逄显昱，李颖娜，赵 欣，周 洪

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.北京市市政专业设计院股份公司，北京 100037；3.北京市政路桥集团有限公司，北京 100045；4.南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530021)

玻璃纤维筋围护桩设计与施工的应用研究

逄显昱1，李颖娜2，赵 欣3，周 洪4

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.北京市市政专业设计院股份公司，北京 100037；3.北京市政路桥集团有限公司，北京 100045；4.南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530021)

传统的钢筋混凝土结构的承载力计算都是建立在钢筋延性特性的基础上的。尽管玻璃纤维筋混凝土结构的计算并不完全等同于钢筋混凝土结构计算，但是做出相应的修改也是合理的。玻璃纤维筋材料的使用迄今取得了很大的进步，但其结构行为需要更详细研究，以致于可以应用于新领域的开发。就玻璃纤维筋混凝土构件设计计算中玻璃纤维筋与混凝土的黏结力、玻璃纤维筋强度取值、正截面计算和斜截面计算等。根据理论分析从而解决实际工程的设计与工程应用等关键问题。

地铁；围护桩；玻璃纤维筋；设计

1 工程背景与研究现状

1.1 工程背景

某地铁车站主体结构为地下两层3跨平顶直墙结构，采用暗挖PBA工法，整体逆做局部顺做法施工，车站采用暗挖双层双柱3跨14 m岛式车站。车站总长205.5 m，总宽23.1 m，车站顶板紧贴某公路隧道。由于车站紧贴公路隧道，因此此次施工方案顺序为：先开挖两侧边导洞，边导洞贯通后进行边桩施工，再开挖中导洞，中导洞贯通后进行中桩施工。在车站两端盾构穿越区域采用玻璃纤维筋作为围护结构的增强材料，见图1，其中图中阴影部分内的桩体为玻璃纤维筋桩。

图1 玻璃纤筋桩位置示意(单位：mm)

1.2 玻璃纤维筋混凝土研究现状

近年来，由于玻璃纤维筋在某些方面优于传统钢筋，因此玻璃纤维筋混凝土在国内外都得到了广泛的应用。在国外，如日本、欧洲、美国、加拿大等国家都积极开展对玻璃纤维筋混凝土的研究工作。例如，1992年，日本成为第一个发布关于玻璃纤维筋混凝土的设计草稿的国家[1]。随后，欧洲[2]、加拿大[3]和美国[4]等国家相继出台本国的玻璃纤维筋混凝土结构设计施工指南。在中国，对玻璃纤维筋混凝土结构的研究也比较多，但同时我国的研究者对于这方面的研究也借鉴美国混凝土协会(ACI)编制的纤维筋增强材料混凝土设计与施工指南，包括文献[5]在抗弯、抗剪等研究内容也主要参考美国规范。然而，美国混凝土结构设计(ACI)规范采用的是承载力折减系数法进行安全规定的；而对于上述其他国家，他们的设计理念是基于材料分项安全系数而进行其安全规定的[6]。

目前，玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的应用也越来越广泛，其已经应用在盾构始发与到达中，并在成都、长沙、东莞、广州等城市获得成功，并在北京直径线盾构隧道始发中也得到初步应用。但是目前对于此类工程的系统的设计方法还未形成，大部分的工程都是依照国内外成功的施工经验：在局部用等直径、等数量的玻璃纤维筋去代替钢筋[7-8]。因此，在应用过程中出现了不少问题，如：2010年广州地铁中，由于设计时围护墙体厚度过小，导致刀盘在切削时出现堵塞在排浆管口的未切断的玻璃纤维筋[10]。武汉长江隧道地下连续墙使用了高强度等级的水下混凝土，导致盾构机始发时切削混凝土非常困难，且玻璃纤维筋还卡坏了部分切刀，最终只能人工去破除地下连续墙[9]。在成都地铁盾构工程中，地铁建设研究者对钢筋桩和玻璃纤维筋桩的弯矩进行监测，结果表明在最不利工况时所产生的实际最大弯矩小于200 kN·m，与设计弯矩值1 866 kN·m相差太大，也说明在实际设计与施工中太过于保守[11]。诸如此类的问题还有很多，究其原因，都是对玻璃纤维筋混凝土结构的设计方法缺乏系统深入的研究。

