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(yōu)于普通鋼材,根據(jù)直徑的不同，約高于同規(guī)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(shù)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(chǎn)各種不同截面和長度的標準及非標準件，現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(shù)，取1.4；

γe-GFRP筋材料的環(huán)境影響系數(shù)，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(huán)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(xiàn)行國家標準《混凝土構設計規(guī)范》（GB50010）的有關規(guī)定執(zhí)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(qū)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(qū)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(shù)，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(shù)據(jù)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(guī)范》（GB 50010）的有關規(guī)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(shù)量應根據(jù)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?shù)醴胚^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?；炷凉嘧⑦^程中應采取措施防止出現(xiàn)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(jiān)測

GFRP筋應用應用于地下工程監(jiān)測項目應滿足現(xiàn)行行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)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(jiān)測，監(jiān)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(jiān)測等。

圖1

配置GFRP筋基坑支護工程及樁基工程的監(jiān)測項目應與工設設計、施工方案相匹配應針對監(jiān)測對象的關鍵部位，應進行重點觀測，監(jiān)測項目應配套并形成有效的、完整的監(jiān)測系統(tǒng)。配置GFRP筋的基坑支護工程及樁基工程的監(jiān)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(huán)境的監(jiān)測應根據(jù)需要延續(xù)至變形趨于穩(wěn)定后結束。

4 工程實例

項目位于安徽省合肥市蜀山區(qū)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(wěn)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(jīng)綜合分析本工程特征，經(jīng)多方案經(jīng)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(jīng)過進一步優(yōu)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(jīng)對比，采用GFRP筋能獲得相同的承載力，同時節(jié)省鋼筋量約20t,節(jié)省造價約8萬元人民幣。

5 結束語

GFRP筋具有優(yōu)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(jīng)濟效益，目前GFRP筋在地下工程尤其是各種支護工程中發(fā)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(jīng)過工程師的探索，GFRP筋的應用范圍將更為廣泛。