移除Valley Metro轻轨上的钢筋可(kě)减少施工(gōng)时间和成本，保障工(gōng)人的安(ān)全性。

 

凤凰城轻轨使用(yòng)纤维，增强混凝土，代替钢筋支撑板，来建造和扩建支線(xiàn)，将施工(gōng)时间从几个月缩短到几周，节约了成本，提高了可(kě)持续性和工(gōng)人的安(ān)全性，為(wèi)快速交通带来了新(xīn)的意义。

 

该合作(zuò)项目由ASU、凤凰城Valley Metro區(qū)域交通管理(lǐ)局和该项目的建筑公(gōng)司Kiewit-McCarthy共同完成，此次合作(zuò)始于ASU可(kě)持续工(gōng)程与建筑环境學(xué)院结构工(gōng)程教授巴津·莫巴舍尔（Barzin Mobasher）提出的材料升级建议。

 

该项目将轻轨延長(cháng)了1.5英里，采用(yòng)纤维增强混凝土设计，并于5月初完工(gōng)。

 

钢筋是由钢制成并嵌入混凝土中(zhōng)以加强结构。根据莫巴舍尔的说法，全世界使用(yòng)的混凝土體(tǐ)积中(zhōng)有(yǒu)60%以上的拉伸效率為(wèi)零，无法承载负荷。这使得用(yòng)于轻轨等承重结构的混凝土容易出现裂缝，裂缝开始非常小(xiǎo)，并且不受阻碍地变大，直到结构出现故障。

 

使用(yòng)钢筋為(wèi)大多(duō)数以混凝土為(wèi)基础的建筑提供了所需的承载力量。然而，铺设钢筋是昂贵的，留下了巨大的碳足迹，工(gōng)人存在安(ān)全风险，最重要的是，这需要消耗大量时间。随着不可(kě)避免的混凝土开裂和钢筋腐蚀，额外的维护、维修和修复必不可(kě)少，进一步增加了成本、造成社區(qū)混乱。

 

莫巴舍尔的方案简化了轻轨支線(xiàn)项目的挑战，并成功地交付了一个新(xīn)系统，他(tā)说：“只是在设计标准上做了一个改变——在混凝土混合物(wù)中(zhōng)使用(yòng)纤维而不是钢筋。”

 

莫巴舍尔的设计和验证方法考虑了将钢和聚合纤维直接添加到混凝土中(zhōng)，而不是在扩建部分(fēn)使用(yòng)两层钢筋来支撑轻轨的電(diàn)气化轨道，这完全消除了对钢筋加固的需求。最终，Valley Metro选择钢纤维进行西北延伸工(gōng)程。

 

為(wèi)了验证这一建议，在ASU的结构和材料实验室进行了一系列的适用(yòng)性测试。测试包括制作(zuò)钢筋混凝土和纤维性混凝土的全尺寸模型，其比例与全尺寸截面相同。端对端测试可(kě)以比较强度和柔韧性，并记录混凝土开裂和疲劳敏感性。

 

测试过程还预测了节省成本和施工(gōng)时间。例如，使用(yòng)钢筋的扩建工(gōng)程每英里施工(gōng)预计需要231天，而使用(yòng)纤维增强混凝土的扩建工(gōng)程每英里施工(gōng)预计降至121天，节省成本超过1200万美元。

 

莫巴舍尔说：“把几根直径為(wèi)半英寸的長(cháng)钢筋，间隔12到18英寸，建在离地面12英寸的笼子里，用(yòng)一种2英寸長(cháng)，直径只有(yǒu)1/32英寸的纤维材料代替它们，并与混凝土混合在一起，这种想法在规模上似乎没有(yǒu)竞争力。”

 

“但是如果你有(yǒu)成千上万的这种小(xiǎo)纤维分(fēn)布在那里，它们就会更有(yǒu)效地阻止裂缝——就像小(xiǎo)创可(kě)贴一样保持裂缝闭合并转移负荷。(纤维增强混凝土)可(kě)设计承受高达40%的混凝土拉伸荷载能(néng)力。”

 

图源ASU

 

