玻璃纖維復(fù)材筋GFB在預(yù)制梁場設(shè)計中的應(yīng)用

【摘要】玻璃纖維復(fù)材筋GFB是一種擁有巨大應(yīng)用潛力的鋼筋替代品，其成本相比碳纖維復(fù)材筋CFB、玄武巖纖維復(fù)材筋BFB大幅降低。以GFB在預(yù)制梁場中應(yīng)用為背景，詳細分析了GFB在配筋混凝土存梁臺座、配筋混凝土路面設(shè)計中的應(yīng)用，闡明了GFB在配筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可能性。同時通過與鋼筋混凝土構(gòu)件開展對比分析，明確了GFB材料的經(jīng)濟優(yōu)勢，為GFB在臨時配筋混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】玻璃纖維復(fù)材筋GFB; 預(yù)制梁場; 配筋混凝土存梁臺座; 配筋混凝土路面

【中圖分類號】TU528.58+1A

0 引言

在“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略下，我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域廣泛采用裝配式橋梁技術(shù)，著力推動橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)、裝配化施工，用以降低橋梁工程在生產(chǎn)、施工和安裝過程中的能耗。為此眾多公路、鐵路類基礎(chǔ)設(shè)施項目均建設(shè)臨時梁場用以生產(chǎn)預(yù)制混凝土梁。臨時預(yù)制梁場使用期僅為幾年，生產(chǎn)任務(wù)完成后需進行拆除，同時建設(shè)過程中使用大量的鋼筋、混凝土材料，后期難于回收利用，造成不必要的浪費。玻璃纖維復(fù)材筋GFB是由玻璃纖維增強材料、固化劑和樹脂材料按一定比例固化，然后經(jīng)拉絲成型和表面處理等工藝制作而成的一種新型纖維材料［1］。GFB與混凝土特性相似，更容易與之結(jié)合，且生產(chǎn)能耗節(jié)省50%以上，重量僅為鋼筋的25%，能夠有效減少工作強度，提升工作效率；是國家新舊動能轉(zhuǎn)換倡導(dǎo)型新材料，可以認(rèn)為是一種擁有巨大應(yīng)用潛力的鋼筋替代品。相比碳纖維復(fù)材筋CFB、玄武巖纖維復(fù)材筋BFB，GFB造價大幅降低，為其廣泛應(yīng)用提供了堅實的經(jīng)濟基礎(chǔ)。

當(dāng)前階段，GFB作為一種新型材料在鐵路工程、公路工程和港口工程等具有專門要求的工程行業(yè)應(yīng)用較少，用于預(yù)制梁場中臨時混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程案例更少。本文以實際項目為案例，從適用性、經(jīng)濟性角度進行了對比分析，在預(yù)制梁場的存梁臺座、混凝土路面等臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用GFB替代傳統(tǒng)的鋼筋材料，取得了良好的效果，為GFB在臨時結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用提供了有利支撐。

1 GFB性能應(yīng)用分析

臨時結(jié)構(gòu)因使用時間短，鋼筋混凝土構(gòu)件可僅按承載能力極限狀態(tài)進行驗算。但GFB混凝土構(gòu)件略有不同。一方面GFB彈性模量較低，不足鋼筋彈性模量的30%，GFB混凝土構(gòu)件的裂縫寬度要求和撓度要求通常成為設(shè)計控制因素；另一方面GFB具有蠕變斷裂的特性，所謂蠕變斷裂是指復(fù)材筋在低于其承載力的拉力的長期作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，這是復(fù)材筋特有的問題。為了保證在GFB設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不發(fā)生斷裂，其長期承受的應(yīng)力不能大于某一個限值。考慮到GFB混凝土構(gòu)件實際應(yīng)用時間較短，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)積累，偏最小值933.5236.758.42.03于安全考慮，GFB混凝土構(gòu)件同時進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的進行設(shè)計。

根據(jù)國內(nèi)外已有試驗數(shù)據(jù)，荷載長期作用下，考慮蠕變斷裂及環(huán)境影響，GFB強度應(yīng)予以折減。其中蠕變斷裂折減系數(shù)rfc=3.5。GFB在荷載準(zhǔn)永久組合下的應(yīng)力不能超出下列限值［2］：

2 配筋混凝土存梁臺座設(shè)計

中建土木新型建造智能梁場占地約17 hm2，主要用于生產(chǎn)公路30 m預(yù)制小箱梁。廠區(qū)規(guī)劃道路寬度7 m，總長度2975 m，采用25 cm厚配筋混凝土路面。

