移除Valley Metro輕軌上的鋼筋可(kě)減少施工(gōng)時間和成本，保障工(gōng)人的安(ān)全性。

 

鳳凰城輕軌使用(yòng)纖維，增強混凝土，代替鋼筋支撐闆，來建造和擴建支線(xiàn)，将施工(gōng)時間從幾個月縮短到幾周，節約了成本，提高了可(kě)持續性和工(gōng)人的安(ān)全性，為(wèi)快速交通帶來了新(xīn)的意義。

 

該合作(zuò)項目由ASU、鳳凰城Valley Metro區(qū)域交通管理(lǐ)局和該項目的建築公(gōng)司Kiewit-McCarthy共同完成，此次合作(zuò)始于ASU可(kě)持續工(gōng)程與建築環境學(xué)院結構工(gōng)程教授巴津·莫巴舍爾（Barzin Mobasher）提出的材料升級建議。

 

該項目将輕軌延長(cháng)了1.5英裏，采用(yòng)纖維增強混凝土設計，并于5月初完工(gōng)。

 

鋼筋是由鋼制成并嵌入混凝土中(zhōng)以加強結構。根據莫巴舍爾的說法，全世界使用(yòng)的混凝土體(tǐ)積中(zhōng)有(yǒu)60%以上的拉伸效率為(wèi)零，無法承載負荷。這使得用(yòng)于輕軌等承重結構的混凝土容易出現裂縫，裂縫開始非常小(xiǎo)，并且不受阻礙地變大，直到結構出現故障。

 

使用(yòng)鋼筋為(wèi)大多(duō)數以混凝土為(wèi)基礎的建築提供了所需的承載力量。然而，鋪設鋼筋是昂貴的，留下了巨大的碳足迹，工(gōng)人存在安(ān)全風險，最重要的是，這需要消耗大量時間。随着不可(kě)避免的混凝土開裂和鋼筋腐蝕，額外的維護、維修和修複必不可(kě)少，進一步增加了成本、造成社區(qū)混亂。

 

莫巴舍爾的方案簡化了輕軌支線(xiàn)項目的挑戰，并成功地交付了一個新(xīn)系統，他(tā)說：“隻是在設計标準上做了一個改變——在混凝土混合物(wù)中(zhōng)使用(yòng)纖維而不是鋼筋。”

 

莫巴舍爾的設計和驗證方法考慮了将鋼和聚合纖維直接添加到混凝土中(zhōng)，而不是在擴建部分(fēn)使用(yòng)兩層鋼筋來支撐輕軌的電(diàn)氣化軌道，這完全消除了對鋼筋加固的需求。最終，Valley Metro選擇鋼纖維進行西北延伸工(gōng)程。

 

為(wèi)了驗證這一建議，在ASU的結構和材料實驗室進行了一系列的适用(yòng)性測試。測試包括制作(zuò)鋼筋混凝土和纖維性混凝土的全尺寸模型，其比例與全尺寸截面相同。端對端測試可(kě)以比較強度和柔韌性，并記錄混凝土開裂和疲勞敏感性。

 

測試過程還預測了節省成本和施工(gōng)時間。例如，使用(yòng)鋼筋的擴建工(gōng)程每英裏施工(gōng)預計需要231天，而使用(yòng)纖維增強混凝土的擴建工(gōng)程每英裏施工(gōng)預計降至121天，節省成本超過1200萬美元。

 

莫巴舍爾說：“把幾根直徑為(wèi)半英寸的長(cháng)鋼筋，間隔12到18英寸，建在離地面12英寸的籠子裏，用(yòng)一種2英寸長(cháng)，直徑隻有(yǒu)1/32英寸的纖維材料代替它們，并與混凝土混合在一起，這種想法在規模上似乎沒有(yǒu)競争力。”

 

“但是如果你有(yǒu)成千上萬的這種小(xiǎo)纖維分(fēn)布在那裏，它們就會更有(yǒu)效地阻止裂縫——就像小(xiǎo)創可(kě)貼一樣保持裂縫閉合并轉移負荷。(纖維增強混凝土)可(kě)設計承受高達40%的混凝土拉伸荷載能(néng)力。”

 

圖源ASU

 

