土和钢材，但是混凝土比 重较大，达2500kg/m³，钢材比重更是高达7850kg/m³，这使得结构性 能的较大一部分要承担自重(约占桥梁总荷载的1/3以上)，相应地削 弱了结构承担外部荷载的能力。预应力结构虽然一定程度上减小了截面 尺寸，但施工工艺和工序较为复杂。

对于预制混凝土桥和钢桥，需要大型车辆运输预制件，现场还需大 型起重设备进行起吊安装，钢桥还需要焊接拼装，而且还存在腐蚀等耐 久性问题。对于现浇混凝土桥，通常需要搭设支架进行施工，施工工期 较长。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构合 理、耐久性好、施工简便且经济环保的FRP管混凝土与FRP波纹板组 合埋置式拱桥及其施工方法。

本发明的技术方案为：

一种FRP管混凝土与FRP波纹板组合埋置式拱桥的施工方法，其 特征在于，它包括以下步骤：

1)将组合埋置式拱桥中的各个构件运输至施工现场；

2)将拱圈放置到混凝土混凝土基础的模板上，拱圈的一端固定在 其中一侧的混凝土基础中，拱圈的另一端可以轻微移动，以保证铺板的 准确安装；

3)依次安装剩余拱圈，并在相邻拱圈之间用长木条限制其挪动， 保证拱圈的间距；

4)所有拱圈安装到位后，将铺板安装到拱圈上；

5)所有铺板安装完毕后，将拱圈的另一端固定在另一侧的混凝土 基础的模板中；

6)所有拱圈和铺板均安装到位后，浇筑基础混凝土；

7)向拱圈内灌注混凝土：在拱圈顶部开孔作为灌注孔，灌注的混 凝土材料选用为自固结微膨胀的混凝土；在灌注孔两侧分别钻孔作为出 浆孔，用于排放混凝土灌注时挤出的空气；

8)安装侧墙和翼墙，并将路基填土堆积于铺板上面并压实。

上述方案中：

所述的FRP管混凝土与FRP波纹板组合埋置式拱桥，它包括多排 纵向设置的拱圈、混凝土基础和路基填土，所述拱圈的两端分别固定于 位于拱桥两端的混凝土基础中，所述拱圈表面上铺设有横向设置的铺 板，所述路基填土堆积于所述铺板上面并压实，位于横向外侧的所述拱 圈上设置有向上延伸的侧墙，所述混凝土基础横向两端设有向上延伸的 翼墙。

上述方案中：

所述拱圈内填充有自固结微膨胀的混凝土，所述拱圈两端通过爪式 钢筋笼与所述混凝土基础固定连接，所述爪式钢筋笼一端埋设在所述拱 圈端部，所述爪式钢筋笼另一端伸出拱圈端部，所述爪式钢筋笼另一端 埋设在所述混凝土基础中。

位于所述混凝土基础中的爪式钢筋笼的端部呈弯钩状。

位于所述拱圈内部的爪式钢筋笼径向外侧与所述拱圈内壁之间设 有第一挡块。

所述拱圈为分段式结构，相邻的分段式拱圈端部套装在套管内，所 述套管与拱圈被径向穿过的螺栓紧固，相邻的分段式拱圈端部之间通过 加固钢筋笼连接，述加固钢筋笼布设在所述套管内。

所述加固钢筋笼径向外侧与所拱圈内壁之间设有第二挡块。

所述拱圈的管壁为FRP材料制成，所述拱圈为预制的低圆弧拱、 高圆弧拱或多圆弧拱。

所述铺板为由FRP材料制成的波纹板，所述波纹板的波纹方向所 述拱圈轴线方向平行设置。

所述翼墙外侧与所述混凝土基础端部齐平，两侧翼墙之间通过翼墙 锚筋连接；所述侧墙外侧与拱圈最外侧齐平，两侧侧墙之间通过侧墙锚 筋连接；所述翼墙与侧墙顶部位于同一高度，所述路基填土即堆积于所 述翼墙之间以及侧墙之间的铺板上面。

