玻璃纖維筋在基坑支護設計中的應用

計建華 ，董勁松 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

1 引言

玻璃纖維筋抗拉強度高,優于普通鋼材,根據直徑的不同，約高于同規格鋼筋的60%，質量非常輕，約為同體積鋼筋的 25%；密度在 1.5～1.9（g/cm3）之間，另外玻璃纖維筋具有良好的抗疲勞性能。

普通鋼筋耐腐蝕性差，而玻璃纖維筋可耐酸堿等化學物的腐蝕，還可抵抗氯離子和低PH值溶液的侵蝕，尤其是抵抗碳化合物和氯化合物的腐蝕。普通鋼筋與混凝土的粘結性能是鋼筋混凝土工作的前提,玻璃纖維筋混凝土由于其熱膨脹系數接近水泥，因此GFRP筋與混凝土粘結握裹力更強。

玻璃纖維筋可按設計施工的要求生產各種不同截面和長度的標準及非標準件，現場綁扎可用非金屬拉緊帶，操作簡單。

目前國內外均對GFRP筋混凝土構件做了研究，國外的研究和使用更為深入和廣泛。文獻［1］研究發現GFRP筋應力－應變曲線沒有明顯的屈服階段，在設計中合理地控制GFRP筋的配筋率可充分發揮材料的強度,同時GFRP筋表面噴砂可有效地提高GFRP筋與混凝土的粘結力，有助于應力的傳遞和重分布。文獻[2]試驗發現受彎試驗結果表明，GFRP筋的配置較大幅度改善了預應力混凝土管樁的受彎性能，同時受剪試驗結果顯示，GFRP筋的配置提高了預應力混凝土管樁的受剪性能。

2 設計理論及構造

2.1 材料性能

GFRP筋的纖維含量（重量比）應為70%～80%，密度應為1800kg/m3～2100kg/m3,GFRP筋的力學性能應符合下表。

公稱直徑 抗拉強度標準值fk(MPa)彈性模量Ef(GPa)d＜10 ≥700剪切強度fv(MPa)極限拉應變(%)10≤d＜16 ≥650 16≤d＜25 ≥600 25≤d＜34 ≥550 34≤d ≥500≥110 ≥1.2 ≥40

2.2 設計計算

GFRP筋的抗拉強度設計值應按下式確定：

式中：fd-GFRP筋的抗拉強度設計值；

fk-GFRP筋的抗拉強度標準值；

γf-GFRP筋材料的分項系數，取1.4；

γe-GFRP筋材料的環境影響系數，對臨時性混凝土支護結構，可取1.0；對主體結構基礎的抗浮錨桿，可取1.6（強堿環境中取2.0）。

GFRP筋混凝土支護結構的正截面受彎承載力，應按下列基本假定進行計算：

①截面應變保持平面；

②不計入混凝土的抗拉強度；

③混凝土的受壓應力應變曲線應按現行國家標準《混凝土構設計規范》（GB50010）的有關規定執行；

④受拉GFRP筋的應力應取GFRP筋應變與其彈性摸量的乘積，但其絕對值不應大于其抗拉強度設計值；

⑤不計入受壓區GFRP筋的影響。

沿周邊均勻布置縱向GFRP筋的圓形截面GFRP筋混凝土受彎構件正截面承載力（見下圖）應按下式計算。

上圖為沿周邊均勻布置縱向GFRP筋圓形截面受彎構件正截面承載力計算圖示。

式中：A-圓形截面面積(mm2)；

AF-縱向受拉GFRP筋的截面面積(mm2)；

Ef-GFRP筋的彈性模量(MPa)；

r-圓形截面半徑（mm）；

rs-縱向GFRP筋重心所在圓周的半徑（mm）；

α-對于受壓區混凝土截面面積的圓心角（rad）與2π的比值（%）；

αt-縱向受拉GFRP筋與全部縱向GFRP筋截面面積的比值，當 α＞0.625時，取αt=0；

k-設計彎矩調整系數，取1.4；

αb-界限受壓圓心角。

2.3 構造要求

GFRP筋混凝土保護層厚度同普通鋼筋,GFRP筋的錨固長度應通過試驗確定,無試驗數據時，錨固長度可按文獻[3]公式(4.8.2)計算，且GFRP筋的最小錨固長度不應小于35d，當錨固長度不足時，應采用可靠的機械錨固措施。梁縱向受力的GFRP筋之間的凈間距應符合《混凝土結構設計規范》（GB 50010）的有關規定。GFRP筋筋連接可采用忙扣連接、綁扎搭接或其他可靠連接措施，采用卡口連接時，卡口型號應與筋材直徑相適應，每根筋材連接端的卡口數量應根據力學實驗確定，且不得少于2個。