莫巴舍爾說：“我們進行了疲勞測試，以模拟在更高預期的負荷下長(cháng)達45年的服務(wù)條件，作(zuò)為(wèi)概念驗證，他(tā)們接受了提議的方法。這對他(tā)們來說是一次了不起的經曆，不僅節省了大量的材料，同時還能(néng)以比原預算低得多(duō)的成本和更快的時間完成項目。”

 

Valley Metro項目預計将成為(wèi)全國(guó)類似輕軌升級的原型，并将于9月在ASU主辦(bàn)的國(guó)際纖維增強混凝土研讨會上展示。

 

建設時間

 
社區(qū)批準輕軌交通的一個主要障礙是施工(gōng)期間幾個月的擾民(mín)行為(wèi)。使用(yòng)纖維增強混凝土代替鋼筋支撐的設計，明顯能(néng)将這些幹擾減少至幾周，某些情況下可(kě)減少至幾天。

 

坦佩Jacobs工(gōng)程公(gōng)司的項目經理(lǐ)安(ān)德(dé)魯·海恩斯(Andrew Haines)将材料變化的成功歸功于“挑戰公(gōng)認的”。

 

海恩斯說：“在美國(guó)，鋼筋混凝土是一種常見的方法，尤其是在輕軌方面。我認為(wèi)工(gōng)程師的工(gōng)作(zuò)遵循這種路徑，‘我們必須以某種方式來做，這是一直以來的做法’，要改變接受新(xīn)事物(wù)的想法是非常困難的。”

 

海恩斯說：“混凝土與纖維的放置非常簡易。鐵軌闆上沒有(yǒu)鋼筋，沒有(yǒu)欄杆，工(gōng)人們可(kě)以在上面行走，也可(kě)能(néng)滑倒。所以，需要準備好泥土，鐵軌放置到位，混凝土放置在其側——鋼筋和混凝土是一體(tǐ)的。”

 

海恩斯表示，開發材料樣品并在ASU實驗室進行測試是實施這一變革的主要組成部分(fēn)。

 

他(tā)說：“我們做了所有(yǒu)正确的事情來實現這一目标。結果似乎是驚人的。”

 

根據莫巴舍爾的說法，纖維在工(gōng)廠被添加到混凝土混合物(wù)中(zhōng)，然後由預拌料卡車(chē)運送到建築工(gōng)地。然後将整個混合物(wù)排出并自行固化，留下光滑的成品混凝土表面。

 

莫巴舍爾說：“過去需要數周才能(néng)完成的工(gōng)作(zuò)，現在隻需要幾個小(xiǎo)時就能(néng)完成，因為(wèi)我們不需要工(gōng)作(zuò)人員鋪設、連接鋼筋，确保它們充分(fēn)焊接在一起，并且所有(yǒu)部件都接地。”

 

建設成本和材料成本

 
除了減少工(gōng)人和設備成本外，還可(kě)以降低建築工(gōng)地的安(ān)全要求、運輸成本和混凝土生産(chǎn)成本。此外，由于車(chē)道關閉導緻的交通延誤和生産(chǎn)力損失也大大減少。

 

雖然從螺紋鋼轉換為(wèi)鋼纖維可(kě)以節省大量成本，但不同類型的纖維也可(kě)以實現額外的節省。

 

海恩斯說：“鋼纖維和聚乙烯纖維的重量差别很(hěn)大。”

 

對于螺紋鋼，海恩斯說：“我們使用(yòng)了65磅的鋼材，鋼鐵的生産(chǎn)會産(chǎn)生大量的溫室氣體(tǐ)——也會産(chǎn)生大量的能(néng)源。使用(yòng)聚合纖維和合成纖維可(kě)以節省很(hěn)多(duō)能(néng)源。我們隻使用(yòng)了12磅的聚丙烯纖維，而不是65磅的鋼，所以節省了成本。”

 

該項目還使用(yòng)了比要求更薄的混凝土來支撐和保護鋼筋。

 

海恩斯說：“我們減少了20%的混凝土使用(yòng)量，這意味着我們減少了20%的水泥使用(yòng)量。”

 

消除鋼筋的好處是減少了電(diàn)氣化運輸系統中(zhōng)雜散電(diàn)流的潛在腐蝕，不過這無足輕重。

 

