預應力混凝土空心方樁樁體抗彎試驗研究

龍絳珠，王 鳳

(福州大學陽光學院，福州 350015)

預應力混凝土空心方樁具有單樁豎向承載力高、企業(yè)化生產(chǎn)、運輸綁扎方便、施工速度快和質量性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用于建筑工程、道路橋梁和港口工程等土建工程中，成為國內選用較多的一種樁型。目前針對預應力混凝土空心方樁樁體材料承載性能和樁接頭抗彎承載力已有很多研究成果，對于樁體的抗彎承載力研究相對較少，本文在結合原型試驗結果的基礎上，對預應力混凝土空心方樁抗彎承載力進行分析。

1 預應力混凝土空心方樁抗彎承載力試驗

本試驗選取的樁為邊長300mm內徑、150mm(KFZ－A300(150)－10)和邊長 400mm、內徑240mm(KFZ－A400(240)－10)的兩組A型預應力混凝土空心方樁，樁長皆為10m。

1.1 試驗條件

抗彎試驗依據(jù)規(guī)范《預應力離心混凝土空心方樁》(JCT2029－2010)要求，具體試驗加載裝置采用簡支梁對稱，使用DH3815N分布式靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，采用100mm*3mm型電阻應變片;裂縫寬度采用ZBL－F101型裂縫寬度觀測儀測讀;裂縫分布及發(fā)展的記錄采用數(shù)碼攝影像裝置及毫米方格紙，如圖1所示。

圖1 抗彎試驗示意圖

1.2 試驗計算公式

式中:M為抗彎彎矩，kN·m;

W為預應力混凝土空心方樁重量，kN;

L為預應力混凝土空心方樁長度，m;

P為荷載(包含設備重量在內)，kN;

b為1/2的加載跨距，m。

2 抗彎承載力試驗結果及分析

2.1 抗彎試驗承載力結果分析

預應力混凝土空心方樁在豎向荷載作用下的抗彎承載力及極限承載力見表1。

在表1中，S1樁的規(guī)范抗裂彎矩為31kN·m，試驗加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.19倍時出現(xiàn)第1條裂縫，將此時所對應的彎矩值確定為實測的抗裂彎矩門檻值，當加載至極限彎矩值45kN·m的1.11倍時裂縫寬度達到1mm，本文將其所對應的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實測的抗裂彎矩和極限彎矩分別為37kN·m和50kN·m;表中S2樁的規(guī)范抗裂彎矩為31kN·m，實際試驗加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.16倍時出現(xiàn)第1條裂縫，所對應的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當加載至極限彎矩值45kN·m的1.13倍時裂縫寬度達到1mm，本文將其所對應的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實測的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為36kN·m和51kN·m;表中S3樁的規(guī)范抗裂彎矩為80kN·m，當加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.18倍時出現(xiàn)第1條裂縫所對應的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當加載至極限彎矩值108的1.3倍時裂縫寬度達到1mm，本文將其所對應的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實測的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為94kN·m和140kN·m;表中S4樁的規(guī)范抗裂彎矩為80kN·m，當加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.19倍時出現(xiàn)第1條裂縫，所對應的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當加載至極限彎矩值108kN·m的1.3倍時裂縫寬度達到1mm，本文將其所對應的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實測的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為95kN·m和140kN·m。

表1 空心方樁抗彎試驗結果

由以上分析可以得出，本試驗實測值均比規(guī)范值大，因此說明規(guī)范值比較保守，偏于安全，未能充分發(fā)揮預應力混凝土空心方樁的抗彎性能，如圖2所示。

圖2 抗彎性能對比圖

通過數(shù)理統(tǒng)計方法分析得出的試驗值與規(guī)范值比值的平均值、樣本標準方差及變異系數(shù)見表2。

表2 空心方樁抗彎承載力試驗值與規(guī)范值的比較

從表2分析可知:抗裂彎矩門檻值試驗值與規(guī)范值之比的平均值、標準差和變異系數(shù)分別為1.18、0.01 和 0.008，標準差為 0.01，變異系數(shù)為0.008，說明采集的試驗值樣本波動性較小，試驗樁抗彎承載性能穩(wěn)定。同時從表中還可以得出極限彎矩試驗值與規(guī)范值之比的平均值、標準差和變異系數(shù)分別為 1.20、0.1 和 0.083，標準差為 0.1，變異系數(shù)為0.08，由于試驗樁體處于極限破壞狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，較抗彎彎矩門檻值波動性大。但由于極限彎矩試驗值與規(guī)范值之比的標準差與變異系數(shù)依然處于較小值，說明采集的試驗值樣本波動性較小，試驗樁極限抗彎承載性能相對比較穩(wěn)定。同時也說明抗彎承載力與極限承載力有較好的安全儲備。