基于此背景，首先参考国内外关于玻璃纤维筋混凝土的设计成果，然后提出一个适用于地铁工程的玻璃纤维筋混凝土结构的设计指南。值得注意的是，由于所研究的对象主要为地铁工程的围护结构，因此，根据围护结构实际受力情况，主要分析玻璃纤维筋混凝土结构的抗弯、抗剪承载力公式计算，以及玻璃纤维筋与混凝土之间的黏结能力等问题。

2 玻璃纤维筋混凝土材料的力学性能

2.1 玻璃纤维筋

玻璃纤维筋混凝土结构和构件由配置玻璃纤维筋的混凝土构成。混凝土与钢筋混凝土结构中的共性，在此不再讨论，只分析玻璃纤维筋这种材料的主要力学行为。

2.1.1 玻璃纤维筋的轴向抗拉强度

对于玻璃纤维筋在混凝土中主要受力情况而言，玻璃纤维筋主要承担结构中的拉应力，因此，应首先对玻璃纤维筋这一材料的轴向抗拉强度进行详细的分析。在大量实验数据的基础上进行玻璃纤维筋材料标准强度的取值与设计强度的取值。对于玻璃纤维筋轴向抗拉强度的研究，国内外已研究比较系统。其主要特征也比较统一。

(1)玻璃纤维筋在破坏前没有实际性的屈服阶段，破坏形式为脆性破坏，在应力-应变关系上表现为一直线关系。

(2)玻璃纤维筋的弹性模量低，约为钢筋弹性模量的1/4。

(3)由于剪切滞的影响，不同截面尺寸的玻璃纤维筋的抗拉强度存在差异；对于钢筋，钢筋型号等级决定其屈服强度与抗拉强度，对于玻璃纤维筋，在制作材料因素相同条件下，其抗拉强度与杆体的截面尺寸有关。

(4)对于玻璃纤维筋材料，其抗拉强度的离散性较钢筋大，因为玻璃纤维筋的强度取值与钢筋强度取值就存在差异。

2.1.2 玻璃纤维筋的抗剪强度

玻璃纤维筋与钢筋存在的另外一个较大的差异为玻璃纤维筋为各项异性材料。对于玻璃纤维筋的横向剪切强度，笔者通过试验，由试验数据得玻璃纤维筋横向剪切强度约为轴向抗拉强度的1/5。所以此特征也是造成玻璃纤维筋混凝土与钢筋混凝土在抗剪上巨大差异的一个主要因素，在传统钢筋混凝土结构中，由于假设钢筋为各项同性材料，所以往往不考虑钢筋的横向剪切强度；但是对于玻璃纤维筋，此特征必须加以研究。由于玻璃纤维筋杆体在横向上较弱的抗剪能力，因此，在实际工程应用中需要对玻璃纤维筋采取相对应的锚固措施[12]。

2.1.3 玻璃纤维筋弯曲抗拉强度

在实际的混凝土结构中，如箍筋，往往需要弯曲的配筋形式。正如上述所说，玻璃纤维筋为各项异性材料，因此，弯曲的玻璃纤维筋在抗拉强度上 要弱于其轴线抗拉强度。对于弯曲玻璃纤维筋的抗拉强度，国内还很少研究，对于该方面，世界各国几乎都沿用ACI所建议的公式，玻璃纤维筋的弯曲抗拉强度的主要影响因素为：杆体弯曲的半径、杆体截面尺寸、杆体锚固长度以及杆体尾巴长度。对于弯曲的玻璃纤维筋，其强度一般只能达到其轴线抗拉强度的50%[13]。同时，由于玻璃纤维筋与混凝土锚固能力较差，玻璃纤维筋箍筋对于有腹筋梁的抗剪承载力的贡献要低于钢筋箍筋的贡献。

