趙　晶

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司　廣州　510010)

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不銹鋼鋼筋混凝土在地鐵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙晶

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州510010)

摘要從鋼筋腐蝕壽命的角度出發(fā)說明不銹鋼鋼筋應(yīng)用于地鐵混凝土結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)勢；利用現(xiàn)有的8根不銹鋼鋼筋混凝土梁的正截面承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算對比，結(jié)果表明《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于梁正截面承載力的計(jì)算公式同樣也適用于不銹鋼鋼筋混凝土梁，且計(jì)算偏于安全，同時(shí)還給出不銹鋼鋼筋與普通鋼筋的對換表，方便不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)；比較分析縱向受拉鋼筋在不同應(yīng)力比下不銹鋼筋與普通鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度，得出在鋼筋應(yīng)力水平小于0.6的情況下，可以按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫計(jì)算；針對地鐵頂縱梁設(shè)計(jì)的耐腐蝕和造價(jià)兩個(gè)方面提出不銹鋼鋼筋與普通鋼筋混合使用的經(jīng)濟(jì)型構(gòu)造措施，同時(shí)給出不銹鋼鋼筋建議使用的地下環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，為不銹鋼鋼筋混凝土在地鐵設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；不銹鋼鋼筋；耐久性；正截面承載力；裂縫寬度；造價(jià)

作為城市公共交通系統(tǒng)中的骨干，地鐵建設(shè)周期長，投入大，對結(jié)構(gòu)主體的耐久性要求很高，一般設(shè)計(jì)使用壽命為100年。地鐵工程由于其環(huán)境的特殊性，混凝土所遭受的侵蝕比普通工程混凝土更復(fù)雜也更嚴(yán)酷，其主體結(jié)構(gòu)往往處于地下水豐富、透水性強(qiáng)的地層中，受到其中富含的氯離子等介質(zhì)的侵蝕，再加上碳化及干濕環(huán)境的交替作用，在很大程度上加劇了侵蝕的發(fā)展。

導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題可以分為鋼筋和混凝土兩大類因素，其中鋼筋的銹蝕是影響地鐵結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。

1研究現(xiàn)狀

地鐵車站一般在地層淺表下埋設(shè)，易受地下水中腐蝕介質(zhì)的影響。黃文新[1]等首次針對廣州地鐵混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行深入研究。通過抽取廣州地鐵5號線的216個(gè)地下水水樣，總結(jié)出地下水對混凝土構(gòu)件的鋼筋腐蝕性評價(jià)為：少部分地段有中等腐蝕性，大部分地段有弱腐蝕性，且主要是氯離子超標(biāo)的單因素腐蝕。梅祖明[2]等根據(jù)400多個(gè)地下水的檢測數(shù)據(jù)，研究了上海地區(qū)地下水對混凝土和鋼筋的腐蝕性,結(jié)果表明：上海大多數(shù)區(qū)域的地下水對混凝土無腐蝕性，但對鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，而受海水侵入的沿海區(qū)以及受環(huán)境污染的市中心區(qū)等地下水呈現(xiàn)更高等級的腐蝕性。劉偉佳[3]等進(jìn)行了室內(nèi)污水入滲試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：土壤氯離子增量隨地下水埋深增加而增大，地下水中氯離子濃度隨地下水埋深增加而減少，埋深越淺，氯離子污染地下水環(huán)境的程度越大。

常規(guī)的提高混凝土耐久性的方法如增加混凝土的密實(shí)性、增大混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度、對鋼筋進(jìn)行改良或采用特殊措施都無法從根本上避免氯化物等侵蝕介質(zhì)與鋼筋的接觸，且施工過程復(fù)雜，施工質(zhì)量不容易保證。不銹鋼鋼筋是解決腐蝕環(huán)境下混凝土耐久性問題的理想材料。依據(jù)選擇材料級別的不同，不銹鋼鋼筋的耐蝕性可以達(dá)到普通鋼筋的幾百倍。目前我國已經(jīng)頒布了YB/T 4362—2014《鋼筋混凝土用不銹鋼鋼筋》冶金部標(biāo)準(zhǔn)，且我國是不銹鋼生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國，材料標(biāo)準(zhǔn)和材料規(guī)格都比較完備。

