玻璃纤维（GFRP）筋在深基坑支护中的应用与计算

1、玻璃纤维（GFRP）筋在深基坑支护中的应用与计算88铁道勘察2012年第1期文章编号:16727479(2012)01008804玻璃纤维(GFRP)筋在深基坑支护中的应用与计算朱兆斌(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江杭州310007)ApplicationandCalculationofGlassFiber-ReinforcedPolymerforDeepFoundationRetainingZhuZhaobin摘要介绍杭州站新增高架候车室工程局部深基坑支护采用玻璃纤维(GFRP)筋替换钢筋的工程实践.经计算,GFRP筋的正截面偏心受压承载力,斜截面受剪承载力均满足使用要求.此外,还介绍了G

2、FRP筋的构造要求,施工要点等.关键词玻璃纤维筋深基坑支护计算中图分类号:U455.4文献标识码:B1概述为了配合杭州东站扩建工程,需在杭州站新增高架候车室.新建的高架候车室占地面积为3528m,总建筑面积为5077m,地面以上层数为2层,局部3层,建筑高度20.7m.高架候车室下既有的旅客地道需接长,新增站台处增设出人口.高架候车室为避让既有旅客地道,需降低桩基承台高度,因此形成约5.0510.08m深基坑2工程地质杭州站位于杭州市上城区,地形平坦,区域内为站场线路.本次工程设计高架候车室位于杭州站内,东侧近贴沙河,自然地面高程一般为6.57.5m.本工程场地所属区域的抗震设防烈度为6度,设

3、计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组.场地地基土类型为中软场地土,建筑场地为类.综合判定该场地为抗震有利地段.本工程地貌类型表层主要为人类活动形成的人工填土,其下为钱塘江河漫滩相沉积的粉性土层;中部为海陆相交互沉积的黏性土层;下伏基岩有灰岩,泥质粉收稿日期:20111115作者简介:朱兆斌(1977一),男,1999年毕业于兰州铁道学院桥梁工程专业,高级工程师.砂岩及石英砂岩.根据区域资料及本次勘察,本场地上部地下水为孔隙潜水,水位埋藏较浅,距地表为0.483.00m,相当于黄海高程的5.127.13m之间,该层潜水主要受大气降水和河流补给影响,地下水位随季节有所变化,变化幅度

4、约在12m之间.场地附近无污染源存在.根据原地质资料,水质简分析试验结果显示,水化学类型为CLHcO一Na,K,ca型,pH值分别为7.28和8.17.按岩土工程勘察规范(GB5O0212001)有关指标规定,分析判定:本场地地下水(土)对混凝土结构无腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性.3原基坑支护方案本基坑的开挖最大深度为10.08m(黄海高程为一1.90m),基坑的西侧外边缘紧靠既有四号站台.新增高架候车室13,14轴基础的承台西侧外边缘距离既有铁路8道中心线仅为50em,与既有高架候车室l3,14轴基础的承台东侧外边缘的距离仅为131cm(如图1所示).原设计基坑支护结构采用西100

5、0钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩长20m,采用密排布置,桩身外侧设置,/,60cm高压旋喷桩止水帷幕,搭接长度不小于15cm,坑内设置一道钢筋混凝土内支撑.玻璃纤维(GFRP)筋在深基坑支护中的应用与计算:朱兆斌89改建l3道中心线:.图1基坑平面示意本基坑支护结构嵌人坑底以下部分与在建的地铁1号线秋涛路一城站区间左右线共四处相交(图1中的,即为影响地铁盾构施工的支护桩).其中,在里程KIO+848附近,地铁隧道左线中心高程为-9.662m,右线中心高程一9.718m;在里程K10+819.5附近,地铁隧道左线中心高程一10.391m,右线左线中心高程一10.431m.为确保地铁盾构机顺利穿越既有杭

