玻璃纤维筋在地铁工程中的应用

玻璃纤维筋在地铁工程中的应用

董鑫

陕西省铁路集团有限公司陕西西安710000

摘要：玻璃纤维筋的特性：强度高、重量轻、耐腐蚀性、易切割，同时还具有良好的电、磁绝缘性，耐久性好。本文基于各种玻璃纤维筋性能试验报告中的相关试验结果，并参照现行的钢筋混凝土结构设计规范及标准，通过对比提出了玻璃纤维筋的适用性及其欠缺性以及针对其欠缺性提出的改进性建议。

关键词：玻璃纤维筋；混凝土；钢筋混凝土结构

目前我国地铁、城际轨道交通的在大规模建设发展的同时，大多数新型材料开始逐渐被人们尝试于各类工程中，玻璃纤维筋（GlassFiber-reinforcedPolymer，简称GFRP）因其抗拉强度高，具有良好的电、磁绝缘性，耐久性好，不易腐蚀而作为一种新材料被试用于地铁结构中成为普通钢筋替代品。

1、工程概况

西安机场线北客站站属于西安北至机场城际轨道项目一期工程与西安地铁二号线（已运营）、西安地铁四号线的共同换乘站。本车站（机场线）共设置四个盾构井（两个接收井、两个始发井）。在盾构井处设计采用玻璃纤维筋代替钢筋应用于盾构井掘进范围内的围护桩（A1500mm）中部分钢筋进行替换。其主要采用的玻璃纤维筋直径有C25（主筋）、C20（加强筋）、C16（螺旋箍）。

2、玻璃纤维筋的主要性能

2.1玻璃纤维筋（GFRP）基本特征及制作工艺

GFRP筋是一种有机非金属（树脂）与无机非金属（无机纤维）复合的塑料基复合材料，它包含基体和增强体两部分。通过拉挤工艺把纤维和树脂两种不同形态和性质的组合材料复合在一起，固化形成的复合材料。其中树脂是GFRP筋的基体，是一种有机非金属热固性塑料，起粘结作用，占总重量的65%~75%；连续的无机纤维称为增强体，在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分。

2.2GFRP筋物理力学特性

GFRP筋是一种各向异性材料，其力学性能受拉挤、编织、纤维类型及含量、树脂类型、纤维空间布置方位、缠绕方式、GFRP筋尺寸和制造工艺、加载速率及所处环境等因素的影响。表1列出了纤维体积含量约75%，并按照美国有关GFRP材料试验的标准，在温度为23±3℃，相对湿度为50％±l0％的标准试验环境下制作试样、储存试样、调节试样和进行试验所测得的GFRP筋物理力学特性。

表2-1玻璃纤维筋力学性能参数

由上表可以看出，GFRP筋具有较高的抗拉强度，较低的抗剪强度和弹性模量。这些性能与HRB400级钢筋相比，其抗拉强度约为钢筋的2.5~4.0倍（即GFRP筋较HRB400级钢筋抗拉强度大很多）；抗剪强度约为钢筋的0.43~0.74倍（抗剪强度相对小很多）；弹性模量约为钢筋的0.2倍。通过实验研究表明，GFRP筋混凝土梁与钢筋混凝土梁的最大挠度之比为1.5~2.5；初裂承载力之比0.53~0.69；GFRP筋混凝土梁界限相对受压区高度为0.17~0.20。这进一步说明，GFRP筋替代钢筋用于混凝土结构与钢筋混凝土结构存在较大的差异。

2.3GFRP筋防火性能

FRP筋是由连续纤维材料和粘结胶体组成的复合材料，单根纤维丝的直径非常小，纤维丝之间通过粘结胶体粘合在一起，当FRP筋承受外部荷载时，众多粘合在一起的纤维丝可以均匀受力，并且具有良好的共同工作性能。但由于粘结树脂对高温比较敏感，当温度高于一定限值时会发生玻化，即处于流塑状态，此时纤维丝的粘结作用会逐渐退化乃至丧失，这也就导致了处于高温环境中的连续纤维丝的性能也会发生不同程度的变化，从而造成FRP筋的力学性能也会发生相应的变化。

玻璃纤维筋随温度变化的主要特性有：（1）随温度的升高，GFRP筋的强度和弹性模量均会下降，强度受温度的影响更加明显，在温度高于270℃时，GFRP筋的强度急剧下降。（2）当试件经历高温再恢复到室温后，在温度低于190℃时，GFRP筋的强度可以恢复至室温时的强度，在温度高于190℃时，GFRP筋的强度不能恢复。（3）试件内的粘结胶体在温度低于190℃时，逐渐受热玻化而失去粘结作用，但降温后其粘结性能可以得到恢复，在温度高于190℃时，粘结胶体将会碳化和热分解，其粘结性能不能再恢复。（4）在5℃～270℃时，GFRP筋的强度可以通过下表中的强度试验结果插值得到：

