玻璃纤维筋在基坑支护设计中的应用

计建华 ，董劲松 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

1 引言

玻璃纤维筋抗拉强度高,优于普通钢材,根据直径的不同，约高于同规格钢筋的60%，质量非常轻，约为同体积钢筋的 25%；密度在 1.5～1.9（g/cm3）之间，另外玻璃纤维筋具有良好的抗疲劳性能。

普通钢筋耐腐蚀性差，而玻璃纤维筋可耐酸碱等化学物的腐蚀，还可抵抗氯离子和低PH值溶液的侵蚀，尤其是抵抗碳化合物和氯化合物的腐蚀。普通钢筋与混凝土的粘结性能是钢筋混凝土工作的前提,玻璃纤维筋混凝土由于其热膨胀系数接近水泥，因此GFRP筋与混凝土粘结握裹力更强。

玻璃纤维筋可按设计施工的要求生产各种不同截面和长度的标准及非标准件，现场绑扎可用非金属拉紧带，操作简单。

目前国内外均对GFRP筋混凝土构件做了研究，国外的研究和使用更为深入和广泛。文献［1］研究发现GFRP筋应力－应变曲线没有明显的屈服阶段，在设计中合理地控制GFRP筋的配筋率可充分发挥材料的强度,同时GFRP筋表面喷砂可有效地提高GFRP筋与混凝土的粘结力，有助于应力的传递和重分布。文献[2]试验发现受弯试验结果表明，GFRP筋的配置较大幅度改善了预应力混凝土管桩的受弯性能，同时受剪试验结果显示，GFRP筋的配置提高了预应力混凝土管桩的受剪性能。

2 设计理论及构造

2.1 材料性能

GFRP筋的纤维含量（重量比）应为70%～80%，密度应为1800kg/m3～2100kg/m3,GFRP筋的力学性能应符合下表。

公称直径 抗拉强度标准值fk(MPa)弹性模量Ef(GPa)d＜10 ≥700剪切强度fv(MPa)极限拉应变(%)10≤d＜16 ≥650 16≤d＜25 ≥600 25≤d＜34 ≥550 34≤d ≥500≥110 ≥1.2 ≥40

2.2 设计计算

GFRP筋的抗拉强度设计值应按下式确定：

式中：fd-GFRP筋的抗拉强度设计值；

fk-GFRP筋的抗拉强度标准值；

γf-GFRP筋材料的分项系数，取1.4；

γe-GFRP筋材料的环境影响系数，对临时性混凝土支护结构，可取1.0；对主体结构基础的抗浮锚杆，可取1.6（强碱环境中取2.0）。

GFRP筋混凝土支护结构的正截面受弯承载力，应按下列基本假定进行计算：

①截面应变保持平面；

②不计入混凝土的抗拉强度；

③混凝土的受压应力应变曲线应按现行国家标准《混凝土构设计规范》（GB50010）的有关规定执行；

④受拉GFRP筋的应力应取GFRP筋应变与其弹性摸量的乘积，但其绝对值不应大于其抗拉强度设计值；

⑤不计入受压区GFRP筋的影响。

沿周边均匀布置纵向GFRP筋的圆形截面GFRP筋混凝土受弯构件正截面承载力（见下图）应按下式计算。

上图为沿周边均匀布置纵向GFRP筋圆形截面受弯构件正截面承载力计算图示。

式中：A-圆形截面面积(mm2)；

AF-纵向受拉GFRP筋的截面面积(mm2)；

Ef-GFRP筋的弹性模量(MPa)；

r-圆形截面半径（mm）；

rs-纵向GFRP筋重心所在圆周的半径（mm）；

α-对于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2π的比值（%）；

αt-纵向受拉GFRP筋与全部纵向GFRP筋截面面积的比值，当 α＞0.625时，取αt=0；

k-设计弯矩调整系数，取1.4；

αb-界限受压圆心角。

2.3 构造要求

GFRP筋混凝土保护层厚度同普通钢筋,GFRP筋的锚固长度应通过试验确定,无试验数据时，锚固长度可按文献[3]公式(4.8.2)计算，且GFRP筋的最小锚固长度不应小于35d，当锚固长度不足时，应采用可靠的机械锚固措施。梁纵向受力的GFRP筋之间的净间距应符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的有关规定。GFRP筋筋连接可采用忙扣连接、绑扎搭接或其他可靠连接措施，采用卡口连接时，卡口型号应与筋材直径相适应，每根筋材连接端的卡口数量应根据力学实验确定，且不得少于2个。

