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行业动态

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GFRP玻璃纤维筋替代钢筋在基坑支护桩中的应用

来源: 时间:2018-05-05 12:13:49 次数:

       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、抗压强度等特性及GFRP筋应用于建筑物主体结构中的混凝土性能等方面。在基坑工程中,GFRP筋已用于地铁端头井的地下连续墙以及土钉墙中。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。


一、 GFRP玻璃纤维筋性能简介

GFRP物理力学特性表  1

Table。 1  Physical and mechanical properties of GFRP 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


1、 GFRP 筋基本特征及制作工艺

GFRP玻璃纤维是一种有机非金属(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

2、GFRP玻璃纤维筋物理力学特性

GFRP玻璃纤维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、GFRP筋尺寸和制造工艺、加载速率及所处环境等因素的影响。

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。

玻璃纤维筋


1 GFRP 筋实物照片

Fig. 1 Picture of GFRP bars

由表1可看出,GFRP玻璃纤维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。


二、 GFRP玻璃纤维筋在支护桩中的应用分析

1、GFRP玻璃纤维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。

玻璃纤维筋


2  GFRP筋笼与冠梁连接示意图

                                                                             Fig. 2 Connection schematic diagram between GFRP bars cage and top beam

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。

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、GFRP玻璃纤维筋自身的搭接与连接

因GFRP玻璃纤维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。


玻璃纤维筋



3  GFRP筋搭接与连接实景图

Fig.3 Realistic picture of overlap and connection of GFRP bars


3、GFRP玻璃纤维筋笼的制作

GFRP玻璃纤维筋与混凝土的粘结强度相比于钢筋与混凝土的粘结强度较低,约为钢筋与混凝土粘结强度的65~87%GFRP筋的种类、表面处理方法、直径、肋高度、肋宽和肋间距度等因素对粘结强度的影响显著。因此,为了保证GFRP筋与混凝土之间的握裹力,不可采用表面光滑的GFRP筋。GFRP筋表面须缠绕成型并喷砂,以保证与混凝土的有效粘结,同时为了不降低GFRP筋的有效面积,缠绕深度不小于1.0mm。使用的GFRP筋表面不得有结疤、裂纹或纤维出露,GFRP筋中纤维含量须控制在65~70%,且保证GFRP筋为无碱玻璃纤维粗纱,玻璃纤维中的树脂为环氧树脂。

GFRP成型在加工棚内或者底模上完成,绑扎在胎模具上进行,这与钢筋笼制作工艺基本一致,但如果整个配筋笼全部采用GFRP筋,则配筋笼极易产生变形,稳定性较差,因此应进行现场试验,必要时应采用GFRP筋与钢筋混搭配筋。即先采用3~5根钢筋按照钢筋笼的制作工艺制成骨架,使整个配筋笼稳定性极大地提高,变形减小,然后进行GFRP筋的绑扎。


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4  GFRP筋笼制作过程实景图

Fig. 4 Production process of GFRP bars cage

GFRP筋主要由多股玻璃纤维胶合而成,常见纤维丝外露,因此,在搬运、堆放过程中操作人员须戴手套。GFRP筋的切割可利用细齿锯或者金刚石锯片,但切割时应佩戴口罩。图4 为GFRP筋笼制作现场照片。

由于GFRP筋弹性模量和延性较低,且抗剪性能较差,GFRP筋笼起吊过程中最大的风险是部分GFRP筋发生受力不均匀而折断。在起吊过程中若发生折断现象,立即采取多余的GFRP筋根据折断长度进行搭接加固,然后方可进行下道施工工序。

4、浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮问题

GFRP筋笼自身重量轻,在混凝土灌注过程,操作不当会产生GFRP筋笼上浮。混凝土灌注是确保成桩的关键工序,灌注前应做好一切准备,保障混凝土灌注的连续紧凑进行。开灌前导管居中,安装入孔,导管底距离孔底控制在200mm左右。导管连接要平直可靠,密封性好。混凝土灌注过程中导管应始终埋在混凝土中,严禁将导管提出混凝土面。导管埋入混凝土面的深度始终在2.0~4.0m。必要时应采取笼底挂重物等其它措施,避免GFRP筋笼上浮。

5、GFRP玻璃纤维与支护桩质量保证措施

钻孔灌注桩中的主筋采用 GFRP 筋时,宜采用整根筋材。GFRP 筋箍筋和加强筋应按照设计的规格、形状、尺寸在工厂加工定制成形,在接头处开口,并留足设计的搭接长度。为了保证GFRP筋的混凝土保护层,采用C30圆形砂浆垫块定位,在加劲箍四周±20cm位置每隔2米设置1组,每组4个。

卓易彩票 针对钻孔灌注桩易出现的其它质量问题,应从测量放线与桩位测设、护筒埋设及钻机定位、泥浆护壁钻进成孔、清孔等方面参照钢筋混凝土灌注桩的做法进行控制。

三、

1、GFRP玻璃纤维筋因其具有较多的优点,应用于基坑工程支护桩中可实现节能环保的目的,但GFRP筋替代钢筋用于支护桩的技术及其在基坑工程领域的应用仍处于探索阶段,诸多问题没有得到有效地解决。

2、GFRP玻璃纤维筋可通过与钢筋相结合,提高GFRP筋在钻孔灌注支护桩中应用的可操作性,使GFRP筋笼的加工与制作、起吊与下放以及成桩质量得到较好地保证。

3、通过工程实例现场监测数据反馈,整个基坑工程的进展是安全的,证明GFRP筋替代钢筋用于基坑支护灌注桩是可行的,针对存在的问题所做的相应技术措施发挥了较好的作用。 





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