目前對不銹鋼鋼筋混凝土性能的研究還非常少。耿會濤[4]進(jìn)行了不銹鋼鋼筋混凝土試件和普通鋼筋混凝土試件的黏結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明不銹鋼鋼筋與混凝土具有良好的黏結(jié)性能。同時(shí)也進(jìn)行了不銹鋼鋼筋混凝土梁構(gòu)件和普通鋼筋混凝土梁構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力試驗(yàn)，驗(yàn)證了平截面假定對于不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件仍然適用。張國學(xué)[5]等進(jìn)行了3根不銹鋼鋼筋混凝土梁和1根普通鋼筋混凝土梁的對比試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：與普通鋼筋混凝土梁相比，不銹鋼鋼筋混凝土梁的極限承載力和裂縫寬度為0.3 mm時(shí)對應(yīng)的荷載值均有所提高，但增加幅度較小。張國學(xué)[6]等人對3根不銹鋼鋼筋混凝土柱和1根普通鋼筋混凝土柱的試件進(jìn)行了壓彎靜力試驗(yàn)。模擬在豎向荷載作用下，受水平地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表明：不銹鋼鋼筋混凝土柱的延性大于普通鋼筋混凝土柱，且前者破壞程度比后者輕，前者的初始剛度、承載能力、屈服位移和破壞位移較后者大，說明不銹鋼鋼筋混凝土柱具有良好的抗震性能。

筆者將基于不銹鋼鋼筋的材料特點(diǎn)，對不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的耐久性性能、正截面承載力、裂縫計(jì)算和造價(jià)方面進(jìn)行研究，最后針對受干濕交替及地下水腐蝕影響最顯著的地下車站頂板主受力框架縱梁設(shè)計(jì)，提出合理的構(gòu)造措施，并建議不銹鋼鋼筋使用地下環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，旨在為不銹鋼鋼筋混凝土在地鐵設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2耐腐蝕性能

黃文新等通過回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)后整理的關(guān)于鋼筋腐蝕壽命預(yù)測公式，有

C=atb

(1)

式中：C為界限氯離子濃度值；t為達(dá)到極限氯離子濃度時(shí)間；水中氯離子濃度為350 mg/L，在常溫20 ℃干濕交替養(yǎng)護(hù)，實(shí)驗(yàn)回歸得a=0.013 56，b=0.209 62。

根據(jù)式(1)可以算得，對干濕交替環(huán)境下地鐵車站頂縱梁結(jié)構(gòu)，氯離子擴(kuò)散至外層鋼筋達(dá)臨界濃度時(shí)，需要37.8年，也就是說在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的后2/3時(shí)間段內(nèi)，鋼筋會開始腐蝕并逐漸變得顯著，影響地鐵結(jié)構(gòu)使用100年或更長時(shí)間。陳龍[7]等進(jìn)行了不銹鋼與普通碳素鋼臨界氯離子濃度的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：奧氏體不銹鋼鋼筋304L的臨界氯離子濃度為1.2 mol/L，而Q235鋼筋的臨界氯離子濃度為0.06 mol/L。不銹鋼鋼筋的臨界氯離子濃度是普通碳鋼的20倍。在混凝土表面氯離子濃度及氯離子擴(kuò)散系數(shù)不變的前提下，不銹鋼鋼筋開始銹蝕所需時(shí)間增加20倍，即在地鐵設(shè)計(jì)的最低使用年限及更長時(shí)間內(nèi)，基本不會發(fā)生腐蝕。楊峰[8]等對S32304不銹鋼鋼筋的耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：在鹽霧狀態(tài)下，不銹鋼鋼筋的抗氯鹽能力是普通鋼筋的900倍左右；而在干濕交替循環(huán)試驗(yàn)條件下，在混凝土內(nèi)部不銹鋼鋼筋對氯離子的腐蝕界限至少是普通鋼筋的20倍。

從上述對比可以看出，不銹鋼鋼筋混凝土如應(yīng)用在地下埋深較淺、受干濕交替及地下水腐蝕影響較大的地鐵車站部位，在耐腐蝕性能方面具有非常明顯的優(yōu)勢。

3梁的正截面承載設(shè)計(jì)

3.1材料力學(xué)性能特點(diǎn)

