玻璃纖維筋在地鐵工程中的應用

1、玻璃纖維筋在地鐵工程中的應用摘要：玻璃纖維筋的特性：強度高、重量輕、耐腐蝕性、易切割，同時還具有 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報告中的相 關試驗結果，并參照現(xiàn)行的鋼筋混凝土結構設計規(guī)范及標準，通過對比提出了玻 璃纖維筋的適用性及其欠缺性以及針對其欠缺性提出的改進性建議。關鍵詞：玻璃纖維筋；混凝土；鋼筋混凝土結構目前我國地鐵、城際軌道交通的在大規(guī)模建設發(fā)展的同時，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， 簡稱GFRP）因其抗拉強度高，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構中成為普通鋼筋替代品。1、工程概況西安機場線北客站站屬于西安北至機場城際軌道項目一期工程與西安地鐵二 號線（已運營）、西安地鐵四號線的共同換乘站。本車站（機場線）共設置四個 盾構井（兩個接收井、兩個始發(fā)井）。在盾構井處設計采用玻璃纖維筋代替鋼筋 應用于盾構井掘進范圍內(nèi)的圍護樁（A1500mm）中部分鋼筋進行替換。其主要采 用的玻璃纖維筋直徑有C25 （主筋）、C20（加強筋）、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筋是一種有機非金屬（樹脂）與無機非金屬（無機纖維）復合的塑料基 復合材料，它包含基體和增強體兩部分。

3、通過拉擠工藝把纖維和樹脂兩種不同形 態(tài)和性質(zhì)的組合材料復合在一起，固化形成的復合材料。其中樹脂是GFRP筋的 基體，是一種有機非金屬熱固性塑料，起粘結作用，占總重量的65%75%；連續(xù) 的無機纖維稱為增強體，在復合材料中起增強作用，是主要的承力組分。GFRP筋物理力學特性GFRP筋是一種各向異性材料，其力學性能受拉擠、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%，并按照美國有關GFRP 材料試驗的標準，在溫度為233C，相對濕度為50%l0%的標準試驗環(huán)境下制 作試樣、儲存試樣、調(diào)節(jié)試樣

4、和進行試驗所測得的GFRP筋物理力學特性。表2-1玻璃纖維筋力學性能參數(shù)由上表可以看出，GFRP筋具有較高的抗拉強度，較低的抗剪強度和彈性模量。 這些性能與HRB400級鋼筋相比，其抗拉強度約為鋼筋的2.54.0倍（即GFRP筋 較HRB400級鋼筋抗拉強度大很多）；抗剪強度約為鋼筋的0.430.74倍（抗剪強 度相對小很多）；彈性模量約為鋼筋的0.2倍。通過實驗研究表明，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受壓區(qū)高度為0.170.20。這進一步說明，GFRP筋替代 鋼筋用于混凝土結構與鋼筋混凝土結構存在較

5、大的差異。GFRP筋防火性能FRP筋是由連續(xù)纖維材料和粘結膠體組成的復合材料，單根纖維絲的直徑非 常小，纖維絲之間通過粘結膠體粘合在一起，當FRP筋承受外部荷載時，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。但由于粘結樹 脂對高溫比較敏感，當溫度高于一定限值時會發(fā)生?；?，即處于流塑狀態(tài)，此時 纖維絲的粘結作用會逐漸退化乃至喪失，這也就導致了處于高溫環(huán)境中的連續(xù)纖 維絲的性能也會發(fā)生不同程度的變化，從而造成FRP筋的力學性能也會發(fā)生相應 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筋的強度 和彈性模量均會下降，強度受溫度的影響更加明顯，在溫度高于2

6、70C時，GFRP 筋的強度急劇下降。（2）當試件經(jīng)歷高溫再恢復到室溫后，在溫度低于190C時， GFRP筋的強度可以恢復至室溫時的強度，在溫度高于190C時，GFRP筋的強度 不能恢復。（3）試件內(nèi)的粘結膠體在溫度低于190C時，逐漸受熱玻化而失去粘 結作用，但降溫后其粘結性能可以得到恢復，在溫度高于190C時，粘結膠體將 會碳化和熱分解，其粘結性能不能再恢復。（4）在5C270C時，GFRP筋的強 度可以通過下表中的強度試驗結果插值得到：表2-2不同溫度下玻璃纖維筋力學性能參數(shù)（表中f1為升溫試件的平均抗拉強度，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玻璃纖維筋的設計及計算方法（1）由于玻璃纖維筋的彈性模量和延性較普通鋼筋低，所以與混凝土結構設 計規(guī)范中鋼筋的錨固長度有一定差別，因而玻璃纖維筋在用于混凝土結構構件的 設計計算時，它與普通鋼筋混凝土構件的設計錨固長度不太相同。基于西南交通 大學玻璃纖維筋（GFRP筋）加強混凝土構件力學性能試驗報告中相關試驗結 果表明：目前經(jīng)已有實驗研究表明玻璃纖維筋在斷裂前不會表現(xiàn)出過大的塑性特 征，直到失效前都表現(xiàn)出線彈性應力一應變關系（線性）。（2）玻璃纖維筋的錨固長度由單根玻璃纖維筋的平衡條件可知（2）：相關研究表明式中的與玻璃纖維筋的粘結應力與混凝土強度