莫巴舍尔说：“我们进行了疲劳测试，以模拟在更高预期的负荷下長(cháng)达45年的服務(wù)条件，作(zuò)為(wèi)概念验证，他(tā)们接受了提议的方法。这对他(tā)们来说是一次了不起的经历，不仅节省了大量的材料，同时还能(néng)以比原预算低得多(duō)的成本和更快的时间完成项目。”

 

Valley Metro项目预计将成為(wèi)全國(guó)类似轻轨升级的原型，并将于9月在ASU主办(bàn)的國(guó)际纤维增强混凝土研讨会上展示。

 

建设时间

 
社區(qū)批准轻轨交通的一个主要障碍是施工(gōng)期间几个月的扰民(mín)行為(wèi)。使用(yòng)纤维增强混凝土代替钢筋支撑的设计，明显能(néng)将这些干扰减少至几周，某些情况下可(kě)减少至几天。

 

坦佩Jacobs工(gōng)程公(gōng)司的项目经理(lǐ)安(ān)德(dé)鲁·海恩斯(Andrew Haines)将材料变化的成功归功于“挑战公(gōng)认的”。

 

海恩斯说：“在美國(guó)，钢筋混凝土是一种常见的方法，尤其是在轻轨方面。我认為(wèi)工(gōng)程师的工(gōng)作(zuò)遵循这种路径，‘我们必须以某种方式来做，这是一直以来的做法’，要改变接受新(xīn)事物(wù)的想法是非常困难的。”

 

海恩斯说：“混凝土与纤维的放置非常简易。铁轨板上没有(yǒu)钢筋，没有(yǒu)栏杆，工(gōng)人们可(kě)以在上面行走，也可(kě)能(néng)滑倒。所以，需要准备好泥土，铁轨放置到位，混凝土放置在其侧——钢筋和混凝土是一體(tǐ)的。”

 

海恩斯表示，开发材料样品并在ASU实验室进行测试是实施这一变革的主要组成部分(fēn)。

 

他(tā)说：“我们做了所有(yǒu)正确的事情来实现这一目标。结果似乎是惊人的。”

 

根据莫巴舍尔的说法，纤维在工(gōng)厂被添加到混凝土混合物(wù)中(zhōng)，然后由预拌料卡車(chē)运送到建筑工(gōng)地。然后将整个混合物(wù)排出并自行固化，留下光滑的成品混凝土表面。

 

莫巴舍尔说：“过去需要数周才能(néng)完成的工(gōng)作(zuò)，现在只需要几个小(xiǎo)时就能(néng)完成，因為(wèi)我们不需要工(gōng)作(zuò)人员铺设、连接钢筋，确保它们充分(fēn)焊接在一起，并且所有(yǒu)部件都接地。”

 

建设成本和材料成本

 
除了减少工(gōng)人和设备成本外，还可(kě)以降低建筑工(gōng)地的安(ān)全要求、运输成本和混凝土生产(chǎn)成本。此外，由于車(chē)道关闭导致的交通延误和生产(chǎn)力损失也大大减少。

 

虽然从螺纹钢转换為(wèi)钢纤维可(kě)以节省大量成本，但不同类型的纤维也可(kě)以实现额外的节省。

 

海恩斯说：“钢纤维和聚乙烯纤维的重量差别很(hěn)大。”

 

对于螺纹钢，海恩斯说：“我们使用(yòng)了65磅的钢材，钢铁的生产(chǎn)会产(chǎn)生大量的温室气體(tǐ)——也会产(chǎn)生大量的能(néng)源。使用(yòng)聚合纤维和合成纤维可(kě)以节省很(hěn)多(duō)能(néng)源。我们只使用(yòng)了12磅的聚丙烯纤维，而不是65磅的钢，所以节省了成本。”

 

该项目还使用(yòng)了比要求更薄的混凝土来支撑和保护钢筋。

 

海恩斯说：“我们减少了20%的混凝土使用(yòng)量，这意味着我们减少了20%的水泥使用(yòng)量。”

 

消除钢筋的好处是减少了電(diàn)气化运输系统中(zhōng)杂散電(diàn)流的潜在腐蚀，不过这无足轻重。

 