與普通鋼筋相比不銹鋼鋼筋最大的特點(diǎn)就是材料的強(qiáng)非線性，以及由此引起的材料強(qiáng)冷加工硬化特性，除此之外不銹鋼材料還具有延伸率高(普通鋼材的延伸率約為20%～30%，不銹鋼的延伸率為40%～60%)、屈強(qiáng)比低等特點(diǎn)。典型的不銹鋼材料應(yīng)力應(yīng)變曲線與低碳鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比見圖1。

圖1　不銹鋼鋼筋與碳素鋼筋拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線比較

大量的研究表明[9-10]，對于名義屈服點(diǎn)前的不銹鋼材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以采用Ramberg-Osgood公式表達(dá)

(2)

式中：ε和σ為工程應(yīng)變和工程應(yīng)力；E0為初始彈性模量；n為應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)，一般采用材料力學(xué)性能試驗(yàn)獲得的σ0.01與σ0.2求出。

對于名義屈服點(diǎn)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，各國學(xué)者提出了很多模型[11]，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，Gardner[12]提出的直線簡化模型更加實(shí)用。對于奧氏體型和雙相型不銹鋼，直線簡化模型的斜率表達(dá)為

(3)

式中：Esh為強(qiáng)化段的斜率；σ0.2為名義屈服強(qiáng)度；ε0.2為名義屈服應(yīng)變；σu為極限抗拉強(qiáng)度；εu為極限拉應(yīng)變。

3.2梁的正截面承載力

已有學(xué)者試驗(yàn)研究表明，不銹鋼鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能與普通鋼筋混凝土相近，且平截面假定也適用于不銹鋼鋼筋混凝土梁。即不銹鋼鋼筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁在正截面承載力方面的差別僅在于不銹鋼鋼筋與普通鋼筋不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

不銹鋼鋼筋沒有明顯的屈服平臺，GB 50010—2010

式(3)可以看出，當(dāng)受拉區(qū)縱向不銹鋼鋼筋的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度以后，應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力也在增加，進(jìn)而其承載力可以繼續(xù)提高。因此，在偶然荷載作用的情況下與普通碳素鋼筋混凝土梁相比，不銹鋼鋼筋混凝土梁尚有一定的安全儲備。

3.3與普通鋼筋混凝土梁鋼筋的置換

YB/T 4362—2014《鋼筋混凝土用不銹鋼鋼筋》給出了7種不銹鋼鋼筋的牌號及化學(xué)成分，其中奧氏體型4種，其統(tǒng)一數(shù)字代號分別為S30408、S30453、S31608以及S31653；奧氏體-鐵素體型(雙相型)兩種，其統(tǒng)一數(shù)字代號分別為S32304和S22253；鐵素體型1種，其統(tǒng)一數(shù)字代號為S11203。從耐腐蝕性能力方面《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于沒有明顯屈服平臺的鋼筋混凝土構(gòu)件,除受壓區(qū)高度系數(shù)限值與普通鋼筋混凝土梁有所不同外,其余要求相近。采用規(guī)范中的規(guī)定,對搜集到的8根不銹鋼鋼筋混凝土梁進(jìn)行了計(jì)算對比,計(jì)算結(jié)果見表1。表中fck為試驗(yàn)測得的混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;σ0.2為實(shí)測的不銹鋼鋼筋名義屈服應(yīng)力;ξ為相對受壓區(qū)高度;ξb為相對界限受壓區(qū)高度;Mu,t為實(shí)測正截面極限承載力；Mu，c為按規(guī)范計(jì)算的正截面極限承載力。

表1　不銹鋼鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

從表1中計(jì)算結(jié)果可以看出，總體上不銹鋼鋼筋混凝土的試驗(yàn)承載力高于規(guī)范給出的計(jì)算值，兩者的比值平均值約為1.13。

同時(shí)，隨著不銹鋼鋼筋名義屈服強(qiáng)度的提高，試驗(yàn)值與規(guī)范計(jì)算值有下降的趨勢，也使得混凝土的界限受壓區(qū)高度系數(shù)降低。從數(shù)據(jù)來看，文獻(xiàn)[13]中混凝土梁的計(jì)算受壓區(qū)高度系數(shù)大于臨界值，故其按規(guī)范的計(jì)算值偏低。在計(jì)算中均采用材料強(qiáng)度的實(shí)測值，當(dāng)考慮了抗力分項(xiàng)系數(shù)對不銹鋼鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度進(jìn)行折減后，計(jì)算結(jié)果均偏于安全。

