移除Valley Metro轻轨上的钢筋可减少施工时间和成本，保障工人的安全性。

 

凤凰城轻轨使用纤维，增强混凝土，代替钢筋支撑板，来建造和扩建支线，将施工时间从几个月缩短到几周，节约了成本，提高了可持续性和工人的安全性，为快速交通带来了新的意义。

 

该合作项目由ASU、凤凰城Valley Metro区域交通管理局和该项目的建筑公司Kiewit-McCarthy共同完成，此次合作始于ASU可持续工程与建筑环境学院结构工程教授巴津·莫巴舍尔（Barzin Mobasher）提出的材料升级建议。

 

该项目将轻轨延长了1.5英里，采用纤维增强混凝土设计，并于5月初完工。

 

钢筋是由钢制成并嵌入混凝土中以加强结构。根据莫巴舍尔的说法，全世界使用的混凝土体积中有60%以上的拉伸效率为零，无法承载负荷。这使得用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，并且不受阻碍地变大，直到结构出现故障。

 

使用钢筋为大多数以混凝土为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，工人存在安全风险，最重要的是，这需要消耗大量时间。随着不可避免的混凝土开裂和钢筋腐蚀，额外的维护、维修和修复必不可少，进一步增加了成本、造成社区混乱。

 

莫巴舍尔的方案简化了轻轨支线项目的挑战，并成功地交付了一个新系统，他说：“只是在设计标准上做了一个改变——在混凝土混合物中使用纤维而不是钢筋。”

 

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，而不是在扩建部分使用两层钢筋来支撑轻轨的电气化轨道，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程。

 

为了验证这一建议，在ASU的结构和材料实验室进行了一系列的适用性测试。测试包括制作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时间。例如，使用钢筋的扩建工程每英里施工预计需要231天，而使用纤维增强混凝土的扩建工程每英里施工预计降至121天，节省成本超过1200万美元。

 

莫巴舍尔说：“把几根直径为半英寸的长钢筋，间隔12到18英寸，建在离地面12英寸的笼子里，用一种2英寸长，直径只有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竞争力。”

 

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

 

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长达45年的服务条件，作为概念验证，他们接受了提议的方法。这对他们来说是一次了不起的经历，不仅节省了大量的材料，同时还能以比原预算低得多的成本和更快的时间完成项目。”

 

Valley Metro项目预计将成为全国类似轻轨升级的原型，并将于9月在ASU主办的国际纤维增强混凝土研讨会上展示。

 

建设时间

 
社区批准轻轨交通的一个主要障碍是施工期间几个月的扰民行为。使用纤维增强混凝土代替钢筋支撑的设计，明显能将这些干扰减少至几周，某些情况下可减少至几天。

 

坦佩Jacobs工程公司的项目经理安德鲁·海恩斯(Andrew Haines)将材料变化的成功归功于“挑战公认的”。

 

海恩斯说：“在美国，钢筋混凝土是一种常见的方法，尤其是在轻轨方面。我认为工程师的工作遵循这种路径，‘我们必须以某种方式来做，这是一直以来的做法’，要改变接受新事物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。铁轨板上没有钢筋，没有栏杆，工人们可以在上面行走，也可能滑倒。所以，需要准备好泥土，铁轨放置到位，混凝土放置在其侧——钢筋和混凝土是一体的。”

 

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。

 

他说：“我们做了所有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，纤维在工厂被添加到混凝土混合物中，然后由预拌料卡车运送到建筑工地。然后将整个混合物排出并自行固化，留下光滑的成品混凝土表面。

 

莫巴舍尔说：“过去需要数周才能完成的工作，现在只需要几个小时就能完成，因为我们不需要工作人员铺设、连接钢筋，确保它们充分焊接在一起，并且所有部件都接地。”

 

建设成本和材料成本

 
除了减少工人和设备成本外，还可以降低建筑工地的安全要求、运输成本和混凝土生产成本。此外，由于车道关闭导致的交通延误和生产力损失也大大减少。

 

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

 

海恩斯说：“钢纤维和聚乙烯纤维的重量差别很大。”

 

对于螺纹钢，海恩斯说：“我们使用了65磅的钢材，钢铁的生产会产生大量的温室气体——也会产生大量的能源。使用聚合纤维和合成纤维可以节省很多能源。我们只使用了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%的混凝土使用量，这意味着我们减少了20%的水泥使用量。”

 

消除钢筋的好处是减少了电气化运输系统中杂散电流的潜在腐蚀，不过这无足轻重。

 

工人安全

 
在埋在新混凝土中的不稳定钢筋上行走，是一项具有挑战性的任务。

 

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出来，这样工人们在无法支撑自身重量的12英寸钢筋层中行走时，就不会被绊倒。现在，他们站在坚实的地面上，在铁轨周围浇筑混凝土。”

 

图源ASU

 

“我们这里使用的混凝土类型是纤维增强混凝土，”凤凰城的质量保证经理法哈德·拉希米(Farhad Rahimi)说，“这里面没有钢筋。它是混凝土内部的纤维，这使它比钢筋更容易施工，也更快。至于质量，我们得到的质量和(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作” 。莫巴舍尔说：“但肯定会更人性化。我非常尊敬这些建筑工人。”

 

他说：“可持续工程的使命是关注人类生存条件的长期改善，包括工人和环境安全。”

 

可持续性益处

 
莫巴舍尔说：“在过去的50年里，我们在材料科学领域学到的是，我们越仔细地观察微观结构，我们就越能在宏观层面上理解材料。”

 

可持续工程的总目的是在不同的层次上设计材料，这听起来可能不太直观，但它具有承重质量，可以延长寿命，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300亿吨混凝土。我们还使用了大约5亿吨钢筋来加固混凝土以承受负荷。”

 

“这产生相当多的碳足迹，仅仅因为这两种成分，因为你不能使用混凝土而无法加固。”

 

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寿命可能超过100年。

 

莫巴舍尔的任务之一是将这些可持续的混凝土技术推广到其他城市和社区。类似的具体公式在世界各地都被采用，但它们通常都有专有的限制。

 

莫巴舍尔说：“在我们的实验室，我们通过结合设计规范、分析和计算机模拟设计工具，为结构部件的设计验证提供科学依据。”

 

“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。这种方法使我们能够调整工程师在使用寿命内所能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这样的挑战——处理采矿应用、环境结构、运河、桥梁设计和钢结构——这在工业和社区测试新技术方面，是持久性的资源。

 

莫巴舍尔说：“我们想说明，（纤维增强混凝土）施工过程可以是当地社区与当地建筑公司合作的一个亲力亲为的项目。市政、工业、政府机构和大学之间的合作可以共同分享资源、削减成本、提高可持续性。”