玻璃纤维筋在盾构端头围护桩中的设计与应用

侯志友

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院，北京 100055)



玻璃纤维筋在盾构端头围护桩中的设计与应用

侯志友

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院，北京 100055)

【摘要】地铁端头盾构井施工过程中，为避免端头钢筋混凝土围护桩的人工凿除，围护桩采用玻璃纤维筋桩替换普通钢筋混凝土桩。文章结合工程实例，通过计算分析，为达到工程安全经济，对玻璃纤维筋桩从玻璃纤维筋设计强度、抗弯、抗剪及与普通钢筋的锚固长度四个方面进行计算，证明玻璃纤维筋桩运用于工程能达到安全、适用、经济。

【关键词】围护桩；玻璃纤维筋；抗弯；抗剪；锚固长度

近年来，我国城市轨道交通发展迅速，据相关资料统计显示，截止到2014年末，全国城市轨道交通交付运营超过3 100km，预计2020年，将有7 000km投入运营，覆盖大部分主要城市。由于地铁造价昂贵，为此在设计中就应该进行精细化、专业化设计，将新材料新技术应用到地铁中。为消除在车站盾构井端头钢筋混凝土围护桩对盾构机进出洞造成不利影响，采用玻璃纤维筋混凝土代替钢筋混凝土不仅造价低、节约成本，而且施工简单方便、提高施工效率。

1工程概况

房山线北延工程四环路站沿规划张新路跨路口设置。该车站为地下二层双柱三跨岛式站台车站，站台宽度12m。车站标准段净宽20.9m，车站总长222m，平均覆土约为4.4m。车站主体采用明挖法施工，基坑开挖深度约20.7m，盾构井端头开挖深度约22m，采用φ1 000@1 600钻孔灌注桩围护。为改变传统的盾构进出洞端头地层加固方法，便于盾构施工，提高盾构进出洞施工的经济性和安全性，此处盾构工作井端头围护桩在盾构施工影响范围内的钢筋改用玻璃纤维筋。

2地质参数

地质有人工堆积层、一般第四纪新近沉积层、一般第四纪冲洪积层及古近纪岩层四大类。各土层自上而下分别为：素填土、杂填土、黏质粉土-砂质粉土、中砂、圆砾、卵石。

2.1设计参数

本车站基坑工程标准段采用φ1 000@1 600钻孔灌注桩+内支撑体系围护结构。

2.2结构材料

钻孔灌注桩混凝土等级：C30

冠梁、挡墙混凝土等级：C30

钢筋：HPB300和HRB400级钢筋

玻璃纤维筋：D32

2.3基坑支护相关参数

基坑支护相关参数见表1。

盾构机进出洞洞口上下各1.5m范围内的围护桩采用玻璃纤维筋进行替代钢筋，线路中心左右3.5m内采用玻璃纤维筋围护桩，盾构井布置见图1。

3盾构端头围护桩计算

采用理正深基坑7.0PB1软件进行内力变形及稳定计算，即采用弹性支点杆系有限元法计算。

基坑开挖深度为22.00m，采用φ1 000@1 600钻孔灌注桩围护结构。地面标高45.18m，桩顶标高为42.68m。计算时考虑地面超载20kPa。土层参数选用勘察报告中的指标。

支护方案采用排桩支护，计算简图见图2。围护桩抗弯及抗剪包络图见图3。

4围护桩配筋计算分析

4.1玻璃纤维抗拉强度设计取值

(1)玻璃纤维筋力学性能指标见表2。

(2)抗拉强度设计取值。玻璃纤维筋抗拉强度设计值应按式(1)计算：

(1)

式中：ffu为玻璃纤维筋的抗拉强度设计值(MPa)；

fk为玻璃纤维筋的抗拉强度标准值(MPa);

