玻璃纤维筋模板拉杆在荆州市盐卡泵站新建工程中的应用

杨 莉 刘成蛟

(湖北华夏水利水电股份有限公司，湖北 荆州 434000)

传统混凝土工程模板安装采用钢筋拉杆作为固定模板的施工方法，存在外露拉杆切除困难、端头处理繁琐、影响混凝土外观表面质量等缺点。为克服钢筋拉杆上述缺点和不足，对玻璃纤维筋材料进行了系统研究，通过材料测试、室内实验、工艺试验和应用实践，形成了采用玻璃纤维筋代替钢筋作为拉杆的施工工艺技术。该施工工艺技术经多个工程项目实践应用，达到了预期的效果，可有效提高工作效率，降低施工成本，保证混凝土的表观质量，推广前景良好。

1 工程概况

新建盐卡泵站位于荆州市城区，在荆江大堤桩号745+740处堤内侧，承担沙市城区、荆州开发区、沙市农场、岑河镇、锣场镇等面积190.2km2城区的排涝任务，将城市涝水抽排至长江沙市河湾下段。泵站排区主要为沙市区南北渠以西区域，设计排涝流量为55m3/s。

泵站主要建筑物有主泵房、安装间、副厂房、变电站、拦污栅(桥)、进水前池、引渠、出口箱涵及出水渠等；工程为Ⅱ等大(2)型工程，防洪闸、穿堤建筑物为1级建筑物，其余主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。

本施工工艺技术应用于盐卡泵站进口拦污栅桥第三、四节挡土墙等部位，第三节挡土墙结构长17.3m，高7m，墙体厚度为1m，模板面积484.4m2；第四节挡土墙结构长13.3m，高为3～7m渐变，墙体厚度为1m，模板面积273.8m2。共使用玻璃纤维筋拉杆2370根。

2 施工准备

2.1 材料准备

模板采用标准尺寸模板，按模板总体拉杆布置计算位置进行钻孔，以方便拉杆对穿紧固作业；玻璃纤维筋按标准单根拉杆长度在工厂定尺采购，并配备两端紧固垫板和紧固螺帽，其他辅助材料主要有钢管、方木、圆铁钉、铁丝等，根据施工图纸以及模板系统设计施工方案，计算模板系统材料用量，制定材料采购计划。主要材料规格、使用部位见表1。

表1 主要材料规格、使用部位

2.2 加工设备准备

将模板加工的机械运输进场，安装在规划好的位置，主要有圆盘锯、木工压刨机床、台式木工多用机床、曲面锯、电圆锯(手提式)、电刨(手提式)、电钻、角磨机等；安装位置既要保证各机械的安全使用和安全运行，又要确保各机械工作时不相互间干扰。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

本施工工艺主要内容包括施工准备、玻璃纤维筋配件检查、玻璃纤维筋拉杆下料、模板和玻璃纤维筋拉杆安装、混凝土浇筑、模板拆除及玻璃纤维筋拉杆切割等(见图1)。

图1 施工工艺流程

3.2 玻璃纤维筋拉杆结构

3.2.1 玻璃纤维筋拉杆模板加固系统

玻璃纤维筋拉杆模板加固系统由玻璃纤维筋拉杆、止水橡胶片、蝴蝶扣、紧固螺帽组成(见图2)。

图2 玻璃纤维筋拉杆模板加固系统示意图1-止水橡胶片；2-玻璃纤维筋拉杆；3-蝴蝶扣；4-紧固螺帽

3.2.2 玻璃纤维筋拉杆及配套螺栓

玻璃纤维筋材为各向异性材料，其抗剪抗扭强度较弱，按常规2.0mm设置螺纹深度时，玻璃纤维筋拉杆易因结合不紧密，发生与螺帽滑丝现象。为增大玻璃纤维筋螺杆和螺栓锚固力，本施工工艺技术适度提升螺纹深度至2.5mm，增长螺帽长度至80mm，经实验验证锚固效果良好。

以φ14拉杆为例，当螺纹加深至2.5mm，螺纹杆中心部分直径为9.0mm时，极限螺纹荷载为52.1kN，锚固和抗拉强度能满足施工要求，计算见3.3中拉杆轴向力计算(传统φ14钢筋对拉拉杆配套使用M14螺帽，锚固长度20mm，容许拉力17.8kN。)

3.2.3 橡胶止水片

在拉杆中安装对应的配套止水片以提高玻璃纤维筋和混凝土结合面的抗渗止水性能(见表2)。

表2 玻璃纤维筋拉杆止水片选择

无抗渗要求的混凝土构筑物，玻璃纤维筋拉杆可以不安装止水片。抗渗要求S6、体积较小的混凝土，为防止橡胶圈遇水膨胀对混凝土造成伤害，玻璃纤维筋拉杆可选择注塑止水片。对于大型水工混凝土构筑物，可忽略混凝土的微膨胀，玻璃纤维筋拉杆采用止水效果较好的橡胶片和止水胶。该套止水片由止水膨胀橡胶圈和内嵌于橡胶圈的单组分缓释止水胶组成。止水胶和现浇混凝土中的水发生固化反应后可阻断玻璃纤维筋拉杆和混凝土黏结界面的渗水通路，从而达到提高抗渗性的作用。

