在电梯井道中使用玻璃纤维钢筋

在本读者交流平台中，作者将探讨其优势、挑战和应用。

作者：帕特里克·莫里西

介绍 

随着建筑材料不断发展以满足耐久性、安全性和可持续性的要求，玻璃纤维增​​强聚合物（GFRP）钢筋已成为传统钢筋的可行替代方案。其中一项备受关注的特殊应用是将玻璃纤维钢筋用于电梯井道——电梯井道是至关重要的结构部件，必须在严苛条件下保持长期完整性。

什么是GFRP钢筋？ 

玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）钢筋是一种由高强度玻璃纤维嵌入树脂基体中制成的复合材料。与钢筋不同，它具有不腐蚀、重量轻且不导电的优点。这些特性使其在需要考虑钢筋劣化或电磁干扰的环境中尤为具有吸引力。

为什么需要电梯井？ 

电梯井道面临着独特的结构和环境挑战，其中包括： 

• 高湿度和地下水或冷凝水造成的潮湿环境 
• 维护和维修的便利性有限 
• 使用寿命长（50 年至 100 年以上） 
• 现代电梯系统对电磁干扰的敏感性 

传统钢筋虽然强度高、应用广泛，但容易腐蚀，尤其是在地下或通风不良的竖井中。腐蚀会导致开裂、剥落，最终造成高昂的维修费用。

电梯井道中使用玻璃纤维增​​强复合材料钢筋的优势 

电梯井道中使用玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）钢筋的优点众多，其中包括： 

· 耐腐蚀性：玻璃纤维钢筋即使在高湿度、氯化物暴露或地下水渗入等恶劣环境中也不会生锈或腐蚀。这显著延长了电梯井道的使用寿命。

• 轻便易操作：玻璃纤维钢筋的重量约为钢材的四分之一，从而减轻了运输和安装的难度。这在空间有限的竖井施工中尤为有利。
• 电磁中性：与钢材不同，玻璃纤维钢筋不导电且不具磁性。这最大限度地减少了对电梯控制系统、传感器和通信设备的干扰——这在智能建筑中日益重要。
• 高抗拉强度：玻璃纤维钢筋具有更高的抗拉强度——是钢的 2 倍——使其适用于抵抗钢筋混凝土结构中的拉力。
• 降低维护成本：由于玻璃纤维钢筋消除了腐蚀引起的劣化，因此可以降低长期维护和维修成本，使其在建筑物的整个生命周期内具有成本效益。

虽然玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）钢筋在钢筋混凝土中的应用已超过30年，但其最初的主要用途是用于医疗扫描仪等无法使用金属钢筋的场合，以及对腐蚀零要求的关键应用领域。您可能会问，为什么GFRP钢筋没有完全取代传统的金属钢筋？直到最近，原因包括：

• 玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）曾经比传统钢筋贵，但现在价格便宜了。
• 所有弯管都需要工厂加工。
• GFRP并不能在所有情况下自动替代传统钢筋。

其他原因包括：

• 替换并非一对一。
• 需要重新设计钢筋要求。
• 美国混凝土协会最近才将玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）纳入大多数应用领域的替代材料范围。

结构稳定与加固

混凝土和砌体结构构件可采用先进的复合材料加固系统进行改造，包括纤维增强聚合物（FRP）/碳纤维增强聚合物（CFRP）和纤维增强水泥基复合材料（FRCM）等解决方案，具体取决于结构缺陷、设计目标和所需的加固程度。复合材料最初应用于土木工程领域，例如桥梁桥墩的抗震加固，为传统的钢套加固提供了一种切实可行的替代方案。随着时间的推移，工程师们逐渐认识到，这些高性能系统可用于解决现有建筑和基础设施中存在的各种结构缺陷。

如今，FRP 和 FRCM 系统都能提供高效、轻便且高效的加固解决方案，尤其适用于需要在限制干扰、限制通道和严格控制额外厚度和重量的情况下进行结构升级的项目——所有这些因素在电梯行业（包括井道、机房、层台、楼板、墙壁和相关支撑结构）中通常都非常重要。

FRP和FRCM系统包括：

• 易于运输和现场操作，这对于难以进入的建筑物、狭窄的空间或受限的工作区域来说是一个显著的优势。
• 因其高强度刚度重量比而闻名，工程师可以在不引入大量额外静载荷的情况下实现有意义的结构改进。
• 材料非常薄，占用空间小，而且对结构的重量增加极少——这在尺寸限制非常严格的场合是一个重要的优势。

FRP和FRCM加固系统均能轻松适应现有形状和几何结构，因此适用于各种结构细节和不规则基材。FRCM系统将高强度纤维网与无机矿物基体相结合，尤其适用于混凝土和砌体基材，尤其适用于基材相容性、透气性和高温性能是重要设计考虑因素的情况。

通常情况下，安装这些材料所需的空间和时间都非常有限。在许多情况下，施工可以在建筑物正常使用的情况下进行，从而最大限度地减少对居民、用户和楼宇运营人员的不便。即使在空间有限的施工现场，包括那些施工窗口受限且必须最大限度减少停工时间的情况，通常也能高效地规划安装工作。

FRP和FRCM系统本身就是极具竞争力的解决方案。与传统的加固技术相比，这些先进的复合材料改造系统通常具有成本效益，因为它们在总安装成本、施工速度、减少人工需求以及降低对建筑正常使用的影响等方面都表现出色。此前，笔者曾与《电梯世界》（2023年3月）杂志就FRCM的应用进行过行业对话，此次再进一步探讨，可谓是形成了一个完整的闭环。

