鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片可行性分析

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【摘　要】　通過鋼纖維混凝土的力學(xué)性能和簡(jiǎn)要概算,分析了鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的優(yōu)勢(shì)所在,得出鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片應(yīng)用的可行性。【關(guān)鍵詞】　鋼纖維;　盾構(gòu)管片;　可行性

  進(jìn)入21世紀(jì),我國在北京、上海、廣州、南京等大城市進(jìn)行著大規(guī)模的地鐵建設(shè),并且有相當(dāng)一部分標(biāo)段采用盾構(gòu)法施工。由于盾構(gòu)隧道施工技術(shù)可以最大限度的減少對(duì)城市其他設(shè)施的影響,所以正逐漸成為地鐵隧道施工的主流技術(shù)。   目前的盾構(gòu)管片主要以鋼筋混凝土管片為主,而在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),一般1.2m寬的A型鋼筋混凝土管片重量約為4t,運(yùn)輸和安裝中容易破損和開裂,管片的破損和裂縫對(duì)隧道的安全性和耐久性產(chǎn)生不利影響,這是盾構(gòu)法中較棘手但又必須解決的問題。研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摻入鋼纖維后的混凝土具有良好的力學(xué)性能,能較好地解決以上的問題,在國外已有采用鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的實(shí)例。但鋼纖維材料較高的價(jià)格,是其應(yīng)用的主要制約因素,本文就其可行性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。   1鋼纖維混凝土的力學(xué)性能   鋼纖維混凝土(SteelFiberReinforcedConcrete,簡(jiǎn)稱SFRC)是一種多向復(fù)合建筑材料,與普通混凝土相比,鋼纖維混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)有:   ①有較高的拉伸強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度;   ②有較好的韌性及耐沖擊性;   ③有較強(qiáng)的約束裂紋擴(kuò)展能力,變形能大;   ④有極好的耐磨性能及較好的抗凍融性和耐熱性;   ⑤邊緣和轉(zhuǎn)角部位的碎裂少,不易產(chǎn)生爆裂。   2鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的優(yōu)勢(shì)   2.1承載能力提高   (1)鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂后即失去作用,而開裂后的鋼纖維混凝土還能承受一部分拉力;   (2)通常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循的原則是按承載能力極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì),按正常使用極限狀態(tài)法驗(yàn)算。而鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度的驗(yàn)算公式[1]為:式中:   wfmax———按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長(zhǎng)期作用影響計(jì)算的鋼筋鋼纖維混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度;   wmax———同等級(jí)鋼筋混凝土,按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的構(gòu)件的最大裂縫寬度;   βcw———鋼纖維對(duì)構(gòu)件裂縫寬度的影響系數(shù),對(duì)于偏心受壓結(jié)構(gòu),βcw=0.35;   λf———鋼纖維的特征參數(shù),,,與鋼纖維長(zhǎng)徑比(L/D)、體積率(ρf)有關(guān)。對(duì)于盾構(gòu)管片,ρf一般為0.4%~0.6%。   因此在同樣內(nèi)力條件下,計(jì)算所需的含鋼量將明顯減少(從表1可以看出),也就是說,在同樣配筋情況下,鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的承載力將顯著提高。   2.2安全性和耐久性   對(duì)于地下結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)物的碳化以及侵蝕性介質(zhì)的腐蝕是影響其耐久性的重要因素,此外,地鐵隧道中雜散電流的電化學(xué)腐蝕也是其重要的影響因素。   雜散電流的腐蝕主要通過電化學(xué)反應(yīng),在鋼筋與混凝土的界面處產(chǎn)生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽,使結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。在電流離開鋼筋返回混凝土的部位,鋼筋呈陽極并發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物在陽極處的堆積產(chǎn)生機(jī)械脹力而使混凝土開裂。