玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用 4页

第36卷第5期四川建筑科学研究2010年10月SiehuanBuildingScience173玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用卢致强，刘建伟，徐晓鹏(成都中铁隆工程有限公司，四川成都610015)摘要：以普通钢筋混凝土结构的设计理论为依据，得到玻璃纤维筋混凝土构件正截面及斜截面的近似计算公式，得出了玻璃纤维筋混凝土构件脆性破坏的机理。玻璃纤维筋首次应用于成都地铁基坑围护结构所取得的成功，为玻璃纤维筋将来大量的应用于混凝土结构工程，取得了宝贵经验。关键词：玻璃纤维筋；抗弯；抗剪；盾构井中图分类号：TU377．9文献标识码：A文章编号：1008—1933(2010)05—173—03DesignandapplicationonglassfiberreinforcedconcreteinsubwayprojectLUZhiqiang，LIUJianwei，XUXiaopeng(RankenRailwayConstruction，Ltd．，Chengdu610015，China)Abstract：Basingonthedesigntheoryofordinaryreinforceconcrete，approximateformulaforcalculatingnormalsectionandobfiquesectionofglassfiberreinforcedconcretestructuresisestablished．Furtherlythemechanismofbrittlefractureofglassfiberreinforcedconcretestructuresisdiscussed．TheglassfibersuccessfullyisappliedinChengdumetrostruttedstructureforexcavation，valuableexperienceisobtainedforalargenumberofapplicationsinconcretestructuresinthefuture．Keywords：glassfiber；bendstrength；shearstrength；wellshield通钢筋有一定差别。玻璃纤维筋的以上特性说明，0引言它在用于混凝土结构构件的设计计算时，与普通钢我国城市轨道交通发展十分迅猛，已有10个城筋混凝土构件的设计方法有一定差异。基于西南交市的轨道交通处于运营或试运营状态，在建线路长通大学《玻璃纤维筋(GFRP筋)加强混凝土构件力度超过了390km。地铁造价昂贵，每km至少需要学性能试验报告》中相关试验结果，并参照普通钢4—5亿元，甚至更多的投资。为此，地铁工程建设筋混凝土结构设计方法，提出了适合玻璃纤维筋混成本的更加精心化、节约化，显得尤为重要。新材凝土构件的设计理论和计算公式。料、新技术在地铁工程中的应用，便是节约成本的一1．2玻璃纤维筋的抗拉设计强度个有效措施。把新材料用于混凝土结构中，是土木试验装置如图1，2所示。工程界一直在努力解决的问题。2l世纪初，玻璃纤维筋作为普通钢筋的替代品，在地铁车站、盾构井的围护结构工程设计中，得到了快速的发展，并取得了相当可观的经济效益。1玻璃纤维筋混凝土构件的设计理论及一般规定1．1设计原则玻璃纤维筋强度高、易切割，同时还具有良好的图l试验样本电、磁绝缘性，耐久性好，不易腐蚀。但玻璃纤维筋Fig．1Experimentalsample的弹性模量和延性较低，与混凝土的锚固能力同普试验表明，玻璃纤维筋在断裂前不会表现出任何的塑性特征，直到失效前都表现出线弹性应力一应变关系。收稿日期：2009-07—24作者简介：卢致强(1974一)，男，吉林敦化人，硕士，工程师，主要从抗拉强度设计值：事地下结构设计。ffo=CE—mail：365603995@qq．