30 m預(yù)制小箱梁重量約1372 kN，雙層存梁，小箱梁兩端設(shè)置存梁臺座。存梁臺座采用預(yù)制裝配式設(shè)計，采用擴大基礎(chǔ)，高度0.5 m，平面尺寸2.5 m×2.5 m。基礎(chǔ)上方為1.0 m×1.0 m×0.4 m（長×寬×高）混凝土短柱，箱梁存放于短柱上。臺座采用C30混凝土澆筑，主要荷載為臺座自重、存放小箱梁豎向荷載。因存梁臺座為臨時結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取γ0=0.9（圖1）。

建筑設(shè)備與建筑材料尹伯輝， 劉喜偉， 蔡茂江， 等：玻璃纖維復(fù)材筋GFB在預(yù)制梁場設(shè)計中的應(yīng)用

采用MIDAS/civil建立板單元模型進行模擬。板單元平面尺寸分別為0.25 m×0.25 m，垂直向基床系數(shù)kv=10000 kN/m3（圖2）。

2.1 鋼筋混凝土存梁臺座設(shè)計

臨時工程鋼筋混凝土構(gòu)件可僅按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，底板彎矩值采用基本組合值，基礎(chǔ)板底每延米寬度范圍內(nèi)配筋面積：

綜上，基礎(chǔ)板底縱橫向采用16 mm的HRB400鋼筋，間距13.5 cm，單位配筋面積1489 mm2/m，單個存梁臺座基礎(chǔ)鋼筋總長度2.4×19×2=91.2 m。

2.2 GFB混凝土存梁臺座設(shè)計

GFB混凝土構(gòu)件的裂縫寬度要求和撓度要求通常成為設(shè)計控制因素，因此復(fù)材筋混凝土構(gòu)件可首先進行正常使用極限狀態(tài)的計算，算得需要的復(fù)材筋的面積后，再進行承載能力極限狀態(tài)的驗算。

2.2.1 準(zhǔn)永久組合下設(shè)計

2.2.2 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計

3 配筋混凝土路面設(shè)計

梁場內(nèi)部道路按照雙向2車道布置，采用配筋混凝土路面，混凝土板寬度B=7 m，縱向設(shè)置橫縫，橫縫間距Ls=9 m，混凝土板面層厚度h=250 mm，底部鋪設(shè)厚度為200 mm的無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料。混凝土面板配筋主要目的并不是增加板的彎拉強度，而是抵抗混凝土道面板縱向收縮產(chǎn)生的斷裂，以及把已經(jīng)開裂的面板拉在一起，使斷裂面相互咬合進而保證板的結(jié)構(gòu)強度。

配筋混凝土面層的配筋量，主要依據(jù)平衡混凝土面層收縮受阻時產(chǎn)生的拉力需要。當(dāng)混凝土面層自兩端向中央收縮時，底層的摩阻力為混凝土的重力乘以它與基層的摩阻系數(shù)，這一摩阻力即作用于混凝土面層中央的拉力，并假定應(yīng)力沿面層斷面均勻分布，由配筋承受。

3.1 鋼筋混凝土路面設(shè)計

鋼筋混凝土路面設(shè)計按照J(rèn)TG D40-2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。該規(guī)范關(guān)于配筋計算采用為容許應(yīng)力法，規(guī)定鋼筋的容許應(yīng)力取0.75倍屈服強度［3］。

3.2 GFB混凝土路面設(shè)計

4 結(jié)束語

通過分析計算和實際應(yīng)用可知，將GFB取代鋼筋應(yīng)用于預(yù)制梁場臨時配筋混凝土構(gòu)件是可行的（圖5）。同時從經(jīng)濟性角度出發(fā)，采用GFB具有較強的優(yōu)勢。但是由于GFB蠕變斷裂的特性，加之當(dāng)前規(guī)范對臨時結(jié)構(gòu)并未有專門研究，因此實際配筋時仍采用較為保守的計算方法，配筋數(shù)量仍然較多。如果GFB蠕變斷裂性能研究更為明確判斷出，短期使用的臨時配筋混凝土構(gòu)件設(shè)計不受此影響，構(gòu)件配筋數(shù)量將更為減少，將具有更為明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

參考文獻

［1］ 華正良，GFRP筋連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

［2］ 纖維增強復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)： GB 50608-2020［S］.北京：中國計劃出版社，2020.

［3］ 公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范： JTG D40-2011［S］.北京：人民交通出版社，2011.