玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用.pdf

第 3 6卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 四川建筑科学 研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 7 3 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6 1 0 0 1 5 ) 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 ： T U 3 7 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 51 7 30 3 De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o n g l a s s fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n s u b w a y p r o j e c t L U Z h i q i a n g ， L I U J i a n w e i ， XU Xi a o p e n g ( R a n k e n R a i l w a y C o n s t r u c t i o n ， L t d ， C h e n g d u 6 1 0 0 1 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s i n g o n t h e d e s i g n t h e o r y o f o r d i n a r y r e i n f o r c e c o n c r e t e， a p p r o x i ma t e f o r mu l a f o r c a l c u l a ti n g n o rm al s e c ti o n a n d o b fi q u e s e c t i o n o f g l a s s fi b e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s e s t a b l i s h e d F u r t h e r l y t h e me c h a n i s m o f b rit t l e f r a c t u r e o f g l a s s fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e s i s dis c u s s e dTh e g l a s s fib e r s u c c e s s f u l l y i s a pp l i e d i n Ch e ng du me t r o s t rut t e d s t ru c t u r e for e x c a v a t i on， v a l u a bl e e x p e r i e nc e i s o b t a i n e d f o r a l a r g e nu mbe r o f a p pl i c a t i o ns i n c o nc r e t e s t r u c t ur e s i n t h e f u t ure Ke y wo r d s： g l a s s fi b e r ； b e n d s t r e n g t h； s h e a r s t r e n g t h； we l l s h i e l d 0 引 言 我国城市轨道交通发展十分迅猛 ， 已有 1 0个城 市的轨道交通处 于运营或试运 营状态 ， 在建线路长 度超过了 3 9 0 k m。地铁造价 昂贵 ， 每 k m至少需要 4 5亿元 ， 甚至更多的投资。为此 ， 地 铁工程建设 成本 的更 加精心化 、 节 约化 ， 显得尤 为重要 。新材 料、 新技术在地铁工程中的应用 ， 便是节约成本的一 个有效措施 。把新材料用 于混凝土结构 中， 是土木 工程界一直在努力解决的问题 。2 l 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 电、 磁绝 缘性 ， 耐久性好 ， 不易腐蚀 。但玻璃纤维筋 的弹性模量和延性较低 ， 与混凝 土的锚 固能力 同普 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 7 2 4 作者简介 ： 卢致强( 1 9 7 4一) ， 男 ， 吉 林敦化 人 ， 硕 士 ， 工程 师 ， 主要从 事地下结构设计。 E m a i l ： 3 6 5 6 0 3 9 9 5 q q c o n 通钢筋有一定差别。玻璃纤维筋 的以上特性说 明， 它在用于混凝土结构构件 的设计计算 时， 与普通钢 筋混凝土构件 的设计方法有一定差异 。基于西南交 通大学 玻璃纤维筋 ( G F R P筋 ) 加强混凝土构件力 学性能试验报告 中相关试验结果 ， 并参 照普通钢 筋混凝土结构设计方法 ， 提 出了适合玻璃纤维筋混 凝土构件的设计理论 和计算公式。 1 2玻璃 纤维 筋 的抗拉 设计 强度 试验装置如图 1 ， 2所示。 