GFRP玻璃纤维筋替代钢筋在基坑支护桩中的应用

2016-11-14 11:37  来源:岩土网  阅读:3054
玻璃纤维筋(GFRP)具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀等良好特性,工程实践中常用于替代结构中的钢筋。以南京某基坑工程为例,探讨了GFRP筋替代钢筋用于基坑支护结构时存在的设计与施工问题,介绍了GFRP筋的基本特性、GFRP筋与支护桩冠梁的连接、GFRP筋自身的连接与搭接、GFRP筋笼制作方法以及浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮的处理措施。GFRP筋在实际工程中应用表明:基坑土方开挖施工过程中,支护结构变形及周边地面沉降值均控制在允许范围内,基坑安全可靠。

0引 言

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋俗称玻璃纤维筋,其具有耐腐蚀、强度高、重量轻、抗电磁辐射、抗疲劳等诸多良好的特性,在土木工程中已得到了相应的应用于研究,但对GFRP筋的研究主要集中在其自身的抗拉强度[1~2]、抗压强度[3]等特性及GFRP筋应用于建筑物主体结构中的混凝土性能[4]等方面。在基坑工程中,GFRP筋已用于地铁端头井的地下连续墙[5~6]以及土钉墙中[7]。在同等条件下,GFRP筋用于灌注桩相比于钢筋用于灌注桩,其造价降低5%~10%,但GFRP筋替代钢筋应用于基坑工程中的钻孔灌注支护桩时,GFRP筋与支护桩混凝土冠梁的连接、GFRP筋自身的连接、GFRP筋笼的制作以及灌注桩浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮等问题,未得到有效地解决。

本文以江苏省食品药品监督局科研大楼基坑工程的设计和实施为背景,针对上述问题作了较详细的介绍,并分析了其应用效果。

1 GFRP玻璃纤维筋性能简介

1.1 GFRP筋基本特征及制作工艺

GFRP筋是一种有机非金属(树脂)与无机非金属(无机纤维)复合的塑料基复合材料,其包含基体和增强体两部分。通过拉挤工艺把纤维和树脂两种不同形态和性质的组合材料复合在一起,固化形成的复合材料。其中树脂是GFRP筋的基体,是一种有机非金属热固性塑料,起粘结作用,占总重量的65%~75%;连续的无机纤维称为增强体,在复合材料中起增强作用,是主要的承力组分。GFRP筋具体外形详见图1。

1.2 GFRP筋物理力学特性

GFRP筋是一种各向异性材料,其力学性能受拉挤、编织、纤维类型及含量、树脂类型、纤维空间布置方位、缠绕方式[8]、GFRP筋尺寸和制造工艺、加载速率[2]及所处环境[9]等因素的影响。

1列出了纤维体积含量约75%,并按照美国有关GFRP材料试验的标准,在温度为23±3℃,相对湿度为50%±l0%的标准试验环境下制作试样、储存试样、调节试样和进行试验所测得的GFRP筋物理力学特性。

GFRP筋物理力学特性表[10]   表1

Table. 1 Physical and mechanical propertiesofGFRP bars

直径/mm      

力学特性

6

8

10

12

14

16

18

20

22

25

28

30

32

34

抗拉强度 /MPa

1468

1131

997

906

893

961

876

970

888

1066

994

936

946

909

抗剪强度 /MPa

266

212

172

191

218

150

200

179

185

177

174

158

154

156

弹性模量 /103MPa

40.2

40.1

40.2

40.3

40.2

39.7

39.6

40.2

39.9

40.0

39.6

39.9

40.3

40.2


DSC_0048

图1 GFRP筋实物照片

Fig. 1Picture ofGFRPbars

由表1可看出,GFRP筋具有较高的抗拉强度,较低的抗剪强度和弹性模量。这些性能与HRB400级钢筋相比,其抗拉强度约为钢筋的2.5~4.0倍;抗剪强度约为钢筋的0.43~0.74倍;弹性模量约为钢筋的0.2倍,这表明GFRP筋和HRB400级钢筋存在较大的性能差异。张志强等[11]通过研究表明,GFRP筋混凝土梁与钢筋混凝土梁的最大挠度之比为1.5~2.5;初裂承载力之比为0.53~0.69;GFRP筋混凝土梁界限相对受压区高度为0.17~0.20。这进一步说明,GFRP筋替代钢筋用于混凝土结构与钢筋混凝土结构存在较大的差异。

      2 GFRP筋在支护桩中的应用分析

      2.1 GFRP筋与支护桩冠梁的连接

      为了保证支护桩与冠梁的可靠连接,支护桩应嵌入混凝土冠梁不小于50mm,且支护桩主筋在冠梁内的锚固长度应符合设计要求。因此,在混凝土浇筑过程采用超灌的方式,以保证支护桩桩顶设计标高以下部分桩身混凝土强度满足要求。

超灌的混凝土属于松散的混凝土浮浆,在绑扎冠梁钢筋时,须先进行清除,方可绑扎钢筋。GFRP筋属于脆性材料,抗剪力能力很低,较易被破坏,若GFRP筋直接锚固到冠梁里,那么,在浮浆清除过程,便把GFRP筋破坏,无法使支护桩和冠梁紧密连接。因此,在GFRP筋笼顶部绑扎钢筋,即每根GFRP筋绑扎一根相同直径的HRB400级钢筋,钢筋顶端按照设计要求的标高设置,钢筋底端应在有效桩顶以下2000mm,具体绑扎范围详见图2,GFRP筋笼与冠梁连接示意图。

图2 GFRP筋笼与冠梁连接示意图

Fig. 2Connectionschematic diagrambetweenGFRPbarscage andtopbeam

浮浆清除过程采用风炮机进行,一次破除高度应不超过50cm。破除时不得损坏桩顶部绑扎的钢筋,不得对桩顶钢筋碾压或扭扯。破除至冠梁底部150cm时,由人工清理打凿,避免破坏冠梁底部桩砼面,造成下部桩体受损。人工打凿至冠梁设计底标高时,对上部露出的钢筋进行校正,对有损坏的钢筋应补强或加筋。桩顶用高压水枪冲洗干净,保证桩体与冠梁的连接性能。

      2.2 GFRP筋自身的搭接与连接

      因GFRP筋无法采用焊接连接,GFRP筋纵向主筋与桩顶位置的HRB400加强筋之间的连接及GFRP筋自身的连接,须采用非镀锌细钢丝绑扎,而且由于GFRP筋笼较长,GFRP筋纵向主筋上下段的连接还须采取钢卡扣件连接,方可避免GFRP筋笼产生过大变形。为了保证纵向主筋连接的稳定性与可靠性,每个接头须采用不少于2个钢丝卡扣件连接。卡扣件采用上下相隔一段各一个的布置形式,具体连接方式详见图3GFRP筋搭接与连接施工实景图。

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赵升峰

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