玻璃纖維筋在盾構(gòu)端頭圍護(hù)樁中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯志友

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城交院，北京 100055)

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玻璃纖維筋在盾構(gòu)端頭圍護(hù)樁中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯志友

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城交院，北京 100055)

【摘要】地鐵端頭盾構(gòu)井施工過程中，為避免端頭鋼筋混凝土圍護(hù)樁的人工鑿除，圍護(hù)樁采用玻璃纖維筋樁替換普通鋼筋混凝土樁。文章結(jié)合工程實(shí)例，通過計(jì)算分析，為達(dá)到工程安全經(jīng)濟(jì)，對玻璃纖維筋樁從玻璃纖維筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度、抗彎、抗剪及與普通鋼筋的錨固長度四個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算，證明玻璃纖維筋樁運(yùn)用于工程能達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)。

【關(guān)鍵詞】圍護(hù)樁；玻璃纖維筋；抗彎；抗剪；錨固長度

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，截止到2014年末，全國城市軌道交通交付運(yùn)營超過3 100km，預(yù)計(jì)2020年，將有7 000km投入運(yùn)營，覆蓋大部分主要城市。由于地鐵造價(jià)昂貴，為此在設(shè)計(jì)中就應(yīng)該進(jìn)行精細(xì)化、專業(yè)化設(shè)計(jì)，將新材料新技術(shù)應(yīng)用到地鐵中。為消除在車站盾構(gòu)井端頭鋼筋混凝土圍護(hù)樁對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞造成不利影響，采用玻璃纖維筋混凝土代替鋼筋混凝土不僅造價(jià)低、節(jié)約成本，而且施工簡單方便、提高施工效率。

1工程概況

房山線北延工程四環(huán)路站沿規(guī)劃張新路跨路口設(shè)置。該車站為地下二層雙柱三跨島式站臺(tái)車站，站臺(tái)寬度12m。車站標(biāo)準(zhǔn)段凈寬20.9m，車站總長222m，平均覆土約為4.4m。車站主體采用明挖法施工，基坑開挖深度約20.7m，盾構(gòu)井端頭開挖深度約22m，采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁圍護(hù)。為改變傳統(tǒng)的盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭地層加固方法，便于盾構(gòu)施工，提高盾構(gòu)進(jìn)出洞施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性，此處盾構(gòu)工作井端頭圍護(hù)樁在盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的鋼筋改用玻璃纖維筋。

2地質(zhì)參數(shù)

地質(zhì)有人工堆積層、一般第四紀(jì)新近沉積層、一般第四紀(jì)沖洪積層及古近紀(jì)巖層四大類。各土層自上而下分別為：素填土、雜填土、黏質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土、中砂、圓礫、卵石。

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

本車站基坑工程標(biāo)準(zhǔn)段采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2結(jié)構(gòu)材料

鉆孔灌注樁混凝土等級(jí)：C30

冠梁、擋墻混凝土等級(jí)：C30

鋼筋：HPB300和HRB400級(jí)鋼筋

玻璃纖維筋：D32

2.3基坑支護(hù)相關(guān)參數(shù)

基坑支護(hù)相關(guān)參數(shù)見表1。

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞洞口上下各1.5m范圍內(nèi)的圍護(hù)樁采用玻璃纖維筋進(jìn)行替代鋼筋，線路中心左右3.5m內(nèi)采用玻璃纖維筋圍護(hù)樁，盾構(gòu)井布置見圖1。

3盾構(gòu)端頭圍護(hù)樁計(jì)算

采用理正深基坑7.0PB1軟件進(jìn)行內(nèi)力變形及穩(wěn)定計(jì)算，即采用彈性支點(diǎn)桿系有限元法計(jì)算。

基坑開挖深度為22.00m，采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地面標(biāo)高45.18m，樁頂標(biāo)高為42.68m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa。土層參數(shù)選用勘察報(bào)告中的指標(biāo)。

支護(hù)方案采用排樁支護(hù)，計(jì)算簡圖見圖2。圍護(hù)樁抗彎及抗剪包絡(luò)圖見圖3。

4圍護(hù)樁配筋計(jì)算分析

4.1玻璃纖維抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)取值

(1)玻璃纖維筋力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

(2)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)取值。玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ffu為玻璃纖維筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)；

fk為玻璃纖維筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);

CE為工作環(huán)境影響系數(shù)，工作環(huán)境在室內(nèi)取值0 .8，工作環(huán)境在室外取值0.7。

玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

ffu=CEfk=0.7×500=350MPa

4.2正截面抗彎設(shè)計(jì)

沿周邊均勻配置縱向玻璃纖維筋的圓形截面玻璃纖維筋混凝土受彎構(gòu)件(圖4)正截面承載力計(jì)算表達(dá)式為：

表1　支護(hù)參數(shù)

圖1　盾構(gòu)井布置

圖2　基坑計(jì)算簡圖

圖3　圍護(hù)樁抗彎及抗剪包絡(luò)圖

公稱直徑d/mm抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk/MPa剪切強(qiáng)度fv/MPad<1616≤d<2525≤d<34d≥34≥600≥550≥500≥450≥110