這同自然環(huán)境下的鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹脹力使混凝土開裂的機(jī)理相同。   因此,混凝土中的鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最主要因素。   試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[2],快速碳化齡期為28d(在正常大氣條件下,混凝土自然存放齡期50年的自然碳化深度,相當(dāng)于按國家標(biāo)準(zhǔn)方法快速碳化28d的碳化深度)時(shí),纖維混凝土的碳化深度比素混凝土的碳化深度小,大約降低了50%;鋼纖維摻量為30kg/m3時(shí),鋼纖維混凝土的銹脹開裂時(shí)間大約是素混凝土開裂時(shí)間的1.5倍,在保護(hù)層厚度、鋼筋直徑不變的情況下,當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到60kg/m3時(shí),保護(hù)層開裂時(shí)間是0摻量的1.7倍,故摻入纖維可以延長(zhǎng)鋼筋混凝土的使用壽命。   2.3鋼纖維混凝土管片成本   2.3.1初期投資成本   現(xiàn)以北京地鐵某標(biāo)段的盾構(gòu)管片為例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,假設(shè)整環(huán)管片的截面配筋情況相同。原設(shè)計(jì)的A型鋼筋混凝土管片內(nèi)半徑Ri為2.7m,厚300mm,寬度1.2m,上下截面各配8Φ18螺紋鋼筋,配筋率ρ為1.13%。采用鋼纖維混凝土管片進(jìn)行設(shè)計(jì),有兩種選擇方案:一種為管片厚度不變,截面配筋為8Φ14螺紋筋,鋼纖維摻量為30kg/m3,另一種為上下截面各配8Φ12螺紋筋,鋼纖維摻量為40kg/m3。依次記以上三種方案為①、②、③,實(shí)際中材料單價(jià)比為砼(m3):鋼筋(t):鋼纖維(t)=1:8:20。由于土石方量相差不大,故不考慮在內(nèi)。以混凝土單價(jià)350元/m3計(jì),在此僅計(jì)材料費(fèi)用,其他費(fèi)用假定相同,其初期投資概算(每環(huán))見表1。由上表可見,采用鋼纖維混凝土管片其總投資增加并不明顯,與鋼筋混凝土管片相比,②、③方案所需追加的投資分別為原鋼筋混凝土管片項(xiàng)目投資的7.2%和9.2%。   2.3.2全壽命周期成本   雖然鋼纖維混凝土初期投資成本有所增加,但摻加鋼纖維后,由于混凝土抗沖擊性和抗拉強(qiáng)度的提高,管片發(fā)生破損從而導(dǎo)致滲漏的情況將大幅減少,從而降低防水堵漏成本和長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用;同時(shí),鋼纖維混凝土的耐久性亦優(yōu)于鋼筋混凝土,因而能使該項(xiàng)工程的使用壽命得以延長(zhǎng)。從地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)及配套設(shè)備的全壽命周期成本考慮,采用鋼纖維混凝土管片在經(jīng)濟(jì)上是可行的。   2.3.3鋼纖維價(jià)格預(yù)測(cè)   制約鋼纖維應(yīng)用的主要因素是鋼纖維的價(jià)格。由于目前鋼纖維價(jià)格昂貴,在我國只用在部分重點(diǎn)工程或部分工程的重點(diǎn)部位,因此鋼纖維需求量并不大,現(xiàn)有的鋼纖維生產(chǎn)廠家就能滿足需求量。但鋼纖維在國內(nèi)被廣泛采用是一種趨勢(shì),若國內(nèi)的鋼纖維出現(xiàn)了明顯的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)態(tài),勢(shì)必會(huì)引起優(yōu)質(zhì)鋼纖維的價(jià)格下降。   據(jù)悉,國內(nèi)比較優(yōu)秀的鋼纖維多在7000~8000元/噸,貝卡鋼纖維報(bào)價(jià)為14000~15000元/噸,但是貝卡鋼纖維在國外的報(bào)價(jià)卻大約折合人民幣在6000~7000元/噸,因此在價(jià)格上存在較大的彈性。如果鋼纖維價(jià)格能有所降低,鋼纖維混凝土質(zhì)構(gòu)管片的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。   3　結(jié)　論   綜上所述,鋼纖維混凝土管片作為一種新型的盾構(gòu)管片,具有比普通鋼筋混凝土管片優(yōu)越的性能,從地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用及配套設(shè)施的全壽命周期成本考慮,采用鋼纖維混凝土管片是可行的。另一方面,建設(shè)部門在考慮鋼纖維混凝土的應(yīng)用時(shí),不應(yīng)只計(jì)一次性投資,而應(yīng)考慮節(jié)省的間接費(fèi)用,鋼纖維混凝土的優(yōu)良使用性能,較低的維修費(fèi)用和使用壽命延長(zhǎng)所取得的綜合經(jīng)濟(jì)效益。其潛在價(jià)值不可低估。     參考文獻(xiàn)   [1]　CECS38:2004鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2004:27-28.   [2]　潘慧敏.鋼纖維混凝土碳化和鋼筋銹蝕性能研究[D].西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文,2006.