現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在地鐵建筑中應(yīng)用的若干觀點(diǎn)和建議

【摘 要】 本文在分析現(xiàn)代無(wú)金屑結(jié)構(gòu)的民族化和高科技特征基礎(chǔ)上提出了這種傳統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)在中國(guó)現(xiàn)代地鐵建筑中廣泛應(yīng)用的建說(shuō)并討論了應(yīng)用的可行性和合理性，結(jié)果表明，現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在地鐵建筑中應(yīng)用會(huì)具有明顯優(yōu)點(diǎn)，可以很好地解決結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度、大跨度、耐腐、防火、防水、無(wú)磁、抗震、抗爆等重要需求，并有益于通風(fēng)、采光、保溫、抗疲勞、結(jié)構(gòu)智能化等。
【關(guān)鍵詞】 現(xiàn)代無(wú)金屑結(jié)構(gòu)，地鐵，纖維混凝土結(jié)構(gòu)，纖維砌塊結(jié)構(gòu)

1 現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的基本概念
地鐵建筑屬于近代土木工程的范疇，受中華傳統(tǒng)土木工程理念和技術(shù)的影響不大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的逐漸強(qiáng)大，高科技應(yīng)用帶來(lái)明顯經(jīng)濟(jì)效益，也給中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)觀念的工程應(yīng)用提供了有利條件。本文將就中華傳統(tǒng)土木工程理念和技術(shù)與地鐵建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行初步研究。
土木，“謂建筑之事也，如筑屋，架橋，筑堤，開路等工事是也（國(guó)語(yǔ)晉語(yǔ)九）。也就是說(shuō)土木工程結(jié)構(gòu)本意就與金屬無(wú)關(guān)，是無(wú)金屬結(jié)構(gòu)，符合中華古代“五行”理念。
在中國(guó)古代，萬(wàn)千年來(lái)為什么土木工程中不用金屬，最重要的原因之一就是金屬不耐腐蝕工程如果使用了金屬必然是短壽的。
在近代，鋼鐵、合金等金屬材料大量應(yīng)用于土木工程，使中華“營(yíng)造法式”落伍了，但是，“有金屬建筑結(jié)構(gòu)是短壽的”卻得到了充分地證明。《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的建筑設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期僅為50年，因此，現(xiàn)代土木工程工作者所從事的是大都是“半百年大計(jì)”，這明顯“今不如昔”。另一方面，在土木工程中的水壩建設(shè)上，大多是不用金屬的，但其尺寸顯得十分笨大。
地鐵技術(shù)明顯屬于發(fā)達(dá)國(guó)家輸出的城市交通技術(shù)，其建筑結(jié)構(gòu)必然以大量鋼鐵為主要材料，然而并不能保證很“長(zhǎng)壽”，因?yàn)槭褂娩撹F帶來(lái)很多弊端。
我們研究纖維增強(qiáng)聚合物(FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymers)應(yīng)用已有五個(gè)年頭，經(jīng)過(guò)這一階段的研究，開始繼承中華民族土木工程傳統(tǒng)理念，大力倡導(dǎo)現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)。所謂現(xiàn)代無(wú)金屆結(jié)構(gòu)，就是用FRP替代結(jié)構(gòu)中的金屬，或仿制、增強(qiáng)非金屬材料，得到新型無(wú)金屬結(jié)構(gòu)。其概念明顯含有民族科學(xué)文化內(nèi)涵，具有廣闊的應(yīng)用前景。
十年前，“冷戰(zhàn)”結(jié)束，F(xiàn)RP得以民用開發(fā)，國(guó)內(nèi)外大都用于土木建筑補(bǔ)強(qiáng)加固，其建筑加固市場(chǎng)實(shí)小，但可見(jiàn)營(yíng)造市場(chǎng)巨大。經(jīng)我輩努力研究，已建成兩處無(wú)磁建筑，“現(xiàn)代無(wú)金屆結(jié)構(gòu)”在新世紀(jì)開始已有實(shí)物(見(jiàn)圖1)。
現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中“現(xiàn)代”是區(qū)別于“古代”和“近代”所采用的。2001年6月央視《東方時(shí)空》公開征集山西應(yīng)縣木塔維修方案，因此我們獻(xiàn)策現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的納米FRP技術(shù)修復(fù)，很受各界重視。

