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鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片可行性分析工學(xué)論文
【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(guó)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(guó)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：
�、儆休^高的拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度；
�、谟休^好的韌性及耐沖擊性；
�、塾休^強(qiáng)的約束裂紋擴(kuò)展能力，變形能大；
�、苡袠O好的耐磨性能及較好的抗凍融性和耐熱性；
�、葸吘壓娃D(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（f）有關(guān)。對(duì)于盾構(gòu)管片，f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(guó)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818螺紋鋼筋，配筋率為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814螺紋筋，鋼纖維摻量為30kg/m3，另一種為上下截面各配812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(guó)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(guó)內(nèi)被廣泛采用是一種趨勢(shì)，若國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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。
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