2.1.4 玻璃纤维筋压缩力学性能

玻璃纤维筋是在合成高强纤维注入树脂材料经挤压、拉拔而成型的。所以，玻璃纤维筋在受压强度较低，关于玻璃纤维筋的受压力学性能，主要集中在国外的研究中，而国外的研究结果表明，玻璃纤维筋的轴向受压强度约为其轴向受拉强度的30%[14]，而受压缩模量为受拉弹性模量的80%。我国对玻璃纤维筋杆体的压缩性能也进行了一定的研究，文献[15]研究结果表明，玻璃纤维筋杆体的压缩强度较低。因此，在计算玻璃纤维筋混凝土纯弯正截面承载力公式时，可以忽略受压区玻璃纤维筋对承载力的贡献[16]。

2.2 玻璃纤维筋与混凝土黏结力

对于该工程的玻璃纤维筋围护桩的施工工艺：考虑洞内运输及吊装，钢筋笼在地面分节加工，每节长度2.5 m，然后采用机械连接把每段主筋相连。这样也就遇到一个工程问题：由于玻璃纤维筋无法使用焊接，采用机械连接时其本身的搭接长度的取值以及构造形式。对于主筋直接的搭接问题，其本质就是玻璃纤维筋与周围混凝土锚固性能的力学行为。

黏结和锚固时玻璃纤维筋和混凝土两种材料能够协同工作的前提是，玻璃纤维筋能够代替钢筋应用于混凝土结构的关键因素。玻璃纤维筋与混凝土的黏结强度主要影响因素与钢筋混凝土黏结力因素一致：混凝土强度、玻璃纤维筋截面直径、混凝土保护层厚度、玻璃纤维筋在混凝土中的有效埋置长度、玻璃纤维筋表面形式等。对于钢筋混凝土，变形钢筋表面有凸出横肋，混凝土呈齿状嵌在横肋之间，该齿是影响黏结强度的主要因素[17]。当主筋与混凝土的黏结力达到混凝土抗拉强度ft时，开始出现内部斜裂缝。对于玻璃纤维筋，由于低弹性模量与较低的横肋高度，因此，玻璃纤维筋与混凝土之间的黏结力更多的由两种材料之间的摩擦力组成。

对于玻璃纤维筋混凝土受弯正截面构件，受拉区混凝土开裂正是由于玻璃纤维筋与混凝土之间的黏结力达到黏结破坏强度。该破坏形式与玻璃纤维筋拉拔破坏形式存在差异：该破坏形式下玻璃纤维筋的黏结能力更低以及其残余应力急速的下降为零[18]。

对于玻璃纤维筋与混凝土的劈裂破坏，由于其低弹性模量、轴线刚度低和极限应变大等因素导致其破坏形式与传统钢筋不同。总之，玻璃纤维筋的黏结能力要弱于钢筋混凝土黏结力，对玻璃纤维筋混凝土与钢筋混凝土进行拉拔试验，试验结果表明，玻璃纤维筋与混凝土之间的黏结强度只有钢筋的70%。对于玻璃纤维筋混凝土的锚固长度应在钢筋混凝土的基本锚固长度的基础上有所增加。图2为钢筋与玻璃纤维筋连接示意，实际搭接长度为40倍主筋直径。

图2 钢筋与玻璃纤维筋连接示意

3 正截面承载力计算

对于玻璃纤维筋混凝土结构的正截面承载力的研究都比较清晰，反映其承载力规律的计算公式也较为简单。玻璃纤维筋混凝土受弯构件试验表明，构件应变开裂前满足平截面假定；开裂后，尽管开裂截面一分为二，但从平均应变的意义上，平截面假定仍然成立。因此，在受弯构件的整个受力过程中认为平均应变符合平截面假定。在钢筋混凝土规范中，这一平面假定已被学者证明，而基于对玻璃纤维筋混凝土试验数据的基础上，也认为这一假定在玻璃纤维筋混凝土结构中同样成立[19]。

对于玻璃纤维筋混凝土结构正截面计算，由于玻璃纤维筋材料在抗拉强度上异于传统钢筋，而这对截面尺寸上的应力、应变分布有着巨大的变化。对于玻璃纤维筋与钢筋的正截面的平衡破坏模式，在同等结构尺寸的情况下，玻璃纤维筋混凝土结构的中性轴高度较小，见图3。

