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【摘 要】 基于盾构隧道衬砌常见的工况，分别计算了钢纤维混凝土管片以及普通钢筋混凝土管片正截面受力钢筋用量。用此钢筋用量前者相对后者的经济性。探讨了混凝土保护层厚度、钢筋抗拉强度设计值、管片厚度、基体混凝土抗压强度设计值、设计偏心距等参数对钢纤维混凝土经济性的影响。
【关键词】 钢纤维混凝土；盾构管片；钢筋用量；经济性；影响因素
1、引言
目前，我国地铁建设如火如荼地进行，地铁区间隧道大多采用盾构法施工，其衬砌形式为预制钢筋混凝土管片。它具有强度高、易加工、耐腐蚀、造价低的优点和自重大、易缺角、易裂缝的明显缺点。
钢纤维混凝土具有良好的抗拉、抗剪、抗弯、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀等性能。在同等条件下，钢纤维的加入可以减小钢筋的用量，体现其经济性。
本文将对相同条件下的普通钢筋混凝土和钢纤维混凝土隧道盾构管片进行配筋计算。计算内容为按正截面承载能力极限状态配置纵向受力筋，按裂缝宽度验算要求反推正截面纵向受力筋用量。用此钢筋用量衡量钢纤维混凝土管片的经济性。通过对比不同设计参数下的计算结果，明确某种设计参数对此经济性地影响。
2、配筋计算
2.管片尺寸
外直径，内直径，宽，厚t=0.35m。
2.2材料
钢筋HRB400；基体混凝土C50；钢纤维lf=40mm，df=0.6m，
2.3配筋计算
荷载设计值：
，
具体计算步骤参见有关规范，计算结果见表1。
2.4调整设计参数
2.4.1将混凝土保护层厚度a由50mm改为40mm；
2.4.2将钢筋抗拉强度设计值fy由360MPa改为435MPa；
2.4.3将管片厚t由350mm改为400mm；
2.4.4将基体混凝土抗压强度fc由C50改为C60；
2.4.5将设计偏心距由447.8mm改为246.6mm。
计算表明，在给定参数下，受压钢筋用量绝大多数由最小配筋率控制，不能很好地体现钢纤维混凝土管片经济性，故在后文不作探讨。
计算还表明，钢筋实际用量由于考虑了钢筋规格，与理论钢筋用量存在差异。为了能单一地反映管片材料性质对配筋量的影响，在此仅对比钢筋理论用量。
故后文所指钢筋用量均系受拉钢筋理论用量。
3、结论
3.正截面承载能力计算配筋量比较
由表1知，钢纤维混凝土与普通钢筋混凝土按正截面承载能力计算得到的受拉钢筋用量差异显著，同样的荷载下，前者所需受拉钢筋用量明显少于后者，前者的经济性得到了充分体现。这主要是由于前者混凝土受拉区能够参与受力。但是，计算结果还表明，在多数情况下，正截面承载能力不对最终的受拉钢筋用量起控制作用。
3.2裂缝宽度计算结果比较
由表1知，钢纤维混凝土与普通混凝土按裂缝宽度配筋的结果存在差异，但不如按正截面承载能力计算的结果差异显著。要使管片裂缝宽度满足同样的要求，前者所需受拉钢筋少于后者，前者的经济性得到了较好体现。计算结果还表明，满足裂缝宽度验算所需的配筋量多于满足正截面承载能力所需的配筋量，裂缝宽度对最终的受拉钢筋用量起控制作用。
不同设计参数对配筋量的影响
3.2.1混凝土保护层厚度a
由表1知，混凝土保护层厚度的减小对钢筋用量的减少有利。但当它减小20%后，钢筋节省量由8.9%变为4.9%，减少了4%。可见，混凝土保护层厚度越小越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，并且它的影响不显著。
3.2.2钢筋抗拉强度设计值fy
由表1知，钢筋抗拉强度设计值的增大对钢筋用量的减少没有影响。当它增大20.8%后，受拉钢筋节省量不变。可见，它对钢纤维混凝土经济性的体现无影响。
3.2.3管片厚度t
由表1知，管片厚度的增加对钢筋用量的减少有利。当它增大14.3%后，受拉钢筋节省量不变。可见，它对钢纤维混凝土优势经济性的体现无影响。
3.2.4基体混凝土抗压强度设计值fc
由表1知，基体混凝土抗压强度设计值的增加对钢筋用量的减少有利。当它增加19%后，受拉钢筋节省量由8.9%变为3.7%，减少了5.2%。可见，基体混凝土抗压强度设计值越大越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，但它的影响不显著。
3.2.5设计偏心距
由表1知，设计偏心距的减少对钢筋用量的减少有利。当它减小44.9%后，受拉钢筋节省量由8.9%变为8.7%，减少了0.2%。可见，设计偏心距越小越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，但它的影响不显著。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]中国工程建设标准化协会标准.CECS38-2004纤维混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004
[3]李乔主编.混凝土结构设计原理（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2013
[4]李志业，曾艳华主编.地下结构设计原理与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2003
[5]任旺.成都地鐵盾构隧道荷载分布研究[D].成都：西南交通大学土木工程学院，2009