表2-2不同温度下玻璃纤维筋力学性能参数

（表中f1为升温试件的平均抗拉强度，E1为升温试件的平均弹性模量，f2为室温—高温—室温试件的平均抗拉强度，E2为室温—高温—室温试件的平均弹性模量。）

2.4玻璃纤维筋的设计及计算方法

（1）由于玻璃纤维筋的弹性模量和延性较普通钢筋低，所以与混凝土结构设计规范中钢筋的锚固长度有一定差别，因而玻璃纤维筋在用于混凝土结构构件的设计计算时，它与普通钢筋混凝土构件的设计锚固长度不太相同。基于西南交通大学《玻璃纤维筋（GFRP筋）加强混凝土构件力学性能试验报告》中相关试验结果表明：目前经已有实验研究表明玻璃纤维筋在断裂前不会表现出过大的塑性特征，直到失效前都表现出线弹性应力—应变关系（线性）。

（2）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（2）：

相关研究表明式中的与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：

式中为常量，为混凝土的抗压强度，为玻璃纤维筋的直径。

由上可知：

（3）玻璃纤维筋混凝土正截面承载力

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，但在钢筋混凝土的计算模式上必须考虑玻璃纤维筋的特性，对相应的计算公式进行修正。以下为玻璃纤维筋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）玻璃纤维筋其抗拉强度是线弹性的，且不考虑玻璃纤维筋的抗压强度；

（5）混凝土和玻璃纤维筋存在良好的粘结性能；

（6）玻璃纤维筋的最大拉应变暂取0.015（研究表明玻璃纤维筋的破坏拉应变为0.02左右）。

图2-2混凝土结构受力等效计算模型

上图为混凝土结构受力的等效计算模型（矩形截面），玻璃纤维筋同此计算模型，据此建立平衡方程（3）：

式中：a为混凝土等效受压区高度；

为设计调整系数，取0.85；

纵向受力玻璃纤维筋的面积；

玻璃纤维筋的抗拉强度设计值

正截面受压承载力计算：

式中：为轴向压力作用点至纵向受拉玻璃纤维筋和受拉的预应力玻璃纤维筋的合力点之间的距离；

为受拉的玻璃纤维筋的应力；

对于玻璃纤维筋混凝土结构来说，它破坏属于脆性破坏，但因为玻璃纤维筋没有塑性特征，如果按普通钢筋中适筋梁进行计算，则危险性较大，因而为了能使玻璃纤维筋的破坏有预兆性，需将玻璃纤维筋混凝土结构构件设置为超筋结构，即受压区混凝土先破坏。

（4）玻璃纤维筋混凝土结构的抗剪承载力计算：

玻璃纤维筋的混凝土结构抗剪承载力主要混凝土抗剪承载力和玻璃纤维筋抗剪承载力两部分组成，即按如下验算：

式中：为混凝土的抗剪承载力；

为玻璃纤维筋的抗剪承载力；

为由预加力所提高的构件受剪承载力，一般在无预加力的情况下不考虑此项；

斜截面混凝土受剪承载力系数，对于一般受弯构件取0.7；对集中荷载作用下（包括作用有多种荷载，其中集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况）的独立梁，取为，为计算截面的剪跨比，可取为，当小于1.5时，取1.5，当大于3时取3，a取集中荷载作用点至支座截面或节点边缘的距离；

为受剪玻璃纤维筋的箍筋面积；

为玻璃纤维筋的抗剪强度；

为沿构件长度方向的箍筋间距；

为抗剪截面对应的有效高度。

3、GFRP筋在支护桩中的应用分析

3.1GFRP筋与支护桩冠梁的连接

为了保证支护桩与冠梁的可靠连接，支护桩应嵌入混凝土冠梁不小于50mm，且支护桩主筋在冠梁内的锚固长度应符合设计要求（参考《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011）。因此，在混凝土浇筑过程采用超灌的方式，以保证支护桩桩顶设计标高以下部分桩身混凝土强度满足要求。

超灌的混凝土属于松散的混凝土浮浆，在绑扎冠梁钢筋时，须先进行清除，方可绑扎钢筋。GFRP筋属于脆性材料，抗剪力能力很低，较易被破坏，若GFRP筋直接锚固到冠梁里，那么，在浮浆清除过程，便把GFRP筋破坏，无法使支护桩和冠梁紧密连接。因此，在GFRP筋笼顶部绑扎钢筋，即每根GFRP筋绑扎一根相同直径的HRB400级钢筋，钢筋顶端按照设计要求的标高设置。