图3 玻璃纤维筋混凝土应变分布

3.1 玻璃纤维筋混凝土正截面3种破坏形式

由于玻璃纤维筋在破坏之前无任何的屈服段，属于线弹性破坏，因此，玻璃纤维筋混凝土与钢筋混凝土在正截面承载力上最明显的差异为：玻璃纤维筋混凝土正截面破坏的各种形式都是脆性的，毫无征兆的达到屈服[20]。因此，从理论上可分析得：玻璃纤维筋单筋矩形截面梁正截面破坏有3种形式[4]，见图4。

图4 正截面承载力极限状态下的应变与应力分布

(1)平衡破坏: 受拉玻璃纤维筋与受压区边缘混凝土同时达到极限应变；

(2)受压破坏: 受压区边缘混凝土先于受拉玻璃纤维筋屈服；

(3)受拉破坏: 受拉玻璃纤维筋先于受压区边缘混凝土屈服。

对于单筋截面正截面的3种破坏形式，由于玻璃纤维筋的断裂和混凝土的压碎都属于脆性破坏，所以玻璃纤维筋混凝土梁的受拉和受压破坏模式都属于脆性破坏，不能简单地仿照钢筋混凝土梁划分的适筋、超筋、少筋3种破坏类型。但是相比较而言，混凝土的压碎破坏过程有一定的塑性发展，这样玻璃纤维筋混凝土梁受压破坏有一定预兆，因此，在这3种破坏形式中，受压破坏是最希望出现的破坏形式[19]。在基坑围护工程中对于这3种破坏形式，为了得到更好的玻璃纤维筋混凝土结构的变形能力和结构的更好的延性，受压破坏是最希望出现的破坏形式，所以，设计通常按照受压破坏模式对玻璃纤维筋混凝土结构进行设计。

3.2 基本公式

对于受压破坏，其基本公式利用平截面假定关系可推导出

(1)

(2)

式中Mu——正截面极限弯矩；

fg——正截面承载力计算中纵向受拉玻璃纤维应力；

Ag——玻璃纤维筋主筋面积；

h0——梁截面有效高度；

x——等效受压区高度；

Eg——玻璃纤维筋弹性模量；

ρg——玻璃纤维筋配筋率；

fc——混凝土轴心抗压强度；

εcu——混凝土极限压应变，一般地，εcu等于0.003 3；

α1、β1——正截面受压区混凝土的应力图形简化为等效矩形应力图系数，与现行混凝土设计规范取值一致。

式(1)和(2)为单筋矩形截面玻璃纤维筋混凝土结构正截面的承载力计算公式。该式(2)中，由于玻璃纤维筋的应力fg未达到其极限抗拉强度，因此它与截面的配筋率ρg为一特定的函数关系。

将配筋率ρg从0.5%～3.5%分成300等份，代入式(2)得到相对应最大玻璃纤维筋应力fg的值，最后拟合成的曲线见图5。由图5可以看出，随着配筋率的增加，玻璃纤维筋的最大应力值减低。式(2)较为冗长复杂，不易用于实际工程上的设计，因此，对于此公式的简化就显得很有必要了。由于式(2)中未知的因素为玻璃纤维筋的弹性模量Eg和混凝土轴心抗压强度fc，对公式的简化，首先对这两个参数进行假设。根据试验对玻璃纤维筋的材料力学性能可得：Eg=48 GPa；在北京地铁基坑围护工程中，常用混凝土等级为C30，所以混凝土轴心抗压强度根据文献[19]进行取值：fc=14.3 MPa，α1=1.0，β1=0.8，εcu=0.003 3。代入公式即可得fg与配筋率ρg的函数关系

(3)

式中fg——玻璃纤维筋最大拉应力，MPa；

ρg——玻璃纤维筋配筋率，%。

图5 配筋率与最大应力的关系曲线

实际工程中，由于材料特性的不同，其简化的公式也不同，但简化思路与上述一致。而对于玻璃纤维筋混凝土构件受弯正截面承载力公式的简化还需进一步去系统研究，以得到一个适用于实际工程设计与计算的完整体系。因为此次只对最简单的单筋矩形截面进行分析，对于基坑工程更为常见的圆形均匀配筋的构件未进行讨论，该情况下，截面形式与配筋形式更为复杂，计算公式的简化也就更为复杂。