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

9、明玻璃纖維筋的破壞拉應 變?yōu)?.02左右）。圖2-2混凝土結構受力等效計算模型上圖為混凝土結構受力的等效計算模型（矩形截面），玻璃纖維筋同此計算模型，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；為設計調(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度設計值正截面受壓承載力計算：式中：為軸向壓力作用點至縱向受拉玻璃纖維筋和受拉的預應力玻璃纖維筋 的合力點之間的距離；為受拉的玻璃纖維筋的應力；對于玻璃纖維筋混凝土結構來說，它破壞屬于脆性破壞，但因為玻璃纖維筋 沒有塑性特征，如果按普通鋼筋中適筋梁進行計算，則危險性較大，因而為了能 使玻璃纖維筋的破壞有預兆性，需將玻璃纖

10、維筋混凝土結構構件設置為超筋結構， 即受壓區(qū)混凝土先破壞。（4）玻璃纖維筋混凝土結構的抗剪承載力計算：玻璃纖維筋的混凝土結構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；為由預加力所提高的構件受剪承載力，一般在無預加力的情況下不考慮此項;斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，對于一般受彎構件取0.7；對集中荷載作用 下（包括作用有多種荷載，其中集中荷載對支座截面或節(jié)點邊緣所產(chǎn)生的剪力值 占總剪力值的75%以上的情況）的獨立梁，取為，為計算截面的剪跨比，可取 為，當小于1.5時，取1.5，當大于3時取3, a取集中荷載

11、作用點至支座截面 或節(jié)點邊緣的距離；為受剪玻璃纖維筋的箍筋面積；為玻璃纖維筋的抗剪強度；為沿構件長度方向的箍筋間距；為抗剪截面對應的有效高度。3、GFRP筋在支護樁中的應用分析GFRP筋與支護樁冠梁的連接為了保證支護樁與冠梁的可靠連接，支護樁應嵌入混凝土冠梁不小于50mm， 且支護樁主筋在冠梁內(nèi)的錨固長度應符合設計要求（參考建筑地基基礎設計規(guī) 范GB 50007-2011）。因此，在混凝土澆筑過程采用超灌的方式，以保證支護樁 樁頂設計標高以下部分樁身混凝土強度滿足要求。超灌的混凝土屬于松散的混凝土浮漿，在綁扎冠梁鋼筋時，須先進行清除， 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 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級鋼筋，鋼筋頂端按照設計要求的標高設置。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 筋之間的連接及GFRP筋自身的連接，須采用細扎絲綁扎，而且由于GFRP筋籠較 長，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筋與混凝土的粘結強度相比于鋼筋與混凝土的粘結強度較低，約為鋼筋 與混凝土粘結強度的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粘結強度都有顯著的影響。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，同時為了不降低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鋼筋的錨固長度需經(jīng)設計計算而定。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 扎也在胎模具上進行，但如果鋼筋籠過長且整個配筋籠全部采用GFRP筋，則 配筋籠極易產(chǎn)生變形，穩(wěn)定性較差，因此應進行現(xiàn)場試驗，必要時可將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，使整個配筋籠穩(wěn)定性極大地提高，變形減小，然 后進行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、堆 放過程中操作人員須戴手套。GFRP筋的切割可利用細齒鋸或者金剛石鋸片，但切 割時應佩戴口罩。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 最大的風險是部分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)折斷長度進行搭接加固，然后方可進行下道施 工工序。鋼筋籠下沉過程中應注意避免碰撞以防GFRP筋發(fā)生折斷。3.4澆筑混凝土時GFRP筋籠上浮問題因GFRP筋籠自身重量輕，在混凝土灌注過程，操作不當會產(chǎn)生GFRP筋籠上 浮?；炷凉嘧⑦^程中導管應始終埋在混凝土中2.04.0m，嚴禁將導管提出混凝 土面。必要時應采取籠底掛重物等其它措施，避免GFRP筋籠上浮。3.5 GFRP筋與支護樁質(zhì)量保證措施鉆孔灌注樁中的主筋采用GFRP筋時，宜采用整根筋材。GFRP筋箍筋和加強 筋應

16、按照設計的規(guī)格、形狀、尺寸在工廠加工定制成形，在接頭處開口，并留足 設計的搭接長度。為了保證GFRP筋的混凝土保護層，采用C30圓形砂漿墊塊定 位，在加勁箍四周20cm位置每隔2米設置1組，每組4個。針對鉆孔灌注樁易 出現(xiàn)的其它質(zhì)量問題，應從測量放線與樁位測設、護筒埋設及鉆機定位、泥漿護 壁鉆進成孔、清孔等方面參照鋼筋混凝土灌注樁的做法進行控制。4、結論使用性能優(yōu)良的GFRP筋來部分代替鋼筋或預應力鋼筋用在混凝土結構中， 通過已有的工程應用實例可知其主要優(yōu)點如下：（1）GFRP玻璃纖維筋可通過與鋼筋相結合，提高GFRP筋在鉆孔灌注支護樁 中應用的可操作性，但結合的同時應較普通的鋼筋適當增加搭接長度，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）通過工程實例現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，整個基坑工程的進展是安全的，證明 GFRP筋替代鋼筋用于基坑圍護灌注樁是可行的，針對存在的問題所做的相應技術 措施發(fā)揮了較好的作用。（3）玻璃纖維筋的混凝凝土結構發(fā)生破壞時為脆性破壞，因而在設計玻璃纖 維筋混凝土結構時應將其設計為超筋破