圖4　沿圓周均勻配置的圓形截面界限破壞時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)

式中：M為彎矩設(shè)計(jì)值，1103×1.25×1.1=1 517kN·m；

A為圓形截面面積；785 000mm2；

Af為全部縱向纖維筋的截面面積；

Es為玻璃纖維筋的彈性模量，4 000MPa；

r為圓形截面的半徑，500mm；

rs為縱向玻璃纖維筋重心所在圓周的半徑，402mm；

α為對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角(rad)與2π的比值,%；

αt為縱向受拉玻璃纖維筋與全部縱向玻璃纖維筋截面面積的比值，當(dāng)α>0.625時(shí)，取αt=0；

K為設(shè)計(jì)彎矩調(diào)整系數(shù)，取1.4；

ffu為纖維筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)規(guī)范取值500×0.7=350MPa；

fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010)取用，C30取值14.3N/mm2；

α1、β1為系數(shù)，分別取0.92和0.85；

求解方程組可求出Af=17 241mm2，本文中玻璃纖維筋采用22D32玻璃纖維筋，面積為176 924mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3斜截面抗剪設(shè)計(jì)

斜截面受剪承載力計(jì)算表達(dá)式為：V≤Vfc+VfV

當(dāng)構(gòu)件為圓形截面時(shí)：

Vfc=1.98αcftr2

V為玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件斜截面最大剪力設(shè)計(jì)值，1.25×1.1×663=912kN；

αc為玻璃纖維筋對混凝土抗剪能力的影響系數(shù)；

剪跨比≥0.7時(shí)，且受剪截面滿足Vfc≤0.169fcbh0時(shí)，αc=0.67；

剪跨比≤0.5時(shí)，且受剪截面滿足Vfc≤0.25fcbh0，αc=1.0；

剪跨比為中間值時(shí)采用內(nèi)插值；取值αc=0.67，

剪跨比=M/Vh0=1517×1.4/(912×0.80)=2.91≥0.7，則αc=0.67，

βh為截面高度影響系數(shù)，當(dāng)h0<800mm時(shí)，取h0=800mm；

當(dāng)h0>2 000mm時(shí)，取h0=2 000mm；根據(jù)混凝土規(guī)范h0=1.6r=800mm；故取h0=800mm；

ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C30取值1. 43N/mm2；

Vfc為玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件中混凝土的受剪承載力設(shè)計(jì)值；

Vfv為玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件中玻璃纖維筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值；

Afv為配置在同一截面內(nèi)玻璃纖維箍筋各肢的全部截面面積，226mm2;

s為沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距，100mm；

ffb為玻璃纖維箍筋彎曲段抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,按平直段的0.7倍折減，取值294MPa；

ffu為玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，600×0.7=420MPa；

rb為玻璃纖維箍筋的彎曲半徑，424mm；

d為玻璃纖維筋的名義直徑，14mm；

本文中箍筋采用D14@100玻璃纖維筋，將各系數(shù)代入公式，可求得：

Vfc=1.98αcftr2=1.98×0.67×1.43×500×500=474 kN，

912<474+664=1138(V≤Vfc+VfV)，驗(yàn)算箍筋抗剪受力滿足要求。

4.4錨固長度設(shè)計(jì)

(1)基本錨固長度按照式(1)計(jì)算

(1)

式中：lab為受拉鋼筋的基本錨固長度；

fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

d為錨固鋼筋的直徑。

(2)受拉筋的錨固長度計(jì)算。

(2)

式中：la為受拉鋼筋的錨固長度；

ζa為錨固長度修正系數(shù)；

la=ζalab=1.1×1128=1 241mm。

(3)鋼筋綁扎搭接接頭長度。

(3)

式中：ll為縱向受拉筋搭接長度；

ζl為縱向受拉筋搭接長度修正系數(shù)。

根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面積百分率按照50%考慮，縱向受拉筋搭接長度修正系數(shù)取值為1.4，即：

ll=ζlla=1.4×1 241=1 738mm

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，玻璃纖維筋搭接長度不應(yīng)小于同直徑熱軋帶肋鋼筋搭接長度的1.25倍，即：

1.25×1 738=2 173mm。取整為2 200mm。

圍護(hù)樁配筋( 玻璃纖維筋) 如圖5所示。

圖5　盾構(gòu)段圍護(hù)樁配筋圖

5結(jié)論

(1)通過工程實(shí)例，玻璃纖維筋在地鐵圍護(hù)樁中的應(yīng)用不但安全、經(jīng)濟(jì)，且提高工程效率，避免鑿除圍護(hù)樁。

(2)通過計(jì)算及結(jié)合工程實(shí)例，玻璃纖維筋搭接長度較普通鋼筋搭接長度較長，搭接長度為普通鋼筋的1.25倍。

(3)通過抗剪、抗彎計(jì)算后，玻璃纖維筋配筋量是普通鋼筋的1.6倍，箍筋直徑較普通鋼筋提高一個(gè)型號(hào)。

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[作者簡介]侯志友(1984～)，男，碩士研究生，工程師，從事地下結(jié)構(gòu)工程研究。

【中圖分類號(hào)】U455.43

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-03-23