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

【摘 要】 本文在分析現(xiàn)代無金屑結(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)在中國現(xiàn)代地鐵建筑中廣泛應(yīng)用的建說并討論了應(yīng)用的可行性和合理性，結(jié)果表明，現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)在地鐵建筑中應(yīng)用會具有明顯優(yōu)點，可以很好地解決結(jié)構(gòu)高強度、大跨度、耐腐、防火、防水、無磁、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。隨著我國經(jīng)濟實力的逐漸強大，高科技應(yīng)用帶來明顯經(jīng)濟效益，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（國語晉語九）。也就是說土木工程結(jié)構(gòu)本意就與金屬無關(guān)，是無金屬結(jié)構(gòu)，符合中華古代“五行”理念。
在中國古代，萬千年來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?！督ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》規(guī)定的建筑設(shè)計基準期僅為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”，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)達國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“長壽”，因為使用鋼鐵帶來很多弊端。
我們研究纖維增強聚合物(FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymers)應(yīng)用已有五個年頭，經(jīng)過這一階段的研究，開始繼承中華民族土木工程傳統(tǒng)理念，大力倡導(dǎo)現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)。所謂現(xiàn)代無金屆結(jié)構(gòu)，就是用FRP替代結(jié)構(gòu)中的金屬，或仿制、增強非金屬材料，得到新型無金屬結(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)，國內(nèi)外大都用于土木建筑補強加固，其建筑加固市場實小，但可見營造市場巨大。經(jīng)我輩努力研究，已建成兩處無磁建筑，“現(xiàn)代無金屆結(jié)構(gòu)”在新世紀開始已有實物(見圖1)。
現(xiàn)代無金屬結(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《東方時空》公開征集山西應(yīng)縣木塔維修方案，因此我們獻策現(xiàn)代無金屬結(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)?；痉椒ň褪怯脧?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、更輕、加工更簡便的特點，其中鋼筋綁扎問題可用尼龍綁扣替代，鋼材焊接問題可用高強環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)解決。
纖維砌塊結(jié)構(gòu)是針對替代砌體結(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)合之機直接進行砌筑，這不僅更分布均勻地起到了圈梁和構(gòu)造柱的加強整體性作用，其砌筑縫隙的強度將明顯超過水泥砂漿，甚至砌塊本身的強度。
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，使將來結(jié)構(gòu)形式發(fā)展到只有無金屬結(jié)構(gòu)一類，完全恢復(fù)“土木工程”名符其實的合理面目。
2 現(xiàn)代無金屬結(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)來替代。
2.1高強度、大跨度的問題
現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地鐵結(jié)構(gòu)的明顯優(yōu)勢就是纖維的強度高。我們曾經(jīng)在天津和北戴河地下工程采用了纖維混凝土結(jié)構(gòu)進行建造，其碳纖維的抗拉強度為4 000MPa左右，經(jīng)過環(huán)氧樹脂復(fù)合成碳纖維棒材的抗拉強度為3 000MPa左右，我們?nèi)∮玫臎]計值比較保守，為2000MPa，這—抗拉強度約是普通鋼材的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，一噸碳纖維可以等效于40 t鋼材。強度高必然引起體積小、重量輕，而用纖維替代鋼鐵的重量僅為原來鋼鐵的2．5％，在土木工程中顯然這一重量是可以忽略不計的。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量輕，首先為安裝構(gòu)件帶來了方便，可節(jié)省大量的安裝費用。更重要的是重量的減輕，可明顯減少地震力，或者在強度不變的條件下明顯提高結(jié)構(gòu)抗震等級能力。正是由于重量輕，如果用于結(jié)構(gòu)加固，就基本不會改變結(jié)構(gòu)原設(shè)計的重力荷載，因此這一優(yōu)點備受結(jié)構(gòu)補強加固者的