工(gōng)人安(ān)全

 
在埋在新(xīn)混凝土中(zhōng)的不穩定鋼筋上行走，是一項具(jù)有(yǒu)挑戰性的任務(wù)。

 

莫巴舍爾說：“想象一下，在黑暗的房間裏走在碎玻璃上，同時鏟掉重約80磅的濕泥。就是之前大約25英裏的建造方式。”

 

“我們所做的就是把鋼筋籠拿(ná)出來，這樣工(gōng)人們在無法支撐自身重量的12英寸鋼筋層中(zhōng)行走時，就不會被絆倒。現在，他(tā)們站在堅實的地面上，在鐵軌周圍澆築混凝土。”

 

圖源ASU

 

“我們這裏使用(yòng)的混凝土類型是纖維增強混凝土，”鳳凰城的質(zhì)量保證經理(lǐ)法哈德(dé)·拉希米(Farhad Rahimi)說，“這裏面沒有(yǒu)鋼筋。它是混凝土内部的纖維，這使它比鋼筋更容易施工(gōng)，也更快。至于質(zhì)量，我們得到的質(zhì)量和(标準)混凝土是一樣的。而且，我們得到了所需的抗拉強度。”

 

鋪設混凝土“仍然是非常艱苦的勞動密集型工(gōng)作(zuò)” 。莫巴舍爾說：“但肯定會更人性化。我非常尊敬這些建築工(gōng)人。”

 

他(tā)說：“可(kě)持續工(gōng)程的使命是關注人類生存條件的長(cháng)期改善，包括工(gōng)人和環境安(ān)全。”

 

可(kě)持續性益處

 
莫巴舍爾說：“在過去的50年裏，我們在材料科(kē)學(xué)領域學(xué)到的是，我們越仔細地觀察微觀結構，我們就越能(néng)在宏觀層面上理(lǐ)解材料。”

 

可(kě)持續工(gōng)程的總目的是在不同的層次上設計材料，這聽起來可(kě)能(néng)不太直觀，但它具(jù)有(yǒu)承重質(zhì)量，可(kě)以延長(cháng)壽命，同時減少碳足迹。

 

“當我們考慮建築材料的碳足迹、混凝土和鋼鐵時，我們意識到我們每年在全世界大約使用(yòng)300億噸混凝土。我們還使用(yòng)了大約5億噸鋼筋來加固混凝土以承受負荷。”

 

“這産(chǎn)生相當多(duō)的碳足迹，僅僅因為(wèi)這兩種成分(fēn)，因為(wèi)你不能(néng)使用(yòng)混凝土而無法加固。”

 

此外，根據莫巴舍爾的說法，測試驗證了這種鋼筋混凝土材料的穩定性已超過45年，在鳳凰城氣候條件下的使用(yòng)壽命可(kě)能(néng)超過100年。

 

莫巴舍爾的任務(wù)之一是将這些可(kě)持續的混凝土技(jì )術推廣到其他(tā)城市和社區(qū)。類似的具(jù)體(tǐ)公(gōng)式在世界各地都被采用(yòng)，但它們通常都有(yǒu)專有(yǒu)的限制。

 

莫巴舍爾說：“在我們的實驗室，我們通過結合設計規範、分(fēn)析和計算機模拟設計工(gōng)具(jù)，為(wèi)結構部件的設計驗證提供科(kē)學(xué)依據。”

 

“然後，我們進一步在設計師所關心的相同載荷下進行全尺寸測試，以驗證結果。這種方法使我們能(néng)夠調整工(gōng)程師在使用(yòng)壽命内所能(néng)接受的過度強度和保守程度。”

 

ASU結構研究實驗室已經參與了許多(duō)這樣的挑戰——處理(lǐ)采礦應用(yòng)、環境結構、運河、橋梁設計和鋼結構——這在工(gōng)業和社區(qū)測試新(xīn)技(jì )術方面，是持久性的資源。

 

莫巴舍爾說：“我們想說明，（纖維增強混凝土）施工(gōng)過程可(kě)以是當地社區(qū)與當地建築公(gōng)司合作(zuò)的一個親力親為(wèi)的項目。市政、工(gōng)業、政府機構和大學(xué)之間的合作(zuò)可(kě)以共同分(fēn)享資源、削減成本、提高可(kě)持續性。”