6、州站,需将原基坑支护方案进行优化调整.根据现场实际的施工条件,经多方案比选,最后采用基坑影响地铁部分的支护桩钢筋采用玻璃纤维(GFRP)筋替换的优化方案.4基坑支护优化方案4.1玻璃纤维(GFRP)筋简介玻璃纤维(GFRP)筋(GlassFiberReinforcePolymerBars)是一种以合成树脂为黏结剂,合成纤维为主要增强材料制成的复合材料.GFRP筋的特点是抗拉强度大0rb>500MPa,可与20MnSi螺纹钢锚杆抗拉强度相媲美;阻燃,抗静电,易切割而不会产生火花,可用机械直接切割;耐腐蚀性强,可抵抗氯离子和低pH值溶液的侵蚀,在淋水,酸性较大的工况下使用不锈蚀;不导

7、电,不导热,耐冲击性能好;热应力下尺寸稳定,热膨胀系数(1×10/C)与钢材相比更接近水泥;杆体轻,是同样长度传统钢筋重量的25%,运输方便,大大减轻了工人的劳动强度;可以根据客户的需要生产一定的弯勾形式,便于结构配筋使用.GFRP筋应用于连续墙,支护桩配筋,尤其在盾构机进出口洞方面,国际国内已有多个成功案例.诸如:1998年泰国曼谷快运署地下通道工程(MRTA);2000年新加坡捷运东北线(地铁)工程;2002年荷兰阿姆斯特地铁工程;2004年澳大利亚佩思市地铁工程;2004年武汉过江隧道工程;2006年成都地铁1号线工程等.4.2GFRP筋的设计与计算根据FRWS软件计算的原支护

8、桩结果,检算铁道勘察2012年第1期GFRP筋范围内桩身强度(如图2所示).水平位移/mm02468l04812l62O24弯矩/(kN?In)范围:范围:范围:(0.18.5)mm(-434.9-712.9)kN.nl(-214.5280.2)kN'ITI图2强度检算本支护桩采用C20混凝土,直径1000mm的钻孔灌注桩,由图2,GFRP筋范围内桩的最大弯矩为434.9kN?ITI,最大剪力为214.5kN,截面轴力300kN.(1)正截面偏心受压承载力计算轴向力:300kN,弯矩M=450kN?in;截面直径d=1000mm;混凝土强度为C20,fc=9.55N/mm;GFRP抗拉

9、强度设计值=350N/ram;GFRP弹性模量E=60000N/mm;相对界限受压区高度b=0.289;混凝土保护层厚度C=50mm;全部纵筋最小配筋率Pi=0.60%.附加偏心距e=max20,h/30=max20,33=33mm轴向压力对截面重心的偏心距e=M/N=450000000/300000:1500mm初始偏心距ei-(3.+e=1500+33=1533mm偏心距增大系数71:1=0.5×fc×A/N=0.5×9.55×785398/300000=12.51>1.0.取=1.02=1.150.01×L./h=1.150

10、.01×13500/1000=1.02>1.0.取:=1.0=1+(L./h)×1×(2/(1400×ei/h.):1+(13500/1000)×1×1/(1400×1533/937.5=1.08全部纵向钢筋的截面面积A由下列公式求得N×l×fc×A×1一sin(2×'11"19/)/(2×'/1"IX)+(Ot)fy×A(1)N×叼×ei2a1××A×r&

11、#215;sin(1)/3,rr+fr×A×r.×sin(1T)+sin("II'IX)/2,rr(2)将公式(2)中的代人公式(1)解方程得:=0.258t=1.252×OL=1.52×0.258=0.733;A=N×1××A×(1一sin2"mx/2-rroL)/(一)组代人已知数值A=2688mm,min=4712mm,取A=4712mm.16根直径25的GFRP筋满足要求.(2)斜截面受剪承载力计算混凝土强度C20,=1.10N/mm,纵筋的混凝土保护层厚度C=50mm