圖1 FRP替代鋼筋的地下纖維混凝土建筑正在施工
現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)基本上有三類主要形式，即(1)纖維混凝土結(jié)構(gòu)，(2)纖維砌塊結(jié)構(gòu)仿木結(jié)構(gòu)。在地鐵建筑結(jié)構(gòu)中，前兩種形式更為重要。
纖維混凝土結(jié)構(gòu)是針對(duì)替代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)提出的，因而可使其變成五金屬結(jié)構(gòu)。基本方法就是用復(fù)合纖維材料替代鋼筋或鋼絲，得到新型占構(gòu)，且具有更強(qiáng)、更輕、加工更簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，其中鋼筋綁扎問(wèn)題可用尼龍綁扣替代，鋼材焊接問(wèn)題可用高強(qiáng)環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)解決。
纖維砌塊結(jié)構(gòu)是針對(duì)替代砌體結(jié)構(gòu)提出的，砌體結(jié)構(gòu)不再采用圈梁和構(gòu)造柱，不再用水泥砂漿砌筑，而是利用復(fù)合纖維復(fù)合之機(jī)直接進(jìn)行砌筑，這不僅更分布均勻地起到了圈梁和構(gòu)造柱的加強(qiáng)整體性作用，其砌筑縫隙的強(qiáng)度將明顯超過(guò)水泥砂漿，甚至砌塊本身的強(qiáng)度。
純復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)可以仿制或替代木結(jié)構(gòu)，也可以仿制或替代型鋼、鋼索等結(jié)構(gòu)，因此，這些現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)主要形式一般可以覆蓋替換現(xiàn)有各種有金屬結(jié)構(gòu)形式，使將來(lái)結(jié)構(gòu)形式發(fā)展到只有無(wú)金屬結(jié)構(gòu)一類，完全恢復(fù)“土木工程”名符其實(shí)的合理面目。
2 現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在地鐵建筑中應(yīng)用的建議和討論
地鐵建筑結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)該用纖維混凝土結(jié)溝來(lái)代替。
地鐵建筑結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該用纖維混凝土或纖維仿木結(jié)構(gòu)來(lái)代替
地鐵中的砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)該用纖維砌塊結(jié)構(gòu)來(lái)替代。
2.1高強(qiáng)度、大跨度的問(wèn)題
現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地鐵結(jié)構(gòu)的明顯優(yōu)勢(shì)就是纖維的強(qiáng)度高。我們?cè)?jīng)在天津和北戴河地下工程采用了纖維混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造，其碳纖維的抗拉強(qiáng)度為4 000MPa左右，經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹脂復(fù)合成碳纖維棒材的抗拉強(qiáng)度為3 000MPa左右，我們?nèi)∮玫臎](méi)計(jì)值比較保守，為2000MPa，這—抗拉強(qiáng)度約是普通鋼材的20倍。考慮到碳纖維的比重是1．8 t/m3，約是鋼材的四分之一，所以，目前看來(lái)，一噸碳纖維可以等效于40 t鋼材。強(qiáng)度高必然引起體積小、重量輕，而用纖維替代鋼鐵的重量?jī)H為原來(lái)鋼鐵的2．5％，在土木工程中顯然這一重量是可以忽略不計(jì)的。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量輕，首先為安裝構(gòu)件帶來(lái)了方便，可節(jié)省大量的安裝費(fèi)用。更重要的是重量的減輕，可明顯減少地震力，或者在強(qiáng)度不變的條件下明顯提高結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)能力。正是由于重量輕，如果用于結(jié)構(gòu)加固，就基本不會(huì)改變結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)的重力荷載，因此這一優(yōu)點(diǎn)備受結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固者的
青睞。