本发明公开的一种FRP管混凝土与FRP波纹板组合埋置式拱桥及 其施工方法，其中：埋置式拱桥以内部填充混凝土的FRP管作为拱圈， 以FRP波纹板作为铺板，二者组合成为拱桥共同承受顶部填土和车辆 荷载。本发明公开的埋置式拱桥的施工方法，施工方便，不需大型机械， 易于维护，可用于公路、市政桥梁和涵洞。

附图说明

图1为本发明的组合埋置式拱桥结构立体图；

图2为图1的正视图；

图3为拱圈为低圆弧拱示意图；

图4为拱圈为高圆弧拱示意图；

图5为拱圈为多圆弧拱示意图；

图6为拱圈和混凝土基础连接示意图；

图7为拱圈是分段式结构时，各段之间的连接示意图；

图8为本发明使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参考图1及图2，本实施例的一种FRP管混凝土与FRP波纹板组 合埋置式拱桥，它包括多排纵向等间距设置的拱圈1、混凝土基础2和 路基填土，拱圈1的两端分别固定于位于拱桥1两端的混凝土基础2 中，拱圈1表面上铺设有横向设置的铺板3，路基填土堆积于铺板3上 面并压实。本实施例位于横向外侧的拱圈1上设置有向上延伸的侧墙 10，侧墙10外侧与拱圈1最外侧齐平，两侧侧墙10之间通过侧墙锚筋 11连接；混凝土基础2横向两端设有向上延伸的翼墙12，翼墙12外侧 与混凝土基础2端部齐平，两侧翼墙12之间通过翼墙锚筋13连接；侧 墙10与翼墙12顶部位于同一高度，路基填土即堆积于翼墙12之间， 以及侧墙10之间的铺板3上面。

本实施例的拱圈1管壁和铺板3均由FRP材料制成，FRP材料作 为高性能复合材料，具有抗腐蚀、抗疲劳性能好的特点，可以在酸、碱、 氯盐和潮湿的环境中长期使用，因此使用此材料的结构，其使用寿命也 得到大幅提高。

在拱圈1内填充有自固结微膨胀的混凝土，而铺板3为由FRP材 料制成的波纹板，波纹板的波纹方向拱圈1轴线方向平行设置。

使用FRP材料制作的拱圈1和铺板3，可有效减轻自重，提高桥梁 的跨越能力；混凝土虽然抗压强度高，但抗拉和抗弯强度很低，而FRP 材料虽然抗拉强度很高，但弹性模量和层间抗剪强度较低，将FRP材 料和混凝土组合制成拱圈，可充分发挥两种材料的优势，避免不足。拱 圈1外壁的FRP管对其内填的混凝土起到限制和约束作用，使混凝土 处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；拱圈1内填充的混凝土 还可以有效防止拱圈1FRP管壁的局部屈曲，增强了几何稳定性，提高 了结构的整体刚度，且由于混凝土受拱圈1管壁保护而与外界隔绝，减 少了水、风、酸等不利自然条件的侵蚀，避免了混凝土的开裂；另外， 由于FRP材料可加工性好，拱圈1形状可根据地形和地质条件以及净 空要求设计为低圆弧拱(图3所示)、高圆弧拱(图4所示)或多圆弧 拱(图5所示)，灵活多变；而波纹形铺板提高了铺板结构的惯性矩和 承载能力，适用于较高的填土厚度，其填土厚度可达13m或更大，具 有结构合理的特点。

构成支撑结构的拱圈1和铺板3不使用或极少使用钢筋或钢材，避 免了钢筋生锈等不利影响，具有耐久性好、可用于高腐蚀性等恶劣条件 的特点。

参考图6，其中拱圈1两端通过爪式钢筋笼4与混凝土基础2固定 连接，爪式钢筋笼4一端埋设在拱圈1端部，位于拱圈1内部的爪式钢 筋笼4径向外侧与拱圈1内壁之间设有第一挡块5，以防止爪式钢筋笼 4和拱圈1发生位移变化，用于保证浇筑混凝土后钢筋的混凝土保护层 厚度；爪式钢筋笼4另一端伸出拱圈1端部，爪式钢筋笼4另一端埋设 在混凝土基础2中，位于混凝土基础2中的爪式钢筋笼4的端部呈弯钩 状，以增强爪式钢筋笼对混凝土基础2的抓取力，保证结构的稳定性。