4 斜截面无腹筋抗剪性能

如图6所示，钢筋混凝土梁的抗剪能力是由混凝土和钢筋共同承担的，图中，Vcz、Va、Vs、Vd分别表示受压区未开裂混凝的抗剪贡献、骨料咬合作用、腹筋抗剪作用和纵筋的销栓作用，Vc表示这些项抗剪作用之和。

图6 钢筋混凝土抗剪内力示意

有理由认为以上抗剪机理同样存在于玻璃纤维筋混凝土结构中， 但是它们抗剪作用的相对大小可能与钢筋混凝土结构中抗剪作用的相对大小不同。在玻璃纤维筋混凝土结构中， 因为玻璃纤维筋的弹性模量较低， 其轴向刚度明显低于钢筋的轴向刚度。和钢筋混凝土结构相比， 当混凝土开裂时， 受压区混凝土高度要减小， 而且裂缝宽度也要更宽， 因此未开裂混凝土的贡献、骨料咬合作用和裂缝间残余拉应力作用在结构抗剪中的贡献将减小。另外， 因为玻璃纤维筋的剪切模量很低， 纵筋的销栓作用也是很小的[22]。

目前对于玻璃纤维筋的抗剪承载力，我国几乎都在借鉴美国ACI规范里的抗剪承载力公式：

(4)

(5)

bw——截面宽度；

k——受压区高度与有效高度的比值；

d——截面有效高度；

h0——梁截面有效高度；

ρg——玻璃纤维筋主筋配筋率：ρg=Ag/(bwd)；

ng——弹性模量之比：ng=Eg/Ec；

Eg、Ec——玻璃纤维筋与混凝土的弹性模量。

由于ACI建议的无腹筋抗剪承载力公式形式简单，适用于实际工程的设计与计算。因此，我国现对玻璃纤维筋的无腹筋抗剪计算几乎沿用该公式，包括国家关于纤维筋的标准[5]。在国内，目前对于玻璃纤维筋的抗剪性能研究还处于起步阶段。所以，暂时可以参考ACI的公式进行玻璃纤维筋混凝土抗剪承载力的计算。

5 结语

尽管玻璃纤维筋材料在力学性能上与钢筋存在明显的差别，但依然可以在钢筋混凝土结构计算方法的基础上进行玻璃纤维筋混凝土结构的计算，如玻璃纤维筋混凝土结构的抗弯正截面与抗剪斜截面承载力公式的计算。

研究玻璃纤维筋混凝土结构的基础是首先对玻璃纤维筋基本力学性能的系统研究，针对国内外的研究成果，提出了在设计时应注意的细节。对于玻璃纤维筋混凝土结构正截面的3种破坏形式进行分析，推荐地铁基坑工程按照混凝土受压破坏模式进行工程设计与计算，并进一步对该公式进行简化。而对于斜截面，参考美国ACI规范建议的公式进行计算。

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Design and Construction of Glass Fiber Reinforced Supporting Pile and Its Application

PANG Xian-yu1， LI Ying-na2， ZHAO Xin3， ZHOU Hong4

(1.Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.， Ltd.， Beijing 100037， China; 2.Beijing Municipal Engineering Professional Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100037， China; 3.Beijing Municipal Road & Bridge Group Co.， Ltd.， Beijing 100045， China; 4.Nanning Rail Transit Co.， Ltd.， Nanning 530021， China)

The conventional design philosophy for reinforced concrete relies heavily on the ductile properties of steel. The current approach of developing GFRP RC design guidelines by modifying conventional RC codes of practice may seem reasonable， however it may not be entirely appropriate. Despite the extraordinary progress made to date in the use of glass fiber reinforced concrete， detailed study has to be conducted with respect to its structural behavior before it is used for new applications. This paper deals with some important aspects of structural behavior and addresses the bond between glass fiber reinforcement and cement， the calculation of reinforcement strength， the calculation of normal cross-section and oblique cross-section. The theoretic analysis is employed to guide the design and construction.

Subway; Supporting pile; Glass fiber reinforcement; Design

2015-01-22

北京市科技计划项目(Z121100000312022)

逄显昱(1982—)，男，高级工程师，2004年毕业于西南交通

大学土木工程专业，工学学士，E-mail：pangxianyu@126.com。

1004-2954(2015)10-0108-06

TU528.57

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.025