玻璃纖維筋在地鐵工程中的應(yīng)用

1、玻璃纖維筋在地鐵工程中的應(yīng)用摘要：玻璃纖維筋的特性：強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性、易切割，同時(shí)還具有 良好的電、磁絕緣性，耐久性好。本文基于各種玻璃纖維筋性能試驗(yàn)報(bào)告中的相 關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，并參照現(xiàn)行的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)比提出了玻 璃纖維筋的適用性及其欠缺性以及針對(duì)其欠缺性提出的改進(jìn)性建議。關(guān)鍵詞：玻璃纖維筋；混凝土；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)目前我國(guó)地鐵、城際軌道交通的在大規(guī)模建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，大多數(shù)新型材料 開始逐漸被人們嘗試于各類工程中，玻璃纖維筋（GlassFiber-reinforcedPolymer， 簡(jiǎn)稱GFRP）因其抗拉強(qiáng)度高，具有良好的電、磁絕緣性，耐久性好，不易腐蝕而 作為一種

2、新材料被試用于地鐵結(jié)構(gòu)中成為普通鋼筋替代品。1、工程概況西安機(jī)場(chǎng)線北客站站屬于西安北至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目一期工程與西安地鐵二 號(hào)線（已運(yùn)營(yíng)）、西安地鐵四號(hào)線的共同換乘站。本車站（機(jī)場(chǎng)線）共設(shè)置四個(gè) 盾構(gòu)井（兩個(gè)接收井、兩個(gè)始發(fā)井）。在盾構(gòu)井處設(shè)計(jì)采用玻璃纖維筋代替鋼筋 應(yīng)用于盾構(gòu)井掘進(jìn)范圍內(nèi)的圍護(hù)樁（A1500mm）中部分鋼筋進(jìn)行替換。其主要采 用的玻璃纖維筋直徑有C25 （主筋）、C20（加強(qiáng)筋）、C16 （螺旋箍）。2、玻璃纖維筋的主要性能2.1玻璃纖維筋（GFRP）基本特征及制作工藝GFRP筋是一種有機(jī)非金屬（樹脂）與無機(jī)非金屬（無機(jī)纖維）復(fù)合的塑料基 復(fù)合材料，它包含基體和增強(qiáng)體兩部分。

3、通過拉擠工藝把纖維和樹脂兩種不同形 態(tài)和性質(zhì)的組合材料復(fù)合在一起，固化形成的復(fù)合材料。其中樹脂是GFRP筋的 基體，是一種有機(jī)非金屬熱固性塑料，起粘結(jié)作用，占總重量的65%75%；連續(xù) 的無機(jī)纖維稱為增強(qiáng)體，在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用，是主要的承力組分。GFRP筋物理力學(xué)特性GFRP筋是一種各向異性材料，其力學(xué)性能受拉擠、編織、纖維類型及含量、 樹脂類型、纖維空間布置方位、纏繞方式、GFRP筋尺寸和制造工藝、加載速率及 所處環(huán)境等因素的影響。表1列出了纖維體積含量約75%，并按照美國(guó)有關(guān)GFRP 材料試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，在溫度為233C，相對(duì)濕度為50%l0%的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下制 作試樣、儲(chǔ)存試樣、調(diào)節(jié)試樣

4、和進(jìn)行試驗(yàn)所測(cè)得的GFRP筋物理力學(xué)特性。表2-1玻璃纖維筋力學(xué)性能參數(shù)由上表可以看出，GFRP筋具有較高的抗拉強(qiáng)度，較低的抗剪強(qiáng)度和彈性模量。 這些性能與HRB400級(jí)鋼筋相比，其抗拉強(qiáng)度約為鋼筋的2.54.0倍（即GFRP筋 較HRB400級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度大很多）；抗剪強(qiáng)度約為鋼筋的0.430.74倍（抗剪強(qiáng) 度相對(duì)小很多）；彈性模量約為鋼筋的0.2倍。通過實(shí)驗(yàn)研究表明，GFRP筋混凝 土梁與鋼筋混凝土梁的最大撓度之比為1.52.5；初裂承載力之比0.530.69； GFRP筋混凝土梁界限相對(duì)受壓區(qū)高度為0.170.20。這進(jìn)一步說明，GFRP筋替代 鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在較