3.3 玻璃纤维筋拉杆校核计算

3.3.1 拉杆轴向力计算

3.3.1.1 混凝土自重对模板侧压力计算

新浇混凝土侧压力按式(1)和式(2)计算，取较小值：

(1)

F2=γcH

(2)

式中F1，F2——新浇混凝土自重对模板的侧压力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m3，取24kN/m3；

V——混凝土的浇筑速度，m/h；

H——混凝土计算侧压力位置处至新浇筑混凝土顶面位置高度，m；

β1——外加剂影响修正系数，不掺加外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度修正影响系数，当坍落度小于30mm时取0.85；为50～90mm时取1.0；为110～150mm时取1.15。

新浇混凝土对模板侧压力大小受浇筑时间制约，浇筑高度达5.4m时，底部混凝土开始凝固，混凝土对于底部模板产生的侧压力逐渐消失，对此验算大体积结构侧模承载力计算过程如下：

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

F2=24×5.4=129.6kN/m2

F=min(F1，F2)=42.24kN/m2

3.3.1.2 模板荷载设计值计算

混凝土浇筑过程中，倾倒混凝土时对侧面模板产生的水平荷载标准值pv=3kN/m2，振捣混凝土时对侧模板产生的水平荷载标准值取pc=4kN/m2。采用荷载标准值乘以相应的荷载分项系数求得，模板自重、混凝土自重分项系数Gk为1.2，振捣混凝土产生的荷载系数Sk为1.4，倾倒混凝土产生的荷载系数Qk为1.4，按式(3)计算。

Fy=FGk+pvQk+pcSk

(3)

式中Fy——混凝土对模板水平荷载总值；

F——混凝土自重对模板最大侧压力；

Gk——混凝土自重分项系数；

pv——混凝土倾倒产生的荷载；

Qk——混凝土倾倒分项系数；

pc——混凝土振捣产生的荷载；

Sk——混凝土振捣分项系数。

混凝土对模板水平荷载总值Fy计算如下：

Fy=1.2×42.24+1.4×4+1.4×3=60.488kN/m2

3.3.1.3 单根拉杆最大拉力计算

拉杆横纵向间隔按a=450mm、b=450mm考虑，单根螺杆拉力设计值为：F=0.45×0.45×60.488=12.25kN。

φ14玻璃纤维筋断裂荷载62.1kN，螺纹极限承载力为52.1kN。螺杆轴向拉力设计值需小于螺杆极限抗拉力和螺纹极限承载力：

12.25kN

3.4 拉杆布置方案优化

传统钢筋拉杆布置方案中纵横向围檩间隔通常采用固定值。由于现浇混凝土上部模板侧压力较小，下部模板侧压力较大，故对玻璃纤维筋拉杆的布置方案进行了优化。本施工工艺技术通过运用有限元软件和实验相结合的方式提出“上疏下密”型布置方案，在满足混凝土验收规范的情况下减少纤维筋的用量，以降低成本。

3.4.1 有限元模拟及实验验证

分别对木方、钢管、模板、玻璃纤维筋进行建模，玻璃纤维筋横向间隔a=1.8m，纵向间隔b=0.7m，钢管采用Q235碳素钢，木方及模板的材料参数来自于参考文献，装配后对模板施加分布荷载，模板最大位移3.55mm，底部纤维筋最大应力为37MPa。

实验和有限元数值模拟较为吻合，底部玻璃纤维筋最大应变为297×10-6，远小于安全设计值。但横向间隔a和纵向间隔b对模板中心处最大位移U较为敏感，通过多次实验拟合出最大位移与混凝土密度、玻璃纤维筋距离模板顶部的距离、横向间隔、纵向间隔关系的经验公式：

U=K(ρh)0.25e(2.09X+2.24Y)

(4)

式中U——拉杆中心处最大位移，mm；

K——调整系数；取0.007；

ρ——模板之间混凝土的密度，kg/m3，取2400kg/m3；

h——玻璃纤维筋的顶点距离模板顶部的距离，mm；

X——横向间隔，m；

Y——纵向间隔，m。

例：间隔为600mm的布筋方式，距离顶部h=100mm，混凝土密度为2400kg/m3，最大位移为：U=0.007×(2400×100)0.25×2.72(2.09×0.6+2.24×0.6)=2.08mm。