因此，按照現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算不銹鋼鋼筋混凝土梁的正截面極限承載力是可行的。對于普通鋼筋混凝土梁，當(dāng)受拉區(qū)縱向鋼筋屈服以后繼續(xù)加載，鋼筋應(yīng)變會繼續(xù)增大，而應(yīng)力保持不變，其承載力提高幅度有限；而對于不銹鋼鋼筋混凝土梁，從區(qū)分，從高到低依次為：奧氏體-鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼和鐵素體型不銹鋼。

根據(jù)不銹鋼鋼筋的屈服強(qiáng)度特征值將不銹鋼鋼筋劃分為3級，分別為300、400、500級，鋼筋級別的構(gòu)成見表2。對于熱軋光圓不銹鋼鋼筋的公稱直徑范圍為6～22 mm，熱軋帶肋不銹鋼鋼筋的公稱直徑范圍為6～50 mm。

表2　不銹鋼鋼筋級別的構(gòu)成

按照現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算不銹鋼鋼筋混凝土梁的正截面極限承載力是可行的。為了方便不銹鋼鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)，表3列出了不銹鋼鋼筋與普通碳素鋼筋的置換，其置換原則是兩者具有相同的屈服強(qiáng)度。

表3　不銹鋼鋼筋與普通碳素鋼筋的置換

從梁正截面承載力角度，可以將不銹鋼鋼筋混凝土梁按普通鋼筋混凝土梁來設(shè)計(jì)，只需將普通鋼筋根據(jù)表3按等面積替換為不銹鋼鋼筋即可。

4梁的裂縫寬度計(jì)算

不銹鋼鋼筋與混凝土具有良好的黏結(jié)性能，其黏結(jié)性能與普通鋼筋混凝凝土相近。在混凝土裂縫方面可參照普通鋼筋混凝土進(jìn)行，受不銹鋼鋼筋材料強(qiáng)度非線性的影響，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的參數(shù)需要調(diào)整。普通鋼筋混凝土最大裂縫寬度計(jì)算，有

(4)

式中：αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為縱向受拉鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；Cs為縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為縱向受拉鋼筋的等效直徑。

式(4)中σs/Es反映的是普通鋼筋的應(yīng)變，對于普通鋼筋Es為常數(shù)，而不銹鋼鋼筋由于其較強(qiáng)的非線性，Es不是固定值，其隨應(yīng)力的增大而降低，其應(yīng)變應(yīng)根據(jù)式(2)計(jì)算。為了定量比較兩者裂縫寬度的差異，下面以地鐵車站頂縱梁設(shè)計(jì)常用主筋HRB400鋼筋和可等強(qiáng)代換HRB400S不銹鋼鋼筋為例，給出不同應(yīng)力比下不銹鋼鋼筋與普通鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度之比。取不銹鋼鋼筋的應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n=5，初始彈性模量E0=1.93×105MPa。計(jì)算結(jié)果見表4，其中，α代表鋼筋應(yīng)力比(即鋼筋應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比)；β代表不銹鋼鋼筋與普通鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度之比。兩者裂縫寬度之比與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線見圖2。

表4　不同應(yīng)力比下的最大裂縫寬度之比

圖2　裂縫寬度比隨著鋼筋應(yīng)力水平變化曲線

由圖2可知，不銹鋼鋼筋與普通混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度比隨著鋼筋應(yīng)力比的增加呈非線性增長，開始增長緩慢，后期發(fā)展較快。當(dāng)鋼筋應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度時(shí)，二者之比達(dá)到2.0左右。正常使用條件下，鋼筋混凝土梁中鋼筋應(yīng)力水平會低于鋼筋屈服強(qiáng)度。當(dāng)正常使用極限狀態(tài)下鋼筋的應(yīng)力水平低于0.6時(shí)，可近似認(rèn)為不銹鋼鋼筋混凝土裂縫與普通鋼筋混凝土相同，當(dāng)正常使用極限狀態(tài)下鋼筋的應(yīng)力水平高于0.6時(shí)，需根據(jù)不銹鋼鋼筋的應(yīng)變式(2)計(jì)算，用式(4)校核。