3 施工措施

3.1 一般要求

施工前應編制施工組織設計，GFRP筋材應綁扎成捆裝卸和運輸。裝卸時應在吊點采取加固措施，防止吊繩因應力過度集中擠斷，壓碎桿體，應避免油污、撞擊，注意桿體不被損傷。吊裝GFRP筋時，應采取措施，避免GFRP筋過度彎曲。

GFRP筋作為灌注樁的主要受力筋時，宜采用整根筋材，錨入冠梁內的GFRP筋應采取有效保護措施，避免樁頭破除過程中受到破壞。當采用對GFRP筋材采取保護措施比較困難或難乏以實施時，可采用“籠中籠”的方式。GFRP筋籠在運輸吊放過程中應采取措施保證其不變形、不扭曲，必要時應加固處理。GFRP筋應進行試吊驗試吊裝的可靠性。混凝土灌注過程中應采取措施防止出現浮籠，以彎距為主要受力的冠梁、腰梁可采用GFRP筋作為縱向鋼筋，冠梁施工前需預先破除支護樁樁頭至設計標高，當GFRP筋材直接錨入冠梁，破除時應采取有效防護措施，避免破壞支護樁GFRP筋，腰梁與支護樁應采取可靠的連接固定方式，施工過程中應避免破壞支護樁GFRP筋，當冠梁、腰梁分段施工時，施工縫宜留在1/3跨度處，留設部位應采取加強措施，鑿除混凝土時不應破壞GFRP筋。

3.2 施工監測

GFRP筋應用應用于地下工程監測項目應滿足現行行業標準《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120）的相關要求；同時，該應對GFRP筋混凝土構件中筋材的應力進行監測，監測內容應包括水平位移、豎向位移，側斜、土壓力，空隙水壓力、桿體內力監測等。

圖1

配置GFRP筋基坑支護工程及樁基工程的監測項目應與工設設計、施工方案相匹配應針對監測對象的關鍵部位，應進行重點觀測，監測項目應配套并形成有效的、完整的監測系統。配置GFRP筋的基坑支護工程及樁基工程的監測期應從工程施工前開始，直至地下工程完成為止，對有特殊要求的地下工程周邊環境的監測應根據需要延續至變形趨于穩定后結束。

4 工程實例

項目位于安徽省合肥市蜀山區山湖路西側，基坑周邊有距離很近的高層的多層建筑。基坑支護有效深度為6.15～7.40m，基坑較深，周邊有建筑物、構筑物需要保護，故需進行基坑支護設計。支護設計除保護上述周邊建筑外，同時保證地下室基礎施工安全。地質剖面圖見圖1。

圖2

圖3

本工程支護范圍內巖土層簡單，自上而下依次為：雜填土-黏土-強風化泥質砂巖，影響基坑支護的地下水主要為-雜填土中的上層滯水，土層分布相對穩定，①層雜填土層厚0.50～1.10m，平均0.83m，②層黏土層厚：6.90m～9.10m，層強風化泥質砂巖：最大層厚5.20m。

設計經綜合分析本工程特征，經多方案經濟、技術比較，基坑采用鋼筋混凝土支護樁＋坑內斜撐支護，見圖2、圖3。后經過進一步優化，樁內鋼筋采用玻璃纖維筋替換，最終采用方案見圖4、圖5。

圖4

圖5

本工程基坑周邊設62根樁徑900mm支護樁，樁長10.85m；坑內斜撐樁24根，樁徑900mm，樁長4m。經對比，采用GFRP筋能獲得相同的承載力，同時節省鋼筋量約20t,節省造價約8萬元人民幣。

5 結束語

GFRP筋具有優于普通鋼筋的很多地方，易于運輸儲存等，在同等承載力的情況下，可以獲得較好的經濟效益，目前GFRP筋在地下工程尤其是各種支護工程中發揮了非常好的效益，GFRP筋的應用研究也在不斷的拓展，相信經過工程師的探索，GFRP筋的應用范圍將更為廣泛。