5、大的差異。GFRP筋防火性能FRP筋是由連續(xù)纖維材料和粘結(jié)膠體組成的復(fù)合材料，單根纖維絲的直徑非 常小，纖維絲之間通過粘結(jié)膠體粘合在一起，當(dāng)FRP筋承受外部荷載時(shí)，眾多粘 合在一起的纖維絲可以均勻受力，并且具有良好的共同工作性能。但由于粘結(jié)樹 脂對(duì)高溫比較敏感，當(dāng)溫度高于一定限值時(shí)會(huì)發(fā)生?；刺幱诹魉軤顟B(tài)，此時(shí) 纖維絲的粘結(jié)作用會(huì)逐漸退化乃至喪失，這也就導(dǎo)致了處于高溫環(huán)境中的連續(xù)纖 維絲的性能也會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而造成FRP筋的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng) 的變化。玻璃纖維筋隨溫度變化的主要特性有：（1）隨溫度的升高，GFRP筋的強(qiáng)度 和彈性模量均會(huì)下降，強(qiáng)度受溫度的影響更加明顯，在溫度高于2

6、70C時(shí)，GFRP 筋的強(qiáng)度急劇下降。（2）當(dāng)試件經(jīng)歷高溫再恢復(fù)到室溫后，在溫度低于190C時(shí)， GFRP筋的強(qiáng)度可以恢復(fù)至室溫時(shí)的強(qiáng)度，在溫度高于190C時(shí)，GFRP筋的強(qiáng)度 不能恢復(fù)。（3）試件內(nèi)的粘結(jié)膠體在溫度低于190C時(shí)，逐漸受熱?；フ?結(jié)作用，但降溫后其粘結(jié)性能可以得到恢復(fù)，在溫度高于190C時(shí)，粘結(jié)膠體將 會(huì)碳化和熱分解，其粘結(jié)性能不能再恢復(fù)。（4）在5C270C時(shí)，GFRP筋的強(qiáng) 度可以通過下表中的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果插值得到：表2-2不同溫度下玻璃纖維筋力學(xué)性能參數(shù)（表中f1為升溫試件的平均抗拉強(qiáng)度，E1為升溫試件的平均彈性模量，f2 為室溫一高溫一室溫試件的平均抗拉強(qiáng)度，E2

7、為室溫一高溫一室溫試件的平均彈 性模量。）2.4玻璃纖維筋的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法（1）由于玻璃纖維筋的彈性模量和延性較普通鋼筋低，所以與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)規(guī)范中鋼筋的錨固長(zhǎng)度有一定差別，因而玻璃纖維筋在用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，它與普通鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度不太相同?；谖髂辖煌?大學(xué)玻璃纖維筋（GFRP筋）加強(qiáng)混凝土構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告中相關(guān)試驗(yàn)結(jié) 果表明：目前經(jīng)已有實(shí)驗(yàn)研究表明玻璃纖維筋在斷裂前不會(huì)表現(xiàn)出過大的塑性特 征，直到失效前都表現(xiàn)出線彈性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系（線性）。（2）玻璃纖維筋的錨固長(zhǎng)度由單根玻璃纖維筋的平衡條件可知（2）：相關(guān)研究表明式中的與玻璃纖維筋的粘結(jié)應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度

8、和玻璃纖維筋的 直徑有關(guān)，即：式中為常量，為混凝土的抗壓強(qiáng)度，為玻璃纖維筋的直徑。由上可知：（3）玻璃纖維筋混凝土正截面承載力試驗(yàn)研究表明，玻璃纖維筋混凝土的受彎承載力計(jì)算模式與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 的計(jì)算模式相似，但在鋼筋混凝土的計(jì)算模式上必須考慮玻璃纖維筋的特性，對(duì) 相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行修正。以下為玻璃纖維筋正截面受彎承載力計(jì)算的基本假定：（1）截面應(yīng)變保持平面；（2）不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；（3）混凝土的最大可壓縮應(yīng)變?yōu)?.0033；（4）玻璃纖維筋其抗拉強(qiáng)度是線彈性的，且不考慮玻璃纖維筋的抗壓強(qiáng)度；（5）混凝土和玻璃纖維筋存在良好的粘結(jié)性能；（6）玻璃纖維筋的最大拉應(yīng)變暫取0.015 （研究表