确定渗水的可能性

许多建筑物的设计和建造都建在曾经是高产谷物田的土地上。这些地势低洼的地方，地下水位波动较大。根据气候数据、地质位置和/或土壤钻探调查中获取的地下水位数据，这些水位在一个季节内可能会变化 1 到 5 英尺。

开发商和建筑商经常会查看土壤勘测报告——这份报告可能是在旱季或类似干旱时期采集的——并发现，在当时测量地下水位时，4到5英尺深的井坑不会受到静水压力的影响。但当气候模式发生变化时，水就会突然开始在电梯井坑底积聚。

大多数建筑规范不允许在电梯井内设置集水坑来收集地下水。这是因为地下水很容易受到石油污染，而且通常情况下，收集到的地下水会被机械泵抽到雨水排放系统中。

如果电梯井位于地下水位 5 英尺以内，请牢记以下准则：

• 电梯井道一定要用现浇混凝土建造。
• 在所有施工缝处使用止水带。
• 在地板/地基下方和墙壁上安装防水膜。
• 请注意，液压竖井可以在坑道建成后钻探；将防水膜与外部竖井油缸连接起来需要一些规划。

电梯井防水灌浆

电梯井是建筑物中最容易受到水侵袭的区域之一。电梯井位于建筑物的最低点，通常低于地下水位，因此经常受到静水压力和地下水渗漏的影响。

因此，它们极易发生渗漏，从而导致设备损坏、腐蚀、霉菌滋生、安全隐患以及代价高昂的停机损失。防水灌浆为应对这些挑战提供了一种行之有效的长期解决方案。

如果防水措施不到位，电梯井道内的渗水会加速结构劣化，并损害关键的电梯部件。及早处理渗水问题对于保护电梯结构和确保电梯系统的可靠性至关重要。

电梯井泄漏既令人烦恼，又会造成巨大的成本损失。当地下水渗入电梯井并与液压油混合时，受污染的水必须抽出并作为危险废物处理。这不仅会增加修复和处置成本，还会使建筑业主面临合规风险和系统停机时间延长的问题。

电梯井常见渗水来源

大多数电梯井泄漏是由以下一种或多种情况引起的：

• 楼板与墙体连接处或墙角处的冷接缝
• 混凝土墙或楼板裂缝
• 电梯柱塞周围出现裂缝
• 整面墙体缺乏外层防水层或外层防水层已失效
• 管道和导管穿透

在许多情况下，渗水可能是这些条件共同作用的结果。

注浆灌浆的工作原理

注浆密封法从源头上封堵渗水通道，阻止水在混凝土结构中流动，而不仅仅依赖于表面涂层。该工艺是将亲水聚合物（例如疏水性或亲水性聚氨酯树脂或丙烯酸酯树脂）注入混凝土内部的裂缝、接缝和空隙中。

当外部防水失效或不存在时，也可以将水反应聚合物注入墙体后面，使其在建筑物的外部形成防水“囊”。

在压力作用下，这些材料会与水或基材中已有的水分发生反应，膨胀形成柔性泡沫或凝胶。这种膨胀使灌浆料能够渗入细小的裂缝，密封渗漏点，并形成持久耐用、防水的屏障，能够抵抗静水压力。

表面处理和泄漏评估

在灌浆之前，必须对电梯井进行评估，以确定泄漏路径、裂缝、冷接缝以及墙体与楼板的过渡区域。虽然灌浆能够非常有效地止住现有泄漏，但适当的准备工作可以提高灌浆效果。这通常包括表面清洁、裂缝分布图绘制以及沿已确定的泄漏位置按控制间隔安装机械灌浆口。

注浆加固：一种行之有效的解决方案

注浆加固是一种成熟有效的电梯井防水解决方案，尤其适用于存在渗水问题的场所。该方法通过从源头密封渗漏点并形成持久的防水屏障，从而保护结构完整性，维护关键电梯设备，并降低长期维护和维修成本。

防止新建建筑中大部分电梯井维修的唯一方法是，让设计专业人员提供的结构图纸不再使用五种传统形式的金属钢筋中的任何一种，而是完全使用非金属钢筋。

如今，不仅成本更低，而且电梯井内钢筋的用量对所需材料的总成本影响甚微。安装也更加简便。虽然这相对简单，但如果您意识到您当前更紧迫、更关键的问题是现有结构采用传统钢筋建造，且修复成本高昂，那么使用玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）钢筋就成了次要问题。您首要关注的是现有钢筋的渗水和腐蚀问题。

让我们回到灌浆的话题。多年来，地上裂缝通常用环氧树脂填充，而易受渗水影响的地下裂缝则用亲水性或疏水性树脂灌浆。裂缝灌浆曾是标准做法，但在许多情况下，它只是将水转移到了结构的其他部分。如今，有了新的方法和材料，我们可以从负侧（墙体的内侧）安装正侧膜（墙体的外侧），从而形成一个可靠的“防水膜”——这基本上是对所有地下结构的一种预防措施。这些技术已成功应用超过30年，应用范围从单个电梯井到完整的建筑地基、核电站、紧急改造防水工程，甚至包括纽约市3号水隧道（深度约600英尺）。

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