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問題。
體積小、重量輕的現(xiàn)代無金屬結(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 耐腐蝕問題
土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕問題是—個很普遍的問題，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)工程腐蝕必然會更加嚴重?，F(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維具有明顯的優(yōu)勢，其耐腐性能明顯強于混凝土或磚、石。因此在地鐵中采用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)會明顯延長地鐵的壽命，為提高地鐵建筑的設(shè)計基準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是地鐵機車由電力牽引，這就帶來了結(jié)構(gòu)鋼筋的電解腐蝕
了防止這個破壞結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，我們常常在底板中加入輔筋，這無疑造成了浪費，并且也無法檢測
果我們使用了現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)，這一問題就不存在了。
天津經(jīng)濟技術(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重，女賄強地震發(fā)生，必將引起重大損失，明知如此，我們卻沒有很好的溯卸力怯，只能“聽天由俞’，如果采用現(xiàn)代五金屬結(jié)構(gòu)進行建造就不存在金屬腐蝕的災(zāi)害問題了，那么，天津的地鐵就可以長壽的馳騁在天津經(jīng)濟技術(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，但歷史上為什么沒有得以大規(guī)模開發(fā)?原因之一就在于鹽湖對建筑的腐蝕作用，不僅鋼鐵會受到鹽的強腐蝕，甚至混凝土也禁受不起鹽的強腐蝕，因此采用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)解決鹽湖中建筑的抗腐蝕問題，就不能采用混凝土包裹和保護纖維棒材的形式，而應(yīng)采用纖維片材包裹和保護混凝土的形式。這樣一來，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)略才能真正落在實處。
海洋潮汐是取之不盡的能源，結(jié)構(gòu)防腐問題未解決，尚不能大規(guī)模開發(fā)?，F(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)防腐帶來了新契機，在地鐵建筑中嘗試使用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)進行防腐，總結(jié)經(jīng)驗，這也會為大規(guī)模向海洋進軍做良好的準備。
2．3 防火、防水問題
美國“9·11”事件最說明鋼結(jié)構(gòu)怕火的致命缺點，火克金。地鐵是一處人流密度大、工程防火等級高，且發(fā)生事故不易處理的特殊建筑，那么，怎樣解決防火問題早以提到日程。而現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)材料在防火方面有獨到之處，它可以在上千度的溫度下不燃燒，且不喪失強度，這樣，問題就迎刃而解了。
在地鐵工程中，防水問題是重中之重。而現(xiàn)代無金屬材料中的復(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過高，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)力問題，無疑是建筑結(jié)構(gòu)最難研究的系列之一。至今國內(nèi)沒有保險公司設(shè)立“地震保險”險種，對于地鐵這種大投資的公益性建設(shè)項目也同樣如此，顯然，地震安全社會保障體系尚無法在中國建立?，F(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)將從強度高和重量輕出發(fā)，根本解決結(jié)構(gòu)抗側(cè)力問題，使五金屬結(jié)構(gòu)充滿活力。對于抗震的耐倒塌問題，我們主要靠提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性來解決，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)的延性可達到10～12，具有成倍的抗倒塌能力儲備。中國尚未有地震保險的原因是建筑設(shè)計標準低，中震、大震結(jié)構(gòu)就壞了，保險公司賠償不起或收取的保險費過高而無法實現(xiàn)地震保險。由此引發(fā)一系列問題，地震區(qū)財產(chǎn)安全無社會保障，社會互惠互利的保險功能不能發(fā)揮作用，震災(zāi)只能靠社會各界捐助，“杯水車薪”，抗震技術(shù)報告失去了作為地震保險基礎(chǔ)技術(shù)資料的作用。特別是“西部大開發(fā)”，中國東西部破壞性地震發(fā)生的頻率比約為1：4，在西部，沒有地震保險，私企投資必然慎重，將嚴重影響西部大開發(fā)成功，國企也飽嘗沒有地震安全保障，損失巨大的苦頭?，F(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)可以在不增加建筑造價的前提下，明顯提高抗震能力，使建筑抗震設(shè)計標準有明顯提高，地震保險可在現(xiàn)代五金屆結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上實施，兩者相互促進，建筑地震安全分級管理不再有大障礙，地鐵的壽命會更加延長。