9、明玻璃纖維筋的破壞拉應(yīng) 變?yōu)?.02左右）。圖2-2混凝土結(jié)構(gòu)受力等效計(jì)算模型上圖為混凝土結(jié)構(gòu)受力的等效計(jì)算模型（矩形截面），玻璃纖維筋同此計(jì)算模型，據(jù)此建立平衡方程（3）：式中：a為混凝土等效受壓區(qū)高度；為設(shè)計(jì)調(diào)整系數(shù)，取0.85；縱向受力玻璃纖維筋的面積；玻璃纖維筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值正截面受壓承載力計(jì)算：式中：為軸向壓力作用點(diǎn)至縱向受拉玻璃纖維筋和受拉的預(yù)應(yīng)力玻璃纖維筋 的合力點(diǎn)之間的距離；為受拉的玻璃纖維筋的應(yīng)力；對(duì)于玻璃纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，它破壞屬于脆性破壞，但因?yàn)椴ＡЮw維筋 沒有塑性特征，如果按普通鋼筋中適筋梁進(jìn)行計(jì)算，則危險(xiǎn)性較大，因而為了能 使玻璃纖維筋的破壞有預(yù)兆性，需將玻璃纖

10、維筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置為超筋結(jié)構(gòu)， 即受壓區(qū)混凝土先破壞。（4）玻璃纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力計(jì)算：玻璃纖維筋的混凝土結(jié)構(gòu)抗剪承載力主要混凝土抗剪承載力和玻璃纖維筋抗 剪承載力兩部分組成，即按如下驗(yàn)算：式中：為混凝土的抗剪承載力；為玻璃纖維筋的抗剪承載力；為由預(yù)加力所提高的構(gòu)件受剪承載力，一般在無預(yù)加力的情況下不考慮此項(xiàng);斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，對(duì)于一般受彎構(gòu)件取0.7；對(duì)集中荷載作用 下（包括作用有多種荷載，其中集中荷載對(duì)支座截面或節(jié)點(diǎn)邊緣所產(chǎn)生的剪力值 占總剪力值的75%以上的情況）的獨(dú)立梁，取為，為計(jì)算截面的剪跨比，可取 為，當(dāng)小于1.5時(shí)，取1.5，當(dāng)大于3時(shí)取3, a取集中荷載

11、作用點(diǎn)至支座截面 或節(jié)點(diǎn)邊緣的距離；為受剪玻璃纖維筋的箍筋面積；為玻璃纖維筋的抗剪強(qiáng)度；為沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的箍筋間距；為抗剪截面對(duì)應(yīng)的有效高度。3、GFRP筋在支護(hù)樁中的應(yīng)用分析GFRP筋與支護(hù)樁冠梁的連接為了保證支護(hù)樁與冠梁的可靠連接，支護(hù)樁應(yīng)嵌入混凝土冠梁不小于50mm， 且支護(hù)樁主筋在冠梁內(nèi)的錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求（參考建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī) 范GB 50007-2011）。因此，在混凝土澆筑過程采用超灌的方式，以保證支護(hù)樁 樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以下部分樁身混凝土強(qiáng)度滿足要求。超灌的混凝土屬于松散的混凝土浮漿，在綁扎冠梁鋼筋時(shí)，須先進(jìn)行清除， 方可綁扎鋼筋。GFRP筋屬于脆性材料，抗剪力能力很低，較易

12、被破壞，若GFRP 筋直接錨固到冠梁里，那么，在浮漿清除過程，便把GFRP筋破壞，無法使支護(hù) 樁和冠梁緊密連接。因此，在GFRP筋籠頂部綁扎鋼筋，即每根GFRP筋綁扎一根 相同直徑的HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋頂端按照設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高設(shè)置。GFRP筋自身的搭接與連接因GFRP筋無法采用焊接連接，GFRP筋縱向主筋與樁頂位置的HRB400加強(qiáng) 筋之間的連接及GFRP筋自身的連接，須采用細(xì)扎絲綁扎，而且由于GFRP筋籠較 長(zhǎng)，GFRP筋縱向主筋上下段的連接還須采取鋼卡扣件連接，方可避免GFRP筋籠 產(chǎn)生過大變形。為了保證縱向主筋連接的穩(wěn)定性與可靠性，每個(gè)接頭須采用扎絲 可靠連接。3.3 GFRP筋籠的制

13、作GFRP筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度相比于鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度較低，約為鋼筋 與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的6587%。GFRP筋的種類、表面處理方法、直徑、肋高度、 肋寬和肋間距度等因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度都有顯著的影響。因此，為了保證GFRP筋與 混凝土之間的握裹力，不可采用表面光滑的GFRP筋。GFRP筋表面須纏繞成型并 噴砂，以保證與混凝土的有效粘結(jié)，同時(shí)為了不降低GFRP筋的有效面積，纏繞 深度不小于1.0mm。使用的GFRP筋表面不得有結(jié)疤、裂紋或纖維出露，GFRP筋 中纖維含量須控制在6570%，且保證GFRP筋為無堿玻璃纖維粗紗，玻璃纖維中 的樹脂為環(huán)氧樹脂，GFRP鋼筋的錨固長(zhǎng)度需經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算而定。GF