con 174四川建筑科学研究第36卷行修正。正截面受弯承载力计算的基本假定：(1)截面应变保持平面；(2)不考虑混凝土的抗拉强度；(3)混凝土的最大可压缩应变为0．0033；(4)玻璃纤维筋在破坏前，其抗拉强度是线弹性的；(5)混凝土和玻璃纤维筋存在良好的粘结性能。图2试验装置混凝土构件受力时的等效矩形应力，如图4所Fig．2Testequipment示。抗拉强度标准值：l’u={u一{d极限应变设计值：CEEfu极限应变标准值：=一3图4平衡破坏时的应力一应变1．3玻璃纤维筋的锚固长度Fig．4Timebalanceddestructionstressstrainchart由单根玻璃纤维筋的平衡条件可知：zbf百f=Af_b据此，建立力矩平衡方程：相关研究表明：玻璃纤维筋的粘结应力与混凝M≤c~dC土强度和玻璃纤维筋的直径有关，即cba(h0一)+fr~Af(o一0)对于玻璃纤维筋混凝土构件来说，它的破坏形Kle肌态均为脆性破坏。玻璃纤维筋变形增大所引起的混式中K为常量；的单位为MPa；d的单位为凝土受压破坏，与适筋混凝土梁的破坏基本类似，具有预兆性。为此，需将构件设计为受压破坏的超筋r／lln。结构。fbf：警弯矩设计值、等效受压区高度、相对界限受压区q3c高度分别为：式中为常量的单位为MPa；d的单位为m／lq。M≤(一)1．4玻璃纤维筋混凝土正截面承载力A试验装置如图3所示。口一—一一h01结构的破坏是从混凝土的压碎开始的，混凝土内部的应力分布近似看成是矩形应力图形，根据力的平衡原理和变形协调条件得：实际抗弯承载力：=Adf(h。一)等效受压区高度：图3试验装置AtFig．3TestequipmentⅡ1，D试验研究表明，玻璃纤维筋混凝土的受弯承载纤维筋实际应力：力计算模式与钢筋混凝土结构的计算模式相似，但必须考虑玻璃纤维筋的特性，对相应的计算公式进(√+一o．5)‰ 卢致强，等：玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用175正截面受压承载力计算：2成都1号线后子门盾构井工程设N。=bx+／，fA。一fA计实例Nce=flgf~bx(h一詈)+厂，A(。一口。)2．1工程概况h本盾构井为成都地铁1号线人民北路站至天府77i+T—as广场区间盾构工作井兼盾构施工完毕后的轨排井，大偏心时：≤，=基坑围护结构采用人工挖孔桩。为改变传统的盾构小偏心时：>，：gf~cu(壁一1)进出洞端头地层加固方法，便于盾构施工，提高盾构进出洞施工的经济性和安全性，本处盾构工作井端O"fi(意一)头围护桩盾构施工影响范围内的钢筋采用玻璃纤维筋。斜截面承载力计算：本段区域内均为第四系(Q)地层覆盖。地表多玻璃纤维筋混凝土构件抗剪，由混凝土和玻璃为第四系人工填筑(Q)杂填土覆盖，其下为第四纤维筋两部分组成：系冲积(Q)粘土、卵砾石土夹粉细砂；第四系上更≤Y,c+新统冰水沉积、冲积(Q)及第四系中更新统冰混凝土提供抗剪承载力：=水沉积、冲积(Q龟)卵石土夹砂透镜体，下伏白垩取0．6-0．7。系上统灌口组(K)泥岩。箍筋(纤维筋)提供抗剪承载力：2．2设计参数AfoCbofv：——端头盾构施工影响范围内围护结构采用桩直径1500mm，间距2000mm。桩的嵌固深度采用50000．002Ef≤=(0．05rb+0=．3)f~o≤mm。岩土物理力学参数建议值见表1。表1岩土物理力学参数建议值Table1Rockandsouphysicsmechanicsparametersproposalvalue2．3计算结果及配筋基坑端头段围护结构钢支撑竖向采用4道，基坑深度20m，基坑等级为一级，施工阶段为降水工况。采用“增量法”计算围护桩内力，结果见表2。内力位移包络图见图5。3种计算方法的地面沉降如图6所示。(a)支反力／kN(b)位移／rain(c)弯矩／(kS·m)(d)剪力／kN(-6．81)～【O．06)(-131704卜(129497)(-91403)-(889．