玻璃纖維筋在盾構端頭圍護樁中的設計與應用

侯志友

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司城交院，北京 100055)

?

玻璃纖維筋在盾構端頭圍護樁中的設計與應用

侯志友

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司城交院，北京 100055)

【摘要】地鐵端頭盾構井施工過程中，為避免端頭鋼筋混凝土圍護樁的人工鑿除，圍護樁采用玻璃纖維筋樁替換普通鋼筋混凝土樁。文章結合工程實例，通過計算分析，為達到工程安全經濟，對玻璃纖維筋樁從玻璃纖維筋設計強度、抗彎、抗剪及與普通鋼筋的錨固長度四個方面進行計算，證明玻璃纖維筋樁運用于工程能達到安全、適用、經濟。

【關鍵詞】圍護樁；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展迅速，據相關資料統計顯示，截止到2014年末，全國城市軌道交通交付運營超過3 100km，預計2020年，將有7 000km投入運營，覆蓋大部分主要城市。由于地鐵造價昂貴，為此在設計中就應該進行精細化、專業化設計，將新材料新技術應用到地鐵中。為消除在車站盾構井端頭鋼筋混凝土圍護樁對盾構機進出洞造成不利影響，采用玻璃纖維筋混凝土代替鋼筋混凝土不僅造價低、節約成本，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路站沿規劃張新路跨路口設置。該車站為地下二層雙柱三跨島式站臺車站，站臺寬度12m。車站標準段凈寬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，盾構井端頭開挖深度約22m，采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁圍護。為改變傳統的盾構進出洞端頭地層加固方法，便于盾構施工，提高盾構進出洞施工的經濟性和安全性，此處盾構工作井端頭圍護樁在盾構施工影響范圍內的鋼筋改用玻璃纖維筋。

2地質參數

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

2.1設計參數

本車站基坑工程標準段采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁+內支撐體系圍護結構。

2.2結構材料

鉆孔灌注樁混凝土等級：C30

冠梁、擋墻混凝土等級：C30

鋼筋：HPB300和HRB400級鋼筋

玻璃纖維筋：D32

2.3基坑支護相關參數

基坑支護相關參數見表1。

盾構機進出洞洞口上下各1.5m范圍內的圍護樁采用玻璃纖維筋進行替代鋼筋，線路中心左右3.5m內采用玻璃纖維筋圍護樁，盾構井布置見圖1。

3盾構端頭圍護樁計算

采用理正深基坑7.0PB1軟件進行內力變形及穩定計算，即采用彈性支點桿系有限元法計算。

基坑開挖深度為22.00m，采用φ1 000@1 600鉆孔灌注樁圍護結構。地面標高45.18m，樁頂標高為42.68m。計算時考慮地面超載20kPa。土層參數選用勘察報告中的指標。

支護方案采用排樁支護，計算簡圖見圖2。圍護樁抗彎及抗剪包絡圖見圖3。

4圍護樁配筋計算分析

4.1玻璃纖維抗拉強度設計取值

(1)玻璃纖維筋力學性能指標見表2。

(2)抗拉強度設計取值。玻璃纖維筋抗拉強度設計值應按式(1)計算：

(1)

式中：ffu為玻璃纖維筋的抗拉強度設計值(MPa)；

fk為玻璃纖維筋的抗拉強度標準值(MPa);

CE為工作環境影響系數，工作環境在室內取值0 .8，工作環境在室外取值0.7。

玻璃纖維筋抗拉強度設計值：

ffu=CEfk=0.7×500=350MPa

4.2正截面抗彎設計

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件(圖4)正截面承載力計算表達式為：

表1　支護參數

圖1　盾構井布置

圖2　基坑計算簡圖

圖3　圍護樁抗彎及抗剪包絡圖

公稱直徑d/mm抗拉強度標準值fk/MPa剪切強度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的應變狀態

式中：M為彎矩設計值，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為對應于受壓區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α>0.625時，取αt=0；