在地下結(jié)構(gòu)中，由于荷載大，配筋率也很高，有時(shí)混凝土澆注后很難振搗到位。為了保證不超筋，就要加大混凝土構(gòu)件的體積，若我們采用現(xiàn)代無(wú)金屑結(jié)構(gòu)，用復(fù)合纖維替代鋼筋，就可以輕而易舉地解決這個(gè)問(wèn)題。
體積小、重量輕的現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)顯然是地鐵建筑中大跨度結(jié)構(gòu)的首選結(jié)構(gòu)形式，尤其是在箱體的頂蓋或高架橋中的應(yīng)用。
2．2 耐腐蝕問(wèn)題
土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題是—個(gè)很普遍的問(wèn)題，在地面以上能夠看到的結(jié)構(gòu)中金屬的腐蝕已是觸目驚心，在地面以下的地下結(jié)構(gòu)工程腐蝕必然會(huì)更加嚴(yán)重。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其耐腐性能明顯強(qiáng)于混凝土或磚、石。因此在地鐵中采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)會(huì)明顯延長(zhǎng)地鐵的壽命，為提高地鐵建筑的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期提供了難得的前提，必然將中華土木工程的理念與現(xiàn)代的地鐵建筑相結(jié)合，這是地下鐵道土木工程的重要發(fā)展戰(zhàn)略。
由于地鐵建筑金屬腐蝕的另一特點(diǎn)是地鐵機(jī)車由電力牽引，這就帶來(lái)了結(jié)構(gòu)鋼筋的電解腐蝕
了防止這個(gè)破壞結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，我們常常在底板中加入輔筋，這無(wú)疑造成了浪費(fèi)，并且也無(wú)法檢測(cè)
果我們使用了現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)，這一問(wèn)題就不存在了。
天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)就建立在“鹽灘”上，地下結(jié)構(gòu)中的金屬腐蝕極為嚴(yán)重，女賄強(qiáng)地震發(fā)生，必將引起重大損失，明知如此，我們卻沒(méi)有很好的溯卸力怯，只能“聽(tīng)天由俞’，如果采用現(xiàn)代五金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造就不存在金屬腐蝕的災(zāi)害問(wèn)題了，那么，天津的地鐵就可以長(zhǎng)壽的馳騁在天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。
西部大開發(fā)，鹽湖地區(qū)的化工原料的開發(fā)前景是十分誘人的，但歷史上為什么沒(méi)有得以大規(guī)模開發(fā)?原因之一就在于鹽湖對(duì)建筑的腐蝕作用，不僅鋼鐵會(huì)受到鹽的強(qiáng)腐蝕，甚至混凝土也禁受不起鹽的強(qiáng)腐蝕，因此采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)解決鹽湖中建筑的抗腐蝕問(wèn)題，就不能采用混凝土包裹和保護(hù)纖維棒材的形式，而應(yīng)采用纖維片材包裹和保護(hù)混凝土的形式。這樣一來(lái)，西部的地鐵和城市軌道交通才能不懼鹽堿地段，西部大開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略才能真正落在實(shí)處。
海洋潮汐是取之不盡的能源，結(jié)構(gòu)防腐問(wèn)題未解決，尚不能大規(guī)模開發(fā)。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)防腐帶來(lái)了新契機(jī)，在地鐵建筑中嘗試使用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這也會(huì)為大規(guī)模向海洋進(jìn)軍做良好的準(zhǔn)備。
2．3 防火、防水問(wèn)題
美國(guó)“9·11”事件最說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)怕火的致命缺點(diǎn)，火克金。地鐵是一處人流密度大、工程防火等級(jí)高，且發(fā)生事故不易處理的特殊建筑，那么，怎樣解決防火問(wèn)題早以提到日程。而現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)材料在防火方面有獨(dú)到之處，它可以在上千度的溫度下不燃燒，且不喪失強(qiáng)度，這樣，問(wèn)題就迎刃而解了。
在地鐵工程中，防水問(wèn)題是重中之重。而現(xiàn)代無(wú)金屬材料中的復(fù)合纖維就是一種閉水材料，但是作為防水材料目前顯得造價(jià)過(guò)高，但是可以作為結(jié)構(gòu)材料兼顧防水的性能。而我們，現(xiàn)今采用的防水樹脂卷材就是我們現(xiàn)代五金屬結(jié)構(gòu)所提倡使用的。