14、RP筋籠與成型同普通鋼筋籠一樣，均需在加工棚內(nèi)或者底模上完成，其綁 扎也在胎模具上進(jìn)行，但如果鋼筋籠過長(zhǎng)且整個(gè)配筋籠全部采用GFRP筋，則 配筋籠極易產(chǎn)生變形，穩(wěn)定性較差，因此應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，必要時(shí)可將GFRP鋼 筋籠分成兩部分制作或者采用GFRP筋與鋼筋混搭配筋。即先采用35根鋼筋按 照鋼筋籠的制作工藝制成骨架，使整個(gè)配筋籠穩(wěn)定性極大地提高，變形減小，然 后進(jìn)行GFRP筋的綁扎。GFRP筋主要由多股玻璃纖維膠合而成，常見纖維絲外露，因此，在搬運(yùn)、堆 放過程中操作人員須戴手套。GFRP筋的切割可利用細(xì)齒鋸或者金剛石鋸片，但切 割時(shí)應(yīng)佩戴口罩。由于GFRP筋彈性模量和延性較低，且抗剪性能較差，G

15、FRP筋籠起吊過程中 最大的風(fēng)險(xiǎn)是部分GFRP筋發(fā)生受力不均勻而折斷。在起吊過程中若發(fā)生折斷現(xiàn) 象，立即采取多余的GFRP筋根據(jù)折斷長(zhǎng)度進(jìn)行搭接加固，然后方可進(jìn)行下道施 工工序。鋼筋籠下沉過程中應(yīng)注意避免碰撞以防GFRP筋發(fā)生折斷。3.4澆筑混凝土?xí)rGFRP筋籠上浮問題因GFRP筋籠自身重量輕，在混凝土灌注過程，操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生GFRP筋籠上 浮。混凝土灌注過程中導(dǎo)管應(yīng)始終埋在混凝土中2.04.0m，嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝 土面。必要時(shí)應(yīng)采取籠底掛重物等其它措施，避免GFRP筋籠上浮。3.5 GFRP筋與支護(hù)樁質(zhì)量保證措施鉆孔灌注樁中的主筋采用GFRP筋時(shí)，宜采用整根筋材。GFRP筋箍筋和加強(qiáng) 筋應(yīng)

16、按照設(shè)計(jì)的規(guī)格、形狀、尺寸在工廠加工定制成形，在接頭處開口，并留足 設(shè)計(jì)的搭接長(zhǎng)度。為了保證GFRP筋的混凝土保護(hù)層，采用C30圓形砂漿墊塊定 位，在加勁箍四周20cm位置每隔2米設(shè)置1組，每組4個(gè)。針對(duì)鉆孔灌注樁易 出現(xiàn)的其它質(zhì)量問題，應(yīng)從測(cè)量放線與樁位測(cè)設(shè)、護(hù)筒埋設(shè)及鉆機(jī)定位、泥漿護(hù) 壁鉆進(jìn)成孔、清孔等方面參照鋼筋混凝土灌注樁的做法進(jìn)行控制。4、結(jié)論使用性能優(yōu)良的GFRP筋來部分代替鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋用在混凝土結(jié)構(gòu)中， 通過已有的工程應(yīng)用實(shí)例可知其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）GFRP玻璃纖維筋可通過與鋼筋相結(jié)合，提高GFRP筋在鉆孔灌注支護(hù)樁 中應(yīng)用的可操作性，但結(jié)合的同時(shí)應(yīng)較普通的鋼筋適當(dāng)增加搭接長(zhǎng)度，使GFRP 筋籠的加工與制作、起吊與下放以及成樁質(zhì)量得到較好地保證。（2）通過工程實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，整個(gè)基坑工程的進(jìn)展是安全的，證明 GFRP筋替代鋼筋用于基坑圍護(hù)灌注樁是可行的，針對(duì)存在的問題所做的相應(yīng)技術(shù) 措施發(fā)揮了較好的作用。（3）玻璃纖維筋的混凝凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)為脆性破壞，因而在設(shè)計(jì)玻璃纖 維筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)將其設(shè)計(jì)為超筋破