CE为工作环境影响系数，工作环境在室内取值0 .8，工作环境在室外取值0.7。

玻璃纤维筋抗拉强度设计值：

ffu=CEfk=0.7×500=350MPa

4.2正截面抗弯设计

沿周边均匀配置纵向玻璃纤维筋的圆形截面玻璃纤维筋混凝土受弯构件(图4)正截面承载力计算表达式为：

表1　支护参数

图1　盾构井布置

图2　基坑计算简图

图3　围护桩抗弯及抗剪包络图

公称直径d/mm抗拉强度标准值fk/MPa剪切强度fv/MPad<1616≤d<2525≤d<34d≥34≥600≥550≥500≥450≥110

图4　沿圆周均匀配置的圆形截面界限破坏时的应变状态

式中：M为弯矩设计值，1103×1.25×1.1=1 517kN·m；

A为圆形截面面积；785 000mm2；

Af为全部纵向纤维筋的截面面积；

Es为玻璃纤维筋的弹性模量，4 000MPa；

r为圆形截面的半径，500mm；

rs为纵向玻璃纤维筋重心所在圆周的半径，402mm；

α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值,%；

αt为纵向受拉玻璃纤维筋与全部纵向玻璃纤维筋截面面积的比值，当α>0.625时，取αt=0；

K为设计弯矩调整系数，取1.4；

ffu为纤维筋的抗拉强度设计值，根据规范取值500×0.7=350MPa；

fc为混凝土强度设计值，按现行《混凝土结构设计规范》(GB50010)取用，C30取值14.3N/mm2；

α1、β1为系数，分别取0.92和0.85；

求解方程组可求出Af=17 241mm2，本文中玻璃纤维筋采用22D32玻璃纤维筋，面积为176 924mm2，满足设计要求。

4.3斜截面抗剪设计

斜截面受剪承载力计算表达式为：V≤Vfc+VfV

当构件为圆形截面时：

Vfc=1.98αcftr2

V为玻璃纤维筋混凝土构件斜截面最大剪力设计值，1.25×1.1×663=912kN；

αc为玻璃纤维筋对混凝土抗剪能力的影响系数；

剪跨比≥0.7时，且受剪截面满足Vfc≤0.169fcbh0时，αc=0.67；

剪跨比≤0.5时，且受剪截面满足Vfc≤0.25fcbh0，αc=1.0；

剪跨比为中间值时采用内插值；取值αc=0.67，

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

βh为截面高度影响系数，当h0<800mm时，取h0=800mm；

当h0>2 000mm时，取h0=2 000mm；根据混凝土规范h0=1.6r=800mm；故取h0=800mm；

ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，C30取值1. 43N/mm2；

Vfc为玻璃纤维筋混凝土构件中混凝土的受剪承载力设计值；

Vfv为玻璃纤维筋混凝土构件中玻璃纤维筋的受剪承载力设计值；

Afv为配置在同一截面内玻璃纤维箍筋各肢的全部截面面积，226mm2;

s为沿构件长度方向的箍筋间距，100mm；

ffb为玻璃纤维箍筋弯曲段抗拉强度设计值,按平直段的0.7倍折减，取值294MPa；

ffu为玻璃纤维筋抗拉强度设计值，600×0.7=420MPa；

rb为玻璃纤维箍筋的弯曲半径，424mm；

d为玻璃纤维筋的名义直径，14mm；

本文中箍筋采用D14@100玻璃纤维筋，将各系数代入公式，可求得：

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

912<474+664=1138(V≤Vfc+VfV)，验算箍筋抗剪受力满足要求。

4.4锚固长度设计

(1)基本锚固长度按照式(1)计算

(1)

式中：lab为受拉钢筋的基本锚固长度；

fy为普通钢筋的抗拉强度设计值；

ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；

d为锚固钢筋的直径。

(2)受拉筋的锚固长度计算。

(2)

式中：la为受拉钢筋的锚固长度；

ζa为锚固长度修正系数；

la=ζalab=1.1×1128=1 241mm。

(3)钢筋绑扎搭接接头长度。

(3)

式中：ll为纵向受拉筋搭接长度；

ζl为纵向受拉筋搭接长度修正系数。

根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按照50%考虑，纵向受拉筋搭接长度修正系数取值为1.4，即：

ll=ζlla=1.4×1 241=1 738mm

根据规范规定，玻璃纤维筋搭接长度不应小于同直径热轧带肋钢筋搭接长度的1.25倍，即：

1.25×1 738=2 173mm。取整为2 200mm。

围护桩配筋( 玻璃纤维筋) 如图5所示。

图5　盾构段围护桩配筋图

5结论

(1)通过工程实例，玻璃纤维筋在地铁围护桩中的应用不但安全、经济，且提高工程效率，避免凿除围护桩。

(2)通过计算及结合工程实例，玻璃纤维筋搭接长度较普通钢筋搭接长度较长，搭接长度为普通钢筋的1.25倍。

(3)通过抗剪、抗弯计算后，玻璃纤维筋配筋量是普通钢筋的1.6倍，箍筋直径较普通钢筋提高一个型号。

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[作者简介]侯志友(1984～)，男，硕士研究生，工程师，从事地下结构工程研究。

【中图分类号】U455.43

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-03-23