2．4抗震、抗爆問(wèn)題
地鐵工程自身屬于人防工程，因此地鐵結(jié)構(gòu)要求有良好的抗震、抗爆性能，而抗震、抗核爆均系抗側(cè)力問(wèn)題，無(wú)疑是建筑結(jié)構(gòu)最難研究的系列之一。至今國(guó)內(nèi)沒(méi)有保險(xiǎn)公司設(shè)立“地震保險(xiǎn)”險(xiǎn)種，對(duì)于地鐵這種大投資的公益性建設(shè)項(xiàng)目也同樣如此，顯然，地震安全社會(huì)保障體系尚無(wú)法在中國(guó)建立。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)將從強(qiáng)度高和重量輕出發(fā)，根本解決結(jié)構(gòu)抗側(cè)力問(wèn)題，使五金屬結(jié)構(gòu)充滿活力。對(duì)于抗震的耐倒塌問(wèn)題，我們主要靠提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性來(lái)解決，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)一般為4~6，而纖維混凝土結(jié)構(gòu)的延性可達(dá)到10～12，具有成倍的抗倒塌能力儲(chǔ)備。中國(guó)尚未有地震保險(xiǎn)的原因是建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，中震、大震結(jié)構(gòu)就壞了，保險(xiǎn)公司賠償不起或收取的保險(xiǎn)費(fèi)過(guò)高而無(wú)法實(shí)現(xiàn)地震保險(xiǎn)。由此引發(fā)一系列問(wèn)題，地震區(qū)財(cái)產(chǎn)安全無(wú)社會(huì)保障，社會(huì)互惠互利的保險(xiǎn)功能不能發(fā)揮作用，震災(zāi)只能靠社會(huì)各界捐助，“杯水車薪”，抗震技術(shù)報(bào)告失去了作為地震保險(xiǎn)基礎(chǔ)技術(shù)資料的作用。特別是“西部大開發(fā)”，中國(guó)東西部破壞性地震發(fā)生的頻率比約為1：4，在西部，沒(méi)有地震保險(xiǎn)，私企投資必然慎重，將嚴(yán)重影響西部大開發(fā)成功，國(guó)企也飽嘗沒(méi)有地震安全保障，損失巨大的苦頭。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)可以在不增加建筑造價(jià)的前提下，明顯提高抗震能力，使建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有明顯提高，地震保險(xiǎn)可在現(xiàn)代五金屆結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)施，兩者相互促進(jìn)，建筑地震安全分級(jí)管理不再有大障礙，地鐵的壽命會(huì)更加延長(zhǎng)。
2．5 結(jié)構(gòu)無(wú)磁問(wèn)題
現(xiàn)代交通趨向于快速，因而磁懸浮列車已經(jīng)開始進(jìn)入了地鐵的歷史舞臺(tái)，市區(qū)地鐵與城際磁懸浮列車必然要相接軌。我們地鐵建設(shè)能符合磁懸浮列車對(duì)建筑設(shè)施的無(wú)磁要求，這顯然是一個(gè)十分重要的戰(zhàn)略問(wèn)題，以往這一問(wèn)題是依賴于玻璃鋼來(lái)解決，由于玻璃鋼不耐老化，問(wèn)題解決得并不是十分理想。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)兩個(gè)地震觀測(cè)室建造的實(shí)踐，已經(jīng)取得了優(yōu)良的無(wú)磁效果，必將為磁懸浮列車建筑設(shè)施要求提供技術(shù)保障。
2．6智能控制問(wèn)題
結(jié)構(gòu)智能控制是現(xiàn)代建筑的又一研究熱點(diǎn)。利用導(dǎo)電FRP既作為結(jié)構(gòu)的無(wú)金屬材料，又作為結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)傳感器，現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)智能控制，這方面在結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測(cè)、交通流量檢測(cè)、銀行防盜墻報(bào)警系統(tǒng)、地下水管漏水檢測(cè)等都已取得實(shí)效。對(duì)于地鐵來(lái)說(shuō)，建筑物的主體均位于地下，屬于“隱蔽工程”，受到太多不可預(yù)知因素的影響。因此，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到地欽結(jié)構(gòu)智能化的重要性。而我們要是采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)，就很容易實(shí)現(xiàn)了。