3.2GFRP筋自身的搭接与连接

因GFRP筋无法采用焊接连接，GFRP筋纵向主筋与桩顶位置的HRB400加强筋之间的连接及GFRP筋自身的连接，须采用细扎丝绑扎，而且由于GFRP筋笼较长，GFRP筋纵向主筋上下段的连接还须采取钢卡扣件连接，方可避免GFRP筋笼产生过大变形。为了保证纵向主筋连接的稳定性与可靠性，每个接头须采用扎丝可靠连接。

3.3GFRP筋笼的制作

GFRP筋与混凝土的粘结强度相比于钢筋与混凝土的粘结强度较低，约为钢筋与混凝土粘结强度的65~87%。GFRP筋的种类、表面处理方法、直径、肋高度、肋宽和肋间距度等因素对粘结强度都有显著的影响。因此，为了保证GFRP筋与混凝土之间的握裹力，不可采用表面光滑的GFRP筋。GFRP筋表面须缠绕成型并喷砂，以保证与混凝土的有效粘结，同时为了不降低GFRP筋的有效面积，缠绕深度不小于1.0mm。使用的GFRP筋表面不得有结疤、裂纹或纤维出露，GFRP筋中纤维含量须控制在65~70%，且保证GFRP筋为无碱玻璃纤维粗纱，玻璃纤维中的树脂为环氧树脂，GFRP钢筋的锚固长度需经设计计算而定。

GFRP筋笼与成型同普通钢筋笼一样，均需在加工棚内或者底模上完成，其绑扎也在胎模具上进行，，但如果钢筋笼过长且整个配筋笼全部采用GFRP筋，则配筋笼极易产生变形，稳定性较差，因此应进行现场试验，必要时可将GFRP钢筋笼分成两部分制作或者采用GFRP筋与钢筋混搭配筋。即先采用3~5根钢筋按照钢筋笼的制作工艺制成骨架，使整个配筋笼稳定性极大地提高，变形减小，然后进行GFRP筋的绑扎。

GFRP筋主要由多股玻璃纤维胶合而成，常见纤维丝外露，因此，在搬运、堆放过程中操作人员须戴手套。GFRP筋的切割可利用细齿锯或者金刚石锯片，但切割时应佩戴口罩。

由于GFRP筋弹性模量和延性较低，且抗剪性能较差，GFRP筋笼起吊过程中最大的风险是部分GFRP筋发生受力不均匀而折断。在起吊过程中若发生折断现象，立即采取多余的GFRP筋根据折断长度进行搭接加固，然后方可进行下道施工工序。钢筋笼下沉过程中应注意避免碰撞以防GFRP筋发生折断。

3.4浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮问题

因GFRP筋笼自身重量轻，在混凝土灌注过程，操作不当会产生GFRP筋笼上浮。混凝土灌注过程中导管应始终埋在混凝土中2.0~4.0m，严禁将导管提出混凝土面。必要时应采取笼底挂重物等其它措施，避免GFRP筋笼上浮。

3.5GFRP筋与支护桩质量保证措施

钻孔灌注桩中的主筋采用GFRP筋时，宜采用整根筋材。GFRP筋箍筋和加强筋应按照设计的规格、形状、尺寸在工厂加工定制成形，在接头处开口，并留足设计的搭接长度。为了保证GFRP筋的混凝土保护层，采用C30圆形砂浆垫块定位，在加劲箍四周±20cm位置每隔2米设置1组，每组4个。针对钻孔灌注桩易出现的其它质量问题，应从测量放线与桩位测设、护筒埋设及钻机定位、泥浆护壁钻进成孔、清孔等方面参照钢筋混凝土灌注桩的做法进行控制。

4、结论

使用性能优良的GFRP筋来部分代替钢筋或预应力钢筋用在混凝土结构中，通过已有的工程应用实例可知其主要优点如下：

（1）GFRP玻璃纤维筋可通过与钢筋相结合，提高GFRP筋在钻孔灌注支护桩中应用的可操作性，但结合的同时应较普通的钢筋适当增加搭接长度，使GFRP筋笼的加工与制作、起吊与下放以及成桩质量得到较好地保证。

（2）通过工程实例现场监测数据反馈，整个基坑工程的进展是安全的，证明GFRP筋替代钢筋用于基坑围护灌注桩是可行的，针对存在的问题所做的相应技术措施发挥了较好的作用。

（3）玻璃纤维筋的混凝凝土结构发生破坏时为脆性破坏，因而在设计玻璃纤维筋混凝土结构时应将其设计为超筋破坏。

（4）目前其应用于基坑工程支护桩中可实现节能环保、降低造价的目的，此外将玻璃纤维筋应用于盾构井掘进区间方向围护桩上更有利于盾构掘进安全。

参考文献：

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[2]卢致强，刘建伟，徐晓鹏.玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用[J].成都，四川建筑科学研究，2010.05.047.173~175页

[3]赵升峰，黄广龙，章新.玻璃纤维（GFRP）筋替代钢筋在基坑支护桩中的应用[J].安徽建筑大学学报，2016，24（4）：55-59