[6]Working Group No.2， International Tunnelling Association. Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining. Tunnelling and Underground Space Technology ，Vol.15， No.3， P303～331， 2000
【关键词】 钢纤维混凝土；盾构管片；钢筋用量；经济性；影响因素
1、引言
目前，我国地铁建设如火如荼地进行，地铁区间隧道大多采用盾构法施工，其衬砌形式为预制钢筋混凝土管片。它具有强度高、易加工、耐腐蚀、造价低的优点和自重大、易缺角、易裂缝的明显缺点。
钢纤维混凝土具有良好的抗拉、抗剪、抗弯、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀等性能。在同等条件下，钢纤维的加入可以减小钢筋的用量，体现其经济性。
本文将对相同条件下的普通钢筋混凝土和钢纤维混凝土隧道盾构管片进行配筋计算。计算内容为按正截面承载能力极限状态配置纵向受力筋，按裂缝宽度验算要求反推正截面纵向受力筋用量。用此钢筋用量衡量钢纤维混凝土管片的经济性。通过对比不同设计参数下的计算结果，明确某种设计参数对此经济性地影响。
2、配筋计算
2.管片尺寸
外直径，内直径，宽，厚t=0.35m。
2.2材料
钢筋HRB400；基体混凝土C50；钢纤维lf=40mm，df=0.6m，
2.3配筋计算
荷载设计值：
，
具体计算步骤参见有关规范，计算结果见表1。
2.4调整设计参数
2.4.1将混凝土保护层厚度a由50mm改为40mm；
2.4.2将钢筋抗拉强度设计值fy由360MPa改为435MPa；
2.4.3将管片厚t由350mm改为400mm；
2.4.4将基体混凝土抗压强度fc由C50改为C60；
2.4.5将设计偏心距由447.8mm改为246.6mm。
计算表明，在给定参数下，受压钢筋用量绝大多数由最小配筋率控制，不能很好地体现钢纤维混凝土管片经济性，故在后文不作探讨。
计算还表明，钢筋实际用量由于考虑了钢筋规格，与理论钢筋用量存在差异。为了能单一地反映管片材料性质对配筋量的影响，在此仅对比钢筋理论用量。
故后文所指钢筋用量均系受拉钢筋理论用量。
3、结论
3.正截面承载能力计算配筋量比较
由表1知，钢纤维混凝土与普通钢筋混凝土按正截面承载能力计算得到的受拉钢筋用量差异显著，同样的荷载下，前者所需受拉钢筋用量明显少于后者，前者的经济性得到了充分体现。这主要是由于前者混凝土受拉区能够参与受力。但是，计算结果还表明，在多数情况下，正截面承载能力不对最终的受拉钢筋用量起控制作用。
3.2裂缝宽度计算结果比较
由表1知，钢纤维混凝土与普通混凝土按裂缝宽度配筋的结果存在差异，但不如按正截面承载能力计算的结果差异显著。要使管片裂缝宽度满足同样的要求，前者所需受拉钢筋少于后者，前者的经济性得到了较好体现。计算结果还表明，满足裂缝宽度验算所需的配筋量多于满足正截面承载能力所需的配筋量，裂缝宽度对最终的受拉钢筋用量起控制作用。
不同设计参数对配筋量的影响
3.2.1混凝土保护层厚度a
由表1知，混凝土保护层厚度的减小对钢筋用量的减少有利。但当它减小20%后，钢筋节省量由8.9%变为4.9%，减少了4%。可见，混凝土保护层厚度越小越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，并且它的影响不显著。
3.2.2钢筋抗拉强度设计值fy
由表1知，钢筋抗拉强度设计值的增大对钢筋用量的减少没有影响。当它增大20.8%后，受拉钢筋节省量不变。可见，它对钢纤维混凝土经济性的体现无影响。
3.2.3管片厚度t
由表1知，管片厚度的增加对钢筋用量的减少有利。当它增大14.3%后，受拉钢筋节省量不变。可见，它对钢纤维混凝土优势经济性的体现无影响。
3.2.4基体混凝土抗压强度设计值fc
由表1知，基体混凝土抗压强度设计值的增加对钢筋用量的减少有利。当它增加19%后，受拉钢筋节省量由8.9%变为3.7%，减少了5.2%。可见，基体混凝土抗压强度设计值越大越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，但它的影响不显著。
3.2.5设计偏心距
由表1知，设计偏心距的减少对钢筋用量的减少有利。当它减小44.9%后，受拉钢筋节省量由8.9%变为8.7%，减少了0.2%。可见，设计偏心距越小越不利于钢纤维混凝土经济性的体现，但它的影响不显著。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]中国工程建设标准化协会标准.CECS38-2004纤维混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004
[3]李乔主编.混凝土结构设计原理（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2013
[4]李志业，曾艳华主编.地下结构设计原理与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2003
[5]任旺.成都地鐵盾构隧道荷载分布研究[D].成都：西南交通大学土木工程学院，2009
[6]Working Group No.2， International Tunnelling Association. Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining. Tunnelling and Underground Space Technology ，Vol.15， No.3， P303～331， 2000