本实施例的各排拱圈1可以为一体式结构，也可以为分体式结构。

参考图7，当拱圈跨径较大时(例如达到20m时)，需将拱圈设计 为分段式结构，此时，相邻的分段式拱圈1端部套装在套管6内，套管 6与拱圈1被径向穿过的螺栓8紧固，相邻的分段式拱圈1端部之间还 通过加固钢筋笼7连接，加固钢筋笼7布设在套管内，加固钢筋笼可实 现相邻的分段式拱圈1之间的连接强度；在加固钢筋笼7径向外侧与拱 圈1内壁之间设有第二挡块9，以固定钢筋笼7在套管6中的位置，用 于保证浇筑混凝土后钢筋的混凝土保护层厚度。

一种FRP管混凝土与FRP波纹板组合埋置式拱桥的施工方法，它 包括以下步骤：

1)首先在现场清理并平整场地，按坐标位置搭设混凝土基础的模 板并绑扎钢筋；

2)将组合埋置式拱桥中的各个构件尽可能在接近施工日期前运输 至施工现场，避免现场存放风险，运输时应设置挡块并保证稳定，使用 吊机或叉车进行装载和卸载；

3)用两根吊带系住拱圈1顶部，起吊至架设位置，两根吊带之间 具有一定间隔，起点是注意保持平衡，在吊机配合下，将拱圈1放置到 混凝土基础2的模板上，拱圈1的一端通过爪式钢筋笼绑扎固定到基础 混凝土2的钢筋上，拱圈1的另一端限制其竖向位移，但允许水平移动， 以保证铺板的准确安装；

4)依次安装剩余拱圈1，并在相邻拱圈1之间用长木条限制其挪 动，保证拱圈1的间距；

5)所有拱圈1安装到位后，将铺板3用螺钉安装到拱圈1上，第 一片铺板3安装时应使用精确确定其坐标和高度，其余铺板从拱圈一端 向另一端依次安装，铺板3沿拱圈1方向制成波纹形状；

6)所有铺板3安装完毕后，将拱圈1的另一端固定在另一侧的混 凝土基础2的模板中；

7)所有拱圈1和铺板3均安装到位后，浇筑基础混凝土2；

8)向拱圈1内灌注混凝土：在拱圈1顶部开孔作为灌注孔，用木 模绕灌注孔围成盒状方便灌注，灌注的混凝土材料选用为自固结微膨胀 的混凝土；在灌注孔两侧分别钻孔作为出浆孔，用于排放混凝土灌注时 挤出的空气；在灌注完成前，拱圈顶最多只允许承载2人，且不得承受 机械荷载；当看到有混凝土从出浆孔流出时，即可停止灌注；拱圈1 的混凝土灌注完成后，需放置48小时以保证混凝土充分固结；

9)最后安装侧墙10和翼墙12，并将路基填土堆积于铺板3上面 并压实即可(如图8所示)，路基填土的回填应分层填筑，各层厚度不 超过300mm，拱桥两侧回填厚度差不超过600mm。

此施工过程中，由于FRP材料制成的拱圈1和铺板3可作为浇筑 混凝土时的永久模板，节省了立模时间和模板费用，而且管内无需钢筋， 也便于混凝土的浇筑和捣实；且由于FRP材料质量轻，不需大型的运 输和吊装设备，通常仅需2人即可安装一根拱圈，铺板吊装也只需小型 起重机，具有施工简单快捷，减少人工工作量和缩短工期的特点；另外， FRP材料制成的拱圈和铺板均可在工厂标准化大批量生产，可保证构件 质量，节省产品成本。

由于拱圈采用埋置式拱形结构，无需桥墩、桥台、桥面和伸缩缝， 构造简单，工程量小；取代了原先施工时需用的钢筋对混凝土提供的保 护层，无需对钢筋锈蚀、混凝土开裂、剥落等进行维护和修复；且主体 结构安装快捷，对设备要求低，可最大限度地减小对现场环境的破坏， 具有经济环保的特点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做 任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任 何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。