图 l试 验 样 本 Fi g 1 Ex pe r i m e n t a l s a mpl e 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。 抗拉强度设计值 ： f f o =C 1 7 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 图 2 试验装置 Fi g 2 Te s t e qu i pme n t 抗拉强度标准值： l u = u 一 d 极限应变设计值： CE Ef u 极限应变标准值 ： = 一3 1 3玻璃纤维筋的锚固长度 由单根玻璃纤维筋的平衡条件可知 ： z b f 百 f=Af _ b 相关研究表明： 玻璃纤维筋的粘结应力与混凝 土强度和玻璃纤维筋 的直径有关 ， 即 K l e 肌 式中 K 为常量 ； 的单位 为 MP a ； d 的单 位为 r l l n 。 fbf ： 警 q 3 c 式中 为常量 的单位为 MP a ； d 的单位为 m l q。 1 4 玻璃纤维筋混凝土正截面承载力 试验装置如图 3所示。 图 3 试验装置 Fi g 3 Te s t e q ui pme nt 试验研究表明， 玻璃纤维筋混凝土的受弯承载 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 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 0 0 3 3 ； ( 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。 混凝土构件受力时的等效矩形应力 ， 如图 4所 示 。 图 4 平衡破坏 时的应力一应 变 Fi g 4 Ti me ba l an c e d de s t r u c t i o n s t r e s s s t r a i n c ha r t 据此 ， 建立力矩平衡方程 ： M c d C cb a ( h 0一 )+ f r A f ( o一0 ) 对于玻璃纤维筋混凝土构件来说 ， 它的破坏形 态均为脆性破坏。玻璃纤维筋变形增大所引起的混 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 结构。 弯矩设计值、 等效受压区高度、 相对界限受压区 高度分别为： M ( 一 ) A 口 一 一 一 1h0 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 ： = A d f ( h 。一 ) 等效受压区高度： A t 1 ， D 纤维筋实际应力 ： ( + 一 o5 ) 卢致强， 等 ： 玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用 1 7 5 正截面受压承载力计算 ： N。 = b x+ ， f A 。 一 f A N c e = fl g f b x ( h 一 詈) + 厂 ， A ( 。 一 口 。 ) h 7 7 i +T a s 大偏心时 ： ， = 小偏心时： ， ：g f cu ( 壁 一1 ) O fi ( 意 ) 一 斜截面承载力计算 ： 玻璃纤维筋混凝土构件抗剪 ， 由混凝土和玻璃 纤维筋两部分组成 ： Y,c+ 混凝土提供抗剪承载力 ： = 取 0 6- 0 7 。 箍筋( 纤维筋) 提供抗剪承载力 ： ： A f o C f vb o = 0 0 0 2 E f = ( 0 0 5 r b+0 3 ) f o 2成 都 1号 线 后 子 门盾 构 井 工程 设 计 实例 2 1 工 程概 况 本盾构井为成都地铁 1号线人 民北路站至天府 广场区间盾构工作井兼盾构施工完毕后 的轨排井 ， 基坑围护结构采用人工挖孔桩。为改变传统的盾构 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 头围护桩盾构施工影响范围内的钢筋采用玻璃纤维 筋。 本段区域内均为第四系( Q ) 地层覆盖。地表多 为第四系人工填筑 ( Q ) 杂填 土覆 盖， 其下 为第 四 系冲积 ( Q ) 粘土、 卵砾石土夹粉细砂 ； 第 四系上更 新统冰水沉积、 冲积( Q ) 及第 四系 中更新统 冰 水沉积 、 冲积( Q 龟 ) 卵石土夹砂透镜体 ， 下伏 白垩 系上统灌 口组( K ) 泥岩。 2 2设计参数 端头盾构施工影响范围内围护结构采用桩直径 1 5 0 0 m m， 间距 2 0 0 0 mm。桩 的嵌 固深度采用 5 0 0 0 m m。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 Ta bl e 1 Roc k a nd s o u phys i c s me c ha ni cs pa r a m e t e r s pr o pos a l v al ue 2 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 2 0 m， 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 。 表 2内力值 Tab l e 2 I nt e r na l f or c e va l ue 段 号 内 力 类 型 篓 溢葬 鋈蠹 ( a ) 支反力 k N ( b ) 位移 ra i n ( c ) 弯矩 ( k S m) ( d ) 剪力 k N ( - 6 8 1 ) 【 O 0 6 ) ( - 1 3 1 7 0 4 卜( 1 2 9 4 9 7 ) ( - 9 1 4 0 3 ) - ( 8 8 9 7 7 ) 图 5内力 、 位移 包络 图 Fi g 5 I n t e r na l f o r c e， d i s pl a c e me nt 围护桩配筋 ( 玻璃纤维筋 ) 如图 7所示。 ( 下转 第 1 8 2页) 1 8 2 四川建筑科学研究 第 3 6卷 大量的氢键 ， 分子 间作用力强 ， 相近的蒙脱石颗粒可 以通过聚乙烯醇粘结在一起 ， 通过真空冻干过程 ， 使 冰升华 ， 形成了由层片状蒙脱石堆砌而成的纤维状 结构。 3 结 论 通过机械分散一细胞破碎一离心分离手段 ， 可 制备出3 0 0 5 0 0 n m的蒙脱石微凝胶 。采用溶液插 层一液氮冷冻真 空冻干的方法 ， 可制备 出 P V A M MT复合材料。 采用 X R D和 S E M手段 ， 对 P V A MMT复合材 料进行 了结构表征。P V A与蒙脱石具有 良好的相 容性 ， 在溶液 中可以直接复合形成 P V A MM T复合 材料。从 S E M照片中可以看出 ， 当聚乙烯醇的掺人 量达到 1 时， P V A MM T复合材料微观上表现出纤 维状结构， 宏观上看起来结构疏松多孔 ， 比表面积显 著增加。 参 考 文 献： 1 王鸿禧 膨润土 M 北京 ： 地质出版社 ， 1 9 8 0 2 姜桂兰 ， 张培萍 膨润土加工与应 用 M 北京 ： 冶金工业出版 社 2 0 0 5 3 严瑞， 王宣著 水溶性高分子 M 北京： 化学工业出版社， 1 9 8 8： 4 26 6 1 4 刘 元虎 聚 乙烯 醇工 业技 术进 展 及其 展望 J 维纶通 讯 ， 2 0 0 9 5 王茹 ， 王琪 ， 李莉 ， 等 改性 聚乙烯醇热塑加工性能 的研 究 J 高分子材料科学与工程 ， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 6 ) ： 1 1 I 一 1 1 3 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 能 J 塑料科技 ， 2 0 0 5 ( 2 ) 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 研究 J 塑料科技 ， 2 0 0 5 ( 5 ) 8 D e v i l l e S ， S a i z E ， N a l l a R K， T o m s i a A P F r e e i n g a s tt p a t h t o b u i l d c o mp l e x c o mpo s i t e s S c i e n c e， S c i e n c e ， 2 0 0 6： 31 1， 51 5 9 C u t l e r r e z M C， J o b b a g y M， R a p u n N， F e r r e r M L， d e l Mo n t e F A Bi o c o mp a t i b l e Bo a o m Up R o u t e f o r t h e P r e p a r a t i o n o f Hi e r a r c h i c a l Bi o h y b r i d Ma t e r i a l s ， Ad v Ma te r ， 2 0 0 6 ( 上接第 1 7 5页) E E B O 20 4 o 孟 冀6 0 8 0 l 0 0 离 坑边距 离 ， m 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 1 6 一一- 一- - f 一 _ r _ L _ 1 J _ r 工况 1 5 一 加刚性 铰 ( 4 0 0 m ) 三角形法 指数法抛物线法 最大沉降量1 6 ram 最大沉降量2 3 ra m 最大沉降量1 2 ram 图 6地面沉降 Fi g 6 Gr o und s ubs i de n c e 图 7 围护桩 配筋 Fi g 7 Di gg i ng pi l e r e i n f o r c e me n t 2 8 玻 璃纤维 筋 1 2 8 钢 筋 M 1 0 一 U Bol t M 1 0 - U 形 螺栓 0 m a n 钢垫板 因为在成都基坑 围护结构设计 中， 玻璃纤维筋 尚属首次应用， 为此， 围护桩配筋 图中， 受力主筋采 用趋向于超筋设计。同时 ， 为增强桩的抗剪承载力 ， 桩直径采用 6 1 5 0 0 I L 1T I 。玻璃纤维筋与普通钢筋采 用搭接方式进行连接， 搭接长度不小于4 0 d ， 玻璃纤 维筋主筋与箍筋之间采用铁丝绑扎方式进行连接。 3 结 论 ， 在盾构工作井 围护结构 ( 盾构施工范围内) 的 配筋 中， 用玻璃纤维筋代替普通钢筋， 不但取得了很 大的经济效益 ， 同时使盾构进出洞施工时更加安全。 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 ： 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 筋在盾构 端头井 围护桩 中 的应用 研 究 阶段评 审报 告 R 2 0 0 6 2 张凤详， 朱合华， 傅德明 盾构隧道 M 北京： 人民交通出版 社 2 0 0 4 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 ) 2 0 0 4( 1 0 ) ： 7 3 - 7 7 r 哥 r