5地鐵設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)型構(gòu)造措施

奧氏體型不銹鋼鋼筋的價(jià)格大約為普通鋼筋價(jià)格的5～6倍。因此，在地鐵結(jié)構(gòu)中完全采用不銹鋼鋼筋代替低碳鋼鋼筋，雖然從根本上解決了結(jié)構(gòu)的耐久性問題，但會造成工程造價(jià)的大幅上升，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降。為了保證較好的耐腐蝕性能，同時(shí)控制造價(jià)在合理范圍內(nèi)，可以將不銹鋼鋼筋與碳素鋼筋結(jié)合使用，在外層布置不銹鋼鋼筋，內(nèi)側(cè)布置碳素鋼筋。外側(cè)的不銹鋼鋼筋抵抗外界環(huán)境的侵蝕，內(nèi)層鋼筋保護(hù)層厚度大，且裂縫寬度小，保證了結(jié)構(gòu)的耐久性，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

以筆者進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)的某地鐵車站頂板縱梁為例，該梁的截面尺寸為1 200 mm×1 800 mm，混凝土采用C35混凝土，負(fù)彎矩區(qū)梁頂配置26根Ф32鋼筋，梁底配置21根Ф32鋼筋，跨中梁頂配置13根Ф32鋼筋，梁底配置21根Ф32鋼筋。其他箍筋和拉結(jié)筋見圖3。

圖3　不銹鋼筋與普通鋼筋的結(jié)合使用

在地鐵設(shè)計(jì)中頂縱梁配筋一般以裂縫控制，鋼筋應(yīng)力水平相對較低，因此可以認(rèn)為在同縱向框架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果下，等面積替換最外層低應(yīng)力水平的縱向受力鋼筋，計(jì)算最大裂縫寬度不變，即仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

按照混凝土300元/m3，普通鋼筋平均2 500元/t，不銹鋼鋼筋平均15 000元/t計(jì)算，對配置不同類型的配筋方案進(jìn)行核算與比較，詳見表5。

表5　不同配筋方案的造價(jià)比較(標(biāo)準(zhǔn)跨長)　元

從表5中可以看出，采用不銹鋼鋼筋替換梁內(nèi)的全部鋼筋，會造成工程造價(jià)的大幅上升，達(dá)到原來造價(jià)的4.2倍。當(dāng)僅對迎水面的梁頂受拉縱筋進(jìn)行替換時(shí)，工程造價(jià)上升29%，同時(shí)結(jié)構(gòu)耐久性大幅上升。從經(jīng)濟(jì)性角度和結(jié)構(gòu)耐久性出發(fā)，在具有一定腐蝕環(huán)境的地區(qū)，采用不銹鋼鋼筋替換梁頂受拉縱筋能夠在造價(jià)小幅上升后仍然具有良好的結(jié)構(gòu)性能。

6地鐵設(shè)計(jì)中不銹鋼鋼筋的使用環(huán)境建議

按照Fick第二擴(kuò)散定律，可將結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度、擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散時(shí)間等聯(lián)系起來，按下式計(jì)算

(5)

式中：[Cl-]為鋼筋開始銹蝕時(shí)周邊氯離子的臨界濃度，可參照歐洲D(zhuǎn)uracrete設(shè)計(jì)規(guī)范[14]取用，見表6；C0和Cs為混凝土結(jié)構(gòu)初始氯離子濃度和表面氯離子濃度；DCl-為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，按文獻(xiàn)[15]取0.6×10-4m2/s；c為保護(hù)層厚度；t為擴(kuò)散時(shí)間。erf(z)為高斯誤差函數(shù)，可查表或按式(6)計(jì)算。

表6　氯離子臨界濃度均值　%

(6)

以地鐵頂縱梁為例，按設(shè)計(jì)使用年限100年，外層鋼筋保護(hù)層厚度為45 mm，代入式(5)，得到

(7)