2．5 結(jié)構(gòu)無磁問題
現(xiàn)代交通趨向于快速，因而磁懸浮列車已經(jīng)開始進入了地鐵的歷史舞臺，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建筑設(shè)施的無磁要求，這顯然是一個十分重要的戰(zhàn)略問題，以往這一問題是依賴于玻璃鋼來解決，由于玻璃鋼不耐老化，問題解決得并不是十分理想。現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)過兩個地震觀測室建造的實踐，已經(jīng)取得了優(yōu)良的無磁效果，必將為磁懸浮列車建筑設(shè)施要求提供技術(shù)保障。
2．6智能控制問題
結(jié)構(gòu)智能控制是現(xiàn)代建筑的又一研究熱點。利用導(dǎo)電FRP既作為結(jié)構(gòu)的無金屬材料，又作為結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測傳感器，現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)很容易實現(xiàn)智能控制，這方面在結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測、交通流量檢測、銀行防盜墻報警系統(tǒng)、地下水管漏水檢測等都已取得實效。對于地鐵來說，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)該充分認識到地欽結(jié)構(gòu)智能化的重要性。而我們要是采用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)，就很容易實現(xiàn)了。
2．7 通風(fēng)、采光、保溫問題
每每走出北京地鐵站時，我們都會被出站口強烈的大風(fēng)吹得很難受，這說明現(xiàn)代地鐵的通風(fēng)問題解決的并不能令人滿意，為了解決通風(fēng)問題，往往需要征地修建專門的通風(fēng)口，這無疑造成了浪費?，F(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)中的纖維砌塊結(jié)構(gòu)具有空心砌塊砌筑的特點，由于用纖維進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進行地鐵的通風(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)通道過于集中，給地鐵中的人帶來的不適。
地鐵的采光往往利用電燈，這也是不能令人滿意的?，F(xiàn)代的光纖不僅有很強的通訊能力，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，這需要重大的花費同時又時非常麻煩的，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，這將在地鐵的長期使用中大大節(jié)省能源，對長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。
空心砌塊的進一步利用是通過對空心內(nèi)填加適當?shù)谋夭牧线M行保溫，完全可以克服混凝土熱傳導(dǎo)能力過高的缺點。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行保溫，利用里面—排的空心進行采光和通風(fēng)。
2．8耐振動疲勞問題
地鐵總是處于繁忙的運營狀態(tài)，振動疲勞問題是非常明顯的，由于金屬材料會有缺陷，即使在很小荷載的反復(fù)作用下也會在缺陷面發(fā)生應(yīng)力集中，有裂紋擴展，逐漸出現(xiàn)疲勞破壞。而現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維材料往往是由碳納米管組成的，也就是說該材料在原子量級上都是較為均勻的，因此具有奇異的強度，同時也有優(yōu)越的抗疲勞能力。
3 結(jié)束語
本文建議在地鐵建筑中采用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)，上述討論說明，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)合纖維進入建筑結(jié)構(gòu)建造領(lǐng)域，在無磁地下工程建設(shè)中得到創(chuàng)造性的應(yīng)用，因此本文進一步提出在現(xiàn)代地鐵建設(shè)中應(yīng)用的建議?，F(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環(huán)境的破壞，充分利用自然能源)
(4)智能化特征(可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)實時數(shù)字化監(jiān)測，為地鐵自動控制提供新基礎(chǔ))；
(5)個性化特征(結(jié)構(gòu)設(shè)計可充分優(yōu)化，可實現(xiàn)各地鐵車站結(jié)構(gòu)的個性化)；
(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)代無金屬結(jié)構(gòu)地鐵應(yīng)用問題。