3 施工措施

3.1 一般要求

施工前应编制施工组织设计，GFRP筋材应绑扎成捆装卸和运输。装卸时应在吊点采取加固措施，防止吊绳因应力过度集中挤断，压碎杆体，应避免油污、撞击，注意杆体不被损伤。吊装GFRP筋时，应采取措施，避免GFRP筋过度弯曲。

GFRP筋作为灌注桩的主要受力筋时，宜采用整根筋材，锚入冠梁内的GFRP筋应采取有效保护措施，避免桩头破除过程中受到破坏。当采用对GFRP筋材采取保护措施比较困难或难乏以实施时，可采用“笼中笼”的方式。GFRP筋笼在运输吊放过程中应采取措施保证其不变形、不扭曲，必要时应加固处理。GFRP筋应进行试吊验试吊装的可靠性。混凝土灌注过程中应采取措施防止出现浮笼，以弯距为主要受力的冠梁、腰梁可采用GFRP筋作为纵向钢筋，冠梁施工前需预先破除支护桩桩头至设计标高，当GFRP筋材直接锚入冠梁，破除时应采取有效防护措施，避免破坏支护桩GFRP筋，腰梁与支护桩应采取可靠的连接固定方式，施工过程中应避免破坏支护桩GFRP筋，当冠梁、腰梁分段施工时，施工缝宜留在1/3跨度处，留设部位应采取加强措施，凿除混凝土时不应破坏GFRP筋。

3.2 施工监测

GFRP筋应用应用于地下工程监测项目应满足现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120）的相关要求；同时，该应对GFRP筋混凝土构件中筋材的应力进行监测，监测内容应包括水平位移、竖向位移，侧斜、土压力，空隙水压力、杆体内力监测等。

图1

配置GFRP筋基坑支护工程及桩基工程的监测项目应与工设设计、施工方案相匹配应针对监测对象的关键部位，应进行重点观测，监测项目应配套并形成有效的、完整的监测系统。配置GFRP筋的基坑支护工程及桩基工程的监测期应从工程施工前开始，直至地下工程完成为止，对有特殊要求的地下工程周边环境的监测应根据需要延续至变形趋于稳定后结束。

4 工程实例

项目位于安徽省合肥市蜀山区山湖路西侧，基坑周边有距离很近的高层的多层建筑。基坑支护有效深度为6.15～7.40m，基坑较深，周边有建筑物、构筑物需要保护，故需进行基坑支护设计。支护设计除保护上述周边建筑外，同时保证地下室基础施工安全。地质剖面图见图1。

图2

图3

本工程支护范围内岩土层简单，自上而下依次为：杂填土-黏土-强风化泥质砂岩，影响基坑支护的地下水主要为-杂填土中的上层滞水，土层分布相对稳定，①层杂填土层厚0.50～1.10m，平均0.83m，②层黏土层厚：6.90m～9.10m，层强风化泥质砂岩：最大层厚5.20m。

设计经综合分析本工程特征，经多方案经济、技术比较，基坑采用钢筋混凝土支护桩＋坑内斜撑支护，见图2、图3。后经过进一步优化，桩内钢筋采用玻璃纤维筋替换，最终采用方案见图4、图5。

图4

图5

本工程基坑周边设62根桩径900mm支护桩，桩长10.85m；坑内斜撑桩24根，桩径900mm，桩长4m。经对比，采用GFRP筋能获得相同的承载力，同时节省钢筋量约20t,节省造价约8万元人民币。

5 结束语

GFRP筋具有优于普通钢筋的很多地方，易于运输储存等，在同等承载力的情况下，可以获得较好的经济效益，目前GFRP筋在地下工程尤其是各种支护工程中发挥了非常好的效益，GFRP筋的应用研究也在不断的拓展，相信经过工程师的探索，GFRP筋的应用范围将更为广泛。