K為設計彎矩調整系數，取1.4；

ffu為纖維筋的抗拉強度設計值，根據規范取值500×0.7=350MPa；

fc為混凝土強度設計值，按現行《混凝土結構設計規范》(GB50010)取用，C30取值14.3N/mm2；

α1、β1為系數，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，滿足設計要求。

4.3斜截面抗剪設計

斜截面受剪承載力計算表達式為：V≤Vfc+VfV

當構件為圓形截面時：

Vfc=1.98αcftr2

V為玻璃纖維筋混凝土構件斜截面最大剪力設計值，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；

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

剪跨比≤0.5時，且受剪截面滿足Vfc≤0.25fcbh0，αc=1.0；

剪跨比為中間值時采用內插值；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，當h0<800mm時，取h0=800mm；

當h0>2 000mm時，取h0=2 000mm；根據混凝土規范h0=1.6r=800mm；故取h0=800mm；

ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，C30取值1. 43N/mm2；

Vfc為玻璃纖維筋混凝土構件中混凝土的受剪承載力設計值；

Vfv為玻璃纖維筋混凝土構件中玻璃纖維筋的受剪承載力設計值；

Afv為配置在同一截面內玻璃纖維箍筋各肢的全部截面面積，226mm2;

s為沿構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度設計值,按平直段的0.7倍折減，取值294MPa；

ffu為玻璃纖維筋抗拉強度設計值，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)，驗算箍筋抗剪受力滿足要求。

4.4錨固長度設計

(1)基本錨固長度按照式(1)計算

(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度設計值；

ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；

d為錨固鋼筋的直徑。

(2)受拉筋的錨固長度計算。

(2)

式中：la為受拉鋼筋的錨固長度；

ζa為錨固長度修正系數；

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。

根據位于同一連接區段內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取值為1.4，即：

ll=ζlla=1.4×1 241=1 738mm

根據規范規定，玻璃纖維筋搭接長度不應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。

圍護樁配筋( 玻璃纖維筋) 如圖5所示。

圖5　盾構段圍護樁配筋圖

5結論

(1)通過工程實例，玻璃纖維筋在地鐵圍護樁中的應用不但安全、經濟，且提高工程效率，避免鑿除圍護樁。

(2)通過計算及結合工程實例，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型號。

參考文獻

[1]玻璃纖維筋(GFRP筋)在盾構端頭井圍護樁中的應用研究用戶報告[R].

[2]蘇明，張宏斌． 玻璃纖維筋在連續墻中的應用[J]．隧道建設，2013,31(S2) : 73 -76.

[3]于學義．玻璃纖維筋在城市地鐵圍護結構施工中的應用[J]．施工技術，2011(S1) : 218 -220.

[4]盧致強，劉建偉，徐曉鵬，等． 玻璃纖維筋混凝土在地鐵工程中的設計與應用[J]． 四川建筑科學研究，2010，36( 5) : 173-175，182.

[5]ACI400Committee．GuideforthedesignandconstructionofconcretereinforcedwithFRPbars[S]．AmericanConcreteInstitute，Detroit，Michigan，2006.

[6]朱繼紅．GFRP筋在地下連續墻的應用[J]． 土工基礎， 2007，21( 3) : 10-12.

[7]CJJ192-2012 盾構可切削混凝土配筋技術規程[S].

[8]GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[9]JGJ120-2012 建筑基坑支護技術規程[S].

[10]羅毅，鄭樂怡，李吉濤． 玻璃纖維筋混凝土構件的設計原理[J]．華南理工大學學報: 自然科學版，2004(10) : 73-77.

[11]劉建航.基坑工程手冊[M] .北京:中國建筑工業出版社, 1997.

[12]蔣小銳.玻璃纖維筋在地下連續墻中的應用[J] .鐵道標準設計,2009(10):48-50.

[13]楊紅軍.玻璃纖維筋在盾構井圍護結構中的應用[J] .隧道建設,2008, 28(6):711-715.

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

【中圖分類號】U455.43

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-03-23