77)表2内力值Table2Internalforcevalue图5内力、位移包络图Fig．5Internalforce，displacement段号内力类型篓溢葬鋈蠹围护桩配筋(玻璃纤维筋)如图7所示。(下转第182页) 182四川建筑科学研究第36卷大量的氢键，分子间作用力强，相近的蒙脱石颗粒可参考文献：以通过聚乙烯醇粘结在一起，通过真空冻干过程，使[1]王鸿禧．膨润土[M]．北京：地质出版社，1980．冰升华，形成了由层片状蒙脱石堆砌而成的纤维状[2]姜桂兰，张培萍．膨润土加工与应用[M]．北京：冶金工业出版结构。社．2005．[3]严瑞，王宣著．水溶性高分子[M]．北京：化学工业出版社，3结论1988：42～661．[4]刘元虎．聚乙烯醇工业技术进展及其展望[J]．维纶通讯，通过机械分散一细胞破碎一离心分离手段，可2009．制备出300～500nm的蒙脱石微凝胶。采用溶液插[5]王茹，王琪，李莉，等．改性聚乙烯醇热塑加工性能的研层一液氮冷冻—真空冻干的方法，可制备出PVA／究[J]．高分子材料科学与工程，2001，17(6)：11I一113．MMT复合材料。[6]彭人勇，张英杰．聚乙烯醇／蒙脱石纳米复合材料的结构与性采用XRD和SEM手段，对PVA／MMT复合材能[J]．塑料科技，2005(2)．料进行了结构表征。PVA与蒙脱石具有良好的相[7]彭人勇，张英杰．聚乙烯醇／蒙脱石纳米复合材料的制备工艺容性，在溶液中可以直接复合形成PVA／MMT复合研究[J]．塑料科技，2005(5)．[8]DevilleS，SaizE，NallaRK，TomsiaAP．Freeingastpathto材料。从SEM照片中可以看出，当聚乙烯醇的掺人buildcomplexcompositesScience，Science，2006：311，515．量达到1％时，PVA／MMT复合材料微观上表现出纤[9]CutlerrezMC，JobbagyM，RapunN，FerrerML，delMonteF．A维状结构，宏观上看起来结构疏松多孔，比表面积显BiocompatibleBoaom—UpRouteforthePreparationofHierarchical著增加。BiohybridMaterials，Adv．Mater，2006．(上接第175页)因为在成都基坑围护结构设计中，玻璃纤维筋离坑边距离，m尚属首次应用，为此，围护桩配筋图中，受力主筋采0246810l2l416O用趋向于超筋设计。同时，为增强桩的抗剪承载力，E一一--f．20一一．桩直径采用61500I／L1TI。玻璃纤维筋与普通钢筋采{4o_Er用搭接方式进行连接，搭接长度不小于40d，玻璃纤孟_冀60L维筋主筋与箍筋之间采用铁丝绑扎方式进行连接。B1_80J_r3结论，l00工况15一加刚性铰(400m)⋯⋯三角形法——指数法——抛物线法在盾构工作井围护结构(盾构施工范围内)的最大沉降量16ram最大沉降量23ram最大沉降量12ram配筋中，用玻璃纤维筋代替普通钢筋，不但取得了很图6地面沉降大的经济效益，同时使盾构进出洞施工时更加安全。Fig．6Groundsubsidence但设计中应注意以下问题：(1)玻璃纤维筋的锚固长度取值，应较普通钢筋适当加大。(2)玻璃纤维筋混凝土构件为脆性破坏，为此，构件应按超筋进行设计。(3)盾构井围护结构盾构施工范围内的配筋应用玻璃纤维筋是成功的，但大规模地应用于整个混凝土构件，尚处在科研、试验阶段。参考文献：．28玻璃纤维筋[1]成都地铁公司，西南交通大学，铁道部第二勘察设计院．纤维1．28钢筋筋在盾构端头井围护桩中的应用研究阶段评审报告[R]．2006．M10一UBoltM10-U形螺栓[2]张凤详，朱合华，傅德明．盾构隧道[M]．北京：人民交通出版0man~钢垫板社．2004．[3]罗毅，郑乐怡，李吉涛．玻璃纤维筋混凝土构件的设计原理[J]．华南理工大学学报(自然科学版)．2004(10)：73-77．图7围护桩配筋Fig．7Diggingpilereinforcement