初始氯離子濃度C0按GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定取用，見表7。

表7　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中拌合物氯離子最大含量

利用式(7)結(jié)果，可以判斷地鐵頂縱梁外層鋼筋在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)是否銹蝕。水灰比閾值取0.4，在長期浸水與干濕交替環(huán)境下表面穩(wěn)態(tài)后氯離子濃度分別為3.2%(960 mg/L)、1.1%(330 mg/L)。

GB 50021巖土工程勘察規(guī)范關(guān)于地下水中氯離子含量對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性評價(jià)見表8。

表8　對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性評價(jià)

根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律反推出在干濕交替環(huán)境下，表面氯離子濃度限值約為弱腐蝕等級(100～500 mg/L)中位值?？紤]實(shí)際保護(hù)層厚度及水灰比存在的變化，對干濕交替環(huán)境下，地下水腐蝕等級不低于弱腐蝕的地鐵結(jié)構(gòu)，建議構(gòu)件迎水面采用不銹鋼鋼筋；對于長期浸水環(huán)境下的地鐵結(jié)構(gòu)，為防止地下水通過裂縫加速滲透至外層鋼筋，構(gòu)件迎水面宜采用不銹鋼鋼筋，同時(shí)在設(shè)計(jì)施工上嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度。

7結(jié)論

1) 不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件與普通鋼筋混凝土構(gòu)件相比具有良好的耐腐蝕能力；

2) 按照現(xiàn)行的GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算不銹鋼鋼筋混凝土梁的正截面極限承載力是可行的，且在偶然荷載作用下，與普通碳素鋼筋混凝土梁相比，不銹鋼鋼筋混凝土梁尚有一定的安全儲備；

3) 不銹鋼鋼筋與普通混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度隨著鋼筋應(yīng)力比的增加呈非線性增長，開始增長緩慢，后期增長較快。對于鋼筋應(yīng)力水平低于0.6的構(gòu)件，可以采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，需根據(jù)應(yīng)變對裂縫寬度進(jìn)行校核。

4) 為了利用不銹鋼鋼筋的耐腐蝕性能，又不至于造價(jià)過高，可以將不銹鋼鋼筋與普通鋼筋混合使用，獲得更好的經(jīng)濟(jì)與安全效益。

5) 建議在干濕交替環(huán)境下，地下水對鋼筋具有不低于弱腐蝕等級的地鐵結(jié)構(gòu)，構(gòu)件迎水面可采用不銹鋼鋼筋；對長期浸水環(huán)境下特別重要的地鐵結(jié)構(gòu)，構(gòu)件迎水面宜采用不銹鋼鋼筋。

不銹鋼鋼筋混凝土在具有一定腐蝕性介質(zhì)的地鐵工程中具有良好的應(yīng)用前景。但目前制約不銹鋼鋼筋混凝土應(yīng)用的兩大關(guān)鍵因素是不銹鋼鋼筋的價(jià)格以及不銹鋼鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)方法，因此尋找高性能的不銹鋼鋼筋和改進(jìn)設(shè)計(jì)方法是當(dāng)務(wù)之急。

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(編輯：郝京紅)

Application of Stainless Steel Reinforced Concrete in Metro Design

Zhao Jing

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010)

Abstract:The advantages of stainless steel rebar in metro structure are proposed from the research on corrosion of rebar; calculation of the test data of normal section bearing capacity of eight stainless steel reinforced concrete beams indicates that the calculation formula proposed in“Code for Design of Concrete Structures” is also applicable for stainless steel reinforced concrete beam as well as general safety; the exchange design table of normal rebar and stainless steel rebar is put forward for metro design; by analyzing the maximum crack width of normal reinforced concrete and stainless steel reinforced concrete, it is proved that crack width of stainless steel reinforced concrete is close to normal reinforced concrete when the ratio of the steel stress is less than 0.6; the mixed usage of normal rebar and stainless steel rebar is discussed in metro design from the aspects of durability and cost; and underground environment for the application of stainless steel rebar is proposed, which is of guiding significance to the subsequent metro construction.

Key words:urban rail transit; stainless steel rebar; durability; normal section bearing capacity; crack width; cost

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.017

收稿日期:2016-01-06修回日期: 2016-01-22

作者簡介:趙晶，男，碩士，工程師，從事軌道交通地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，zhaojing@dtsjy.com

中圖分類號U231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1672-6073(2016)03-0069-06