12、;0.7××A=0.7×1.10×500×500×耵=605kN>V=214.5kN因此,配置构造箍筋便可以满足要求(如图3所示).加强筋GFRPb18150II断面图3钻孔桩钢筋布置(单位:mm)综上所述,采用C20混凝土替换C30混凝土,部分桩身主筋用GFRP筋代替钢筋,强度仍满足要求.4.3GFRP筋的构造要求受力GFRP筋与钢筋,GFRP筋与GFRP筋之间的连接应采用钢制u形卡连接.根据深圳,广州地区的使用经验,筋材之间的搭接每端采用两个钢制U形卡;其余部位的GFRP筋与钢筋,GFRP筋与GFRP筋之间的连接可以

13、采用铁丝绑丝或者尼龙绳进行绑扎,搭接长度采用40d.钢筋笼内加强箍筋采用4,25,间距2m布置.4.4GFRP筋的吊装玻璃纤维筋的弹性模量仅为钢筋弹性模量的玻璃纤维(GFRP)筋在深基坑支护中的应用与计算:朱兆斌9121%左右,筋笼制成后刚度较普通钢筋笼会有较大的差异,如果不在筋笼制作过程中采用一些增强筋笼刚度的措施,会造成筋笼吊装过程中变形过大,存在一定的安全隐患.因此,GFRP筋笼制作过程中应注意采取增加GFRP筋笼刚度的措施,如GFRP筋笼两侧采用工字钢包边,筋笼内部采用一些玻璃纤维筋桁架或后期可以去除的钢筋桁架等,以防止在吊装以及运输过程中出现较大的变形.另外,玻璃纤维筋属于"

14、;脆性材料",而且具有正交各向异性的特点,剪切强度不如钢筋.因此,要求起吊点必须放置在钢筋上.5结束语目前,杭州站新增高架候车室已投入使用.本基坑的局部支护桩钢筋采用GFRP筋替换后,在开挖施工过程中既有杭州站的四号站台正常使用,说明支护桩的结构设计是安全可靠的.参考文献1JGJ12099建筑基坑支护技术规程S2DB33/T1008-2000建筑基坑工程技术规程s3朱继红.GFRP筋在地下连续墙的应用J.土木基础,2007(3)4袁国青.GFRP筋增强混凝土梁受力性能分析J.玻璃钢/复合材料,2001(5)5周长东,黄承逵.FRP复合材料在国外土木工程中的应用J.建筑技术,2002(

15、2)(上接第71页)(2)安全风险:方案一高于方案二.挂篮吊装,移动均存较大风险,且风险时段长.(3)建设投资:方案一大于方案二.(4)质量控制:方案一难于方案二.方案一采用现浇连续梁,方案二采用厂制简支梁,工艺控制,变形控制差别较大.(5)施工工期:方案一长于方案二.施工图设计采用了方案二.5看守道口防护方案的研究宁芜铁路芜湖东站既有场设有站内平交道口,因重要设施的特殊要求,此道口必须保留.既有平交道口要留作乙专用线走行线使用,改移的正线及牵出线需另设道口,两者相距52m,道口的防护方案有两种选择.5.1方案(1)方案一:正线与专用线道口合并防护(如图9所示).图9道口方案一(2)方案二:正

16、线与专用线道口分设防护(如图l0所示).5.2方案比较(1)道路通行特点:汽车通行流量非常大,日通行超过8000辆,且有市内公共汽车通行.(2)铁路通行特点:正线运量大,年运量超过1亿图10道口方案二t?km/km;运行密度高,日通行量达130多列;列车问隔时间短,少则6min.专用线运量非常小,平均每月取送作业不足4次.(3)方案比较:正线与专用线相距52in,距离较大,合并防护需提前关闭栏门,开放栏门汽车通过道口的时间也较长,道路通行能力影响很大,一旦汽车发生故障,疏导比较困难.分设防护则能有效提高道路通行能力,但在专用线有取送车作业时,则需要由调车人员或加派人员关闭专用线道口栏门.经多方共同研究,确定采用了方案二.6结束语铁路既有线站场改造工程涉及标准确定,设备选型,产权划分