3.4.2 拉杆间距优化

基于最大位移公式和相应混凝土验收规范，对模板体系玻璃纤维筋拉杆布置间距进行优化，以3m墙高为例，优化布置后纵、横向间隔(见表3)。

表3 拉杆间距布置优化

经室内实验和项目现场实践，采用优化后的“上疏下密”型布置方案，能满足混凝土浇筑要求，模板变形和外观质量能满足混凝土验收规范要求。

3.5 玻璃纤维筋拉杆安装操作要点

3.5.1 施工准备

根据设计要求，结合浇筑现场实际条件和要求，绘制拉杆布置图。

复查玻璃纤维筋、单组分止水胶的质量，不使用外观有开裂的玻璃纤维筋拉杆。

按拉杆布置要求准备充足的玻璃纤维筋对拉拉杆、蝴蝶扣、垫片、螺栓等材料。

3.5.2 模板安装

由于止水片固定在拉杆上，因此有止水片的拉杆，应在一侧模板立好后先完成一侧安装，再完成另一侧安装，无止水片的普通拉杆，可在两侧模板立好后从一侧对穿完成安装。

3.5.3 对拉拉杆安装及加固

模板应按拉杆间距布置拉杆安装孔，两侧模板开孔应对称一致，确保拉杆水平，并与模板面垂直。

玻璃纤维筋由内到外由玻璃纤维、高性能树脂和固化剂通过机器拉挤缠绕而成。外层的树脂材料和固化层力学性能较差，拉杆安装、紧固方式不当时易导致外侧固化层开裂。因此对拉拉杆应水平穿过预留孔，不得斜拉硬顶。加固时应逐侧进行，适当控制螺丝预紧力。

3.5.4 混凝土浇筑

浇筑过程中应派遣专人检查支架、模板、拉杆的稳固情况，当拉杆出现松动、滑丝现象时，应及时处理。

3.5.5 拉杆割除

混凝土达到设计指标拆除模板后，用角磨机把玻璃纤维筋拉杆外露部分切割掉，切割处无须进行表面处理。

4 玻璃纤维筋拉杆材料参数

4.1 玻璃纤维筋

玻璃纤维筋(GFRP rebar)以玻璃纤维为增强材料，具有轻质高强耐腐蚀易切割等特点。筋材性能及测试方法严格按照《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)、《土木工程用玻璃纤维增强筋》(JG/T 406—2013)等标准或规范进行(见表4、表5)。

表4 玻璃纤维筋力学性能参数

表5 玻璃纤维筋外观质量标准

4.2 止水橡胶片

止水橡胶片性能及测试按《高分子防水材料》(GB 18173—2014)执行(见表6)。

表6 橡胶片基本性能参数

4.3 单组分止水胶

本施工工艺技术采用PJ220止水胶。该止水胶为水膨胀单液型密封剂，遇水开始硬化并膨胀，硬化后成为复原性良好的橡胶弹性体，固化7天后体积膨胀2.3倍，能充填空隙发挥止水效果。PJ220止水胶性能及测试按《高分子防水材料》(GB 18173—2014)执行(见表7)。

表7 PJ220材料参数

5 质量控制

玻璃纤维筋以同一规格、同一种材料、同一生产工艺、稳定连续生产的500根为一批。每批产品应进行外观、尺寸偏差和抗拉强度的检验。

玻璃纤维筋现场宜储存在空气干燥、流通的库房内，并存放在地面以上干燥的平台或垫子上，不应沾油污。露天存放时，应避免产品受到紫外线长期照射。

6 安全、环保措施

所有参与拉杆装拆的人员，均需接受专业的安全培训和环保培训。

高空装拆拉杆过程中，所有操作人员须佩戴安全帽、安全带，并携带工具或者工具箱。装拆拉杆时，上下应有人接应，随拆随运，并把活动部件固定牢固，严禁堆放在脚手架上，严禁抛落。

切割拉杆头应集中回收处理，不得乱扔乱放，接触玻璃纤维筋的人员应佩戴防尘口罩，减少皮肤裸露。

7 效益分析

7.1 经济效益

φ14玻璃纤维筋每米5.5元，而φ14钢筋拉杆每米7.13元，玻璃纤维筋的成本约为钢筋拉杆的75%。统计对比玻璃纤维筋拉杆的施工效率是传统钢筋对拉螺栓的3倍，有助于加快施工进度和节省劳动力。在混凝土表面的外观效果上，玻璃纤维筋效果明显好于钢筋。拆模后钢筋拉杆需要抹砂浆进行防锈蚀处理，玻璃纤维筋无须后续处理。

7.2 社会效益

采用玻璃纤维筋可以节省钢铁资源，减少表面处理砂浆用量，符合国家碳中和战略，且方便切除，有效提高了工效，节约了成本。

8 结 语

玻璃纤维筋具有抗拉强度高、材质理化性能稳定，不锈蚀等特点，玻璃纤维筋拉杆更便于割除，且更利于环保节能，适用于模板支撑结构领域。通过在盐卡泵站进口拦污栅桥第三、四节挡土墙等部位的实践应用，合理布置拉杆间距，减少了拉杆数量，降低了施工成本，经济效益显著。且外露端头切割方便，切割后色泽与混凝土一致，外观效果良好。

本施工工艺适用于现浇混凝土墩、墙部位模板安装工程。对于抗渗性能要求较高的水工混凝土结构，在玻璃纤维筋拉杆中部设置由密封层和单组分止水缓释胶组成的止水橡胶片，可以满足拉杆与混凝土结合面的抗渗要求。