工(gōng)人安(ān)全

 
在埋在新(xīn)混凝土中(zhōng)的不稳定钢筋上行走，是一项具(jù)有(yǒu)挑战性的任務(wù)。

 

莫巴舍尔说：“想象一下，在黑暗的房间里走在碎玻璃上，同时铲掉重约80磅的湿泥。就是之前大约25英里的建造方式。”

 

“我们所做的就是把钢筋笼拿(ná)出来，这样工(gōng)人们在无法支撑自身重量的12英寸钢筋层中(zhōng)行走时，就不会被绊倒。现在，他(tā)们站在坚实的地面上，在铁轨周围浇筑混凝土。”

 

图源ASU

 

“我们这里使用(yòng)的混凝土类型是纤维增强混凝土，”凤凰城的质(zhì)量保证经理(lǐ)法哈德(dé)·拉希米(Farhad Rahimi)说，“这里面没有(yǒu)钢筋。它是混凝土内部的纤维，这使它比钢筋更容易施工(gōng)，也更快。至于质(zhì)量，我们得到的质(zhì)量和(标准)混凝土是一样的。而且，我们得到了所需的抗拉强度。”

 

铺设混凝土“仍然是非常艰苦的劳动密集型工(gōng)作(zuò)” 。莫巴舍尔说：“但肯定会更人性化。我非常尊敬这些建筑工(gōng)人。”

 

他(tā)说：“可(kě)持续工(gōng)程的使命是关注人类生存条件的長(cháng)期改善，包括工(gōng)人和环境安(ān)全。”

 

可(kě)持续性益处

 
莫巴舍尔说：“在过去的50年里，我们在材料科(kē)學(xué)领域學(xué)到的是，我们越仔细地观察微观结构，我们就越能(néng)在宏观层面上理(lǐ)解材料。”

 

可(kě)持续工(gōng)程的总目的是在不同的层次上设计材料，这听起来可(kě)能(néng)不太直观，但它具(jù)有(yǒu)承重质(zhì)量，可(kě)以延長(cháng)寿命，同时减少碳足迹。

 

“当我们考虑建筑材料的碳足迹、混凝土和钢铁时，我们意识到我们每年在全世界大约使用(yòng)300亿吨混凝土。我们还使用(yòng)了大约5亿吨钢筋来加固混凝土以承受负荷。”

 

“这产(chǎn)生相当多(duō)的碳足迹，仅仅因為(wèi)这两种成分(fēn)，因為(wèi)你不能(néng)使用(yòng)混凝土而无法加固。”

 

此外，根据莫巴舍尔的说法，测试验证了这种钢筋混凝土材料的稳定性已超过45年，在凤凰城气候条件下的使用(yòng)寿命可(kě)能(néng)超过100年。

 

莫巴舍尔的任務(wù)之一是将这些可(kě)持续的混凝土技(jì )术推广到其他(tā)城市和社區(qū)。类似的具(jù)體(tǐ)公(gōng)式在世界各地都被采用(yòng)，但它们通常都有(yǒu)专有(yǒu)的限制。

 

莫巴舍尔说：“在我们的实验室，我们通过结合设计规范、分(fēn)析和计算机模拟设计工(gōng)具(jù)，為(wèi)结构部件的设计验证提供科(kē)學(xué)依据。”

 

“然后，我们进一步在设计师所关心的相同载荷下进行全尺寸测试，以验证结果。这种方法使我们能(néng)够调整工(gōng)程师在使用(yòng)寿命内所能(néng)接受的过度强度和保守程度。”

 

ASU结构研究实验室已经参与了许多(duō)这样的挑战——处理(lǐ)采矿应用(yòng)、环境结构、运河、桥梁设计和钢结构——这在工(gōng)业和社區(qū)测试新(xīn)技(jì )术方面，是持久性的资源。

 

莫巴舍尔说：“我们想说明，（纤维增强混凝土）施工(gōng)过程可(kě)以是当地社區(qū)与当地建筑公(gōng)司合作(zuò)的一个亲力亲為(wèi)的项目。市政、工(gōng)业、政府机构和大學(xué)之间的合作(zuò)可(kě)以共同分(fēn)享资源、削减成本、提高可(kě)持续性。”