分析其原因:規(guī)范值計算公式(1)未考慮有關離心生產(chǎn)工藝的問題，空心方樁離心成型的生產(chǎn)工藝與普通的混凝土預制構件的澆筑方法有很大不同，離心成型使樁體混凝土部分有一定的分層現(xiàn)象，一般內部主要是水泥砂漿，外層以碎石居多，在抗彎過程中除預應力鋼筋抗彎作用外，外層的碎石與水泥漿體的膠結作用也具有一定的抗彎能力，而普通混凝土預制構件由于其相對比較均勻，削弱了外層碎石的抗彎能力。因此在分析離心成型工藝的混凝土抗彎強度時需進行修正，本文擬采用抗彎強度修正系數(shù)k，以達到在具備一定安全儲備的條件下，充分發(fā)揮建筑材料性能，由試驗所采集的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，在計算預應力混凝土空心方樁的抗裂彎矩時取抗彎強度修正系數(shù)k=1.2是比較合適的。

2.2 試驗抗彎裂縫分布結果分析

KFZ300(150)型預應力混凝土空心方樁在彎矩作用下發(fā)生斷裂破壞時的裂縫分布示意圖如圖3所示。從圖中可以看出裂縫絕大部分均勻分布于跨中左右約3.5m范圍內，發(fā)生斷裂破壞時主要裂縫共有20條，平均長度為25.7cm，斷裂破壞發(fā)生時裂縫破壞的主要分布特點為中間長兩端短。預應力混凝土空心方樁的第一條裂縫位于跨中左側8cm位置處，而斷裂裂縫則位于右側6cm處，初始第一裂縫和斷裂裂縫都發(fā)生在純彎段內。

KFZ400(240)型預應力混凝土空心方樁在彎矩作用下發(fā)生斷裂破壞時的裂縫分布示意圖如圖4所示。從圖中可以看出裂縫絕大部分均勻分布于跨中左右約3.5m范圍內，發(fā)生斷裂破壞時主要裂縫共有20條，平均長度為34cm，斷裂破壞發(fā)生時裂縫破壞的主要分布特點為中間長兩端短。預應力混凝土空心方樁的第一條裂縫位于跨中左側4cm位置處，而斷裂裂縫則位于跨中位置處，初始第一裂縫和斷裂裂縫均發(fā)生在純彎段內。

圖3 KFZ300(150)型樁裂縫分布示意圖

圖4 KFZ400(240)型樁裂縫分布示意圖

3 結論

通過兩組預應力混凝土空心方樁現(xiàn)場原型試驗，對預應力混凝土空心方樁的抗彎承載力進行了研究，結論如下:

(1)本試驗實測值均比規(guī)范規(guī)定值大，由此說明規(guī)范規(guī)定值均偏保守，預應力混凝土空心方樁的抗彎性能能夠達到相關標準規(guī)定的數(shù)值，且極有可能預應力混凝土空心方樁抗彎承載力實測值較標準規(guī)定值大，按設計要求選擇樁型能達到相應要求。

(2)在試驗數(shù)據(jù)的基礎上，考慮離心成型工藝，在抗彎強度規(guī)范計算公式中考慮修正系數(shù)k=1.2，具有一定參考價值。但本試驗樣本有限，還需大量試驗數(shù)據(jù)對修正系數(shù)k進行進一步的修正。

(3)抗彎試驗的裂縫分布示意圖顯示，在彎矩作用下樁體裂縫分布于跨中兩邊大概3.5m范圍內，樁身應力主要集中在跨中的純彎段內，樁體受極限抗彎承載力作用破壞后仍具有較高的抗彎承載力。

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