2．7 通風(fēng)、采光、保溫問(wèn)題
每每走出北京地鐵站時(shí)，我們都會(huì)被出站口強(qiáng)烈的大風(fēng)吹得很難受，這說(shuō)明現(xiàn)代地鐵的通風(fēng)問(wèn)題解決的并不能令人滿意，為了解決通風(fēng)問(wèn)題，往往需要征地修建專門的通風(fēng)口，這無(wú)疑造成了浪費(fèi)。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的纖維砌塊結(jié)構(gòu)具有空心砌塊砌筑的特點(diǎn)，由于用纖維進(jìn)行砌筑墻體具有很好的整體性和穩(wěn)定性，該空心應(yīng)該加以利用。我們可以把空心用來(lái)進(jìn)行地鐵的通風(fēng)，使通風(fēng)的通道明顯的增多，通風(fēng)的途徑可多種多樣，這樣便可避免通風(fēng)通道過(guò)于集中，給地鐵中的人帶來(lái)的不適。
地鐵的采光往往利用電燈，這也是不能令人滿意的。現(xiàn)代的光纖不僅有很強(qiáng)的通訊能力，不僅能傳輸激光，也可以很好的傳輸自然光。因此利用光纖可以在地鐵中使用到自然光，關(guān)鍵問(wèn)題是在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)立眾多光纖通道，這需要重大的花費(fèi)同時(shí)又時(shí)非常麻煩的，那么纖維砌塊結(jié)構(gòu)的空心部分便自然為光纖預(yù)留了通道，使地鐵采用自然光順理成章，這將在地鐵的長(zhǎng)期使用中大大節(jié)省能源，對(duì)長(zhǎng)期在地鐵中的工作人員和乘客的身體健康起到有益的作用。
空心砌塊的進(jìn)一步利用是通過(guò)對(duì)空心內(nèi)填加適當(dāng)?shù)谋夭牧线M(jìn)行保溫，完全可以克服混凝土熱傳導(dǎo)能力過(guò)高的缺點(diǎn)。例如，我們地鐵的墻體采用兩排空心砌塊結(jié)構(gòu)建造，就應(yīng)該利用外面一排砌塊的空心進(jìn)行保溫，利用里面—排的空心進(jìn)行采光和通風(fēng)。
2．8耐振動(dòng)疲勞問(wèn)題
地鐵總是處于繁忙的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，振動(dòng)疲勞問(wèn)題是非常明顯的，由于金屬材料會(huì)有缺陷，即使在很小荷載的反復(fù)作用下也會(huì)在缺陷面發(fā)生應(yīng)力集中，有裂紋擴(kuò)展，逐漸出現(xiàn)疲勞破壞。而現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維材料往往是由碳納米管組成的，也就是說(shuō)該材料在原子量級(jí)上都是較為均勻的，因此具有奇異的強(qiáng)度，同時(shí)也有優(yōu)越的抗疲勞能力。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文建議在地鐵建筑中采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)，上述討論說(shuō)明，這不僅是十分必要的，而且是可行和合理的。地鐵建筑必將從中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，明顯提高地鐵建筑的檔次。我們首先直接使復(fù)合纖維進(jìn)入建筑結(jié)構(gòu)建造領(lǐng)域，在無(wú)磁地下工程建設(shè)中得到創(chuàng)造性的應(yīng)用，因此本文進(jìn)一步提出在現(xiàn)代地鐵建設(shè)中應(yīng)用的建議。現(xiàn)代五金屬結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代特征也將因此得到充分的展現(xiàn)。這主要體現(xiàn)在六個(gè)方面：
(1)高科技特征(納米材料和新的應(yīng)用技術(shù))；
(2)安全度特征(在不增加造價(jià)的前提下，結(jié)構(gòu)的安全度明顯提高)；
(3)節(jié)能化特征(明顯節(jié)省金屬冶煉巨大的耗能和對(duì)環(huán)境的破壞，充分利用自然能源)
(4)智能化特征(可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)字化監(jiān)測(cè)，為地鐵自動(dòng)控制提供新基礎(chǔ))；
(5)個(gè)性化特征(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可充分優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)各地鐵車站結(jié)構(gòu)的個(gè)性化)；
(6)民族化特征(中華民族土木工程的“土木理念”得到應(yīng)有的繼承和升華)。
我們將繼續(xù)努力研究本文提出的現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)地鐵應(yīng)用問(wèn)題。