先張法預應(yīng)力波型板樁截面分析與力學試驗

黃建華，朱永濤，覃少杰，常建華

(1.福建工程學院 土木工程學院 福建 福州350118; 2.地下工程福建高校重點實驗室 福建 福州350118)

預應(yīng)力混凝土板樁作為一種新生的預制混凝土直立式擋土支護結(jié)構(gòu)，在土地資源日益緊缺的城市區(qū)域內(nèi)的河道整治工程、市政管道工程、基坑支護工程的建設(shè)中可以極大程度的減少征地面積，降低對周邊環(huán)境的影響[1-3]。由于獨特的結(jié)構(gòu)截面設(shè)計使其在力學性能、擋土止水等方面具有一定優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，隨著建筑行業(yè)的不斷進步，混凝土板樁的制造工藝不斷提升，其截面形式也由單一的矩形截面發(fā)展到方形薄壁、工字形薄壁等形式[4-5]。

當前，在水利、港口、碼頭等工程領(lǐng)域中常見的擋土結(jié)構(gòu)主要有普通混凝土平板樁、鉆孔灌注樁以及地下連續(xù)墻等傳統(tǒng)的支護方式。此類支護結(jié)構(gòu)的共同特點為需現(xiàn)場施工澆筑混凝土，從而導致施工周期變長，工程成本提高。而預制混凝土板樁可以很好地解決現(xiàn)澆混凝土支擋結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的缺點。先張法預應(yīng)力波型板樁(以下簡稱“波型板樁”)作為一種新型擋土支護用預制混凝土板樁，相對于傳統(tǒng)的混凝土支護樁具有結(jié)構(gòu)擋土截面大、抗彎抗剪強度高、施工工期短、經(jīng)濟生態(tài)效益顯著等優(yōu)點[6-7]，是一項綠色節(jié)能工程技術(shù)產(chǎn)品，對河岸駁堤、邊坡基坑等工程應(yīng)用技術(shù)有重要意義。

1 波型板樁截面設(shè)計

1.1 板樁截面形式

在水利邊坡與基坑支護工程中，要求支護結(jié)構(gòu)不但要滿足擋土要求，還要具有止水功效。波型板樁截面設(shè)計形式可以同時發(fā)揮擋土與止水作用，截面形式借鑒了鋼板樁的力學性能優(yōu)越性和材料制作的經(jīng)濟性。結(jié)合混凝土板樁截面形式與河岸、邊坡工程的支護擋水要求，新型預應(yīng)力波形板樁的截面形式如圖1所示，截面設(shè)計利用槽榫搭接的方式實現(xiàn)樁與樁之間的搭接，并發(fā)揮其止水作用[8]。

圖1 預應(yīng)力波型板樁截面簡圖

1.2 截面有效預壓應(yīng)力計算

混凝土的彈性變形、徐變、收縮以及預應(yīng)力鋼筋的松弛是混凝土波形板樁截面有效預壓應(yīng)力的主要影響因素。此外，張拉錨具的變形和鋼筋內(nèi)縮、混凝土蒸汽養(yǎng)護、預應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛以及混凝土收縮和徐變同樣會引起預應(yīng)力鋼筋預應(yīng)力的損失[9]。一般來說，當分析所得的預應(yīng)力總損失值小于100 MPa時，取100 MPa。樁身混凝土有效預壓應(yīng)力σce具體可以參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)中有關(guān)混凝土有效預壓應(yīng)力值的方法進行分析[10]。

2 波形板樁力學性能計算

2.1 樁身抗裂彎矩計算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)波型板樁抗裂彎矩Mcr按式(1)計算：

Mcr=(σce+γ·ftk)·W0

(1)

式中：Mcr為波形板樁樁身抗裂彎矩, kN·m；σce為波形板樁樁身截面混凝土有效預壓應(yīng)力, MPa；ftk為樁身混凝土抗拉強度標準值, N/mm2；γ為混凝土截面抵抗矩塑性影響系數(shù)；W0為板樁換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩, mm4。

2.2 樁身正截面抗彎承載力計算

波型板樁采用預應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在保證構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度的同時降低了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)配筋率[11-12]。取樁身正截面受彎承載力計算示意圖如圖2，本文以截面高度為450 mm和600 mm的樁型作為主要研究對象，進行力學性能分析。

圖2 波型板樁受彎承載力計算示意圖

由于波型板樁頂板位于受壓區(qū)內(nèi)，故受壓區(qū)高度的不同會引起受壓區(qū)截面形式的變化如圖3。

圖3 波型板樁受壓區(qū)高度

①若符合式(2)的條件，按高度為x的梯形截面分析。

fpyAp+fyAs

(2)

②若不符合式(2)的條件，其正截面的受彎承載力按下列公式計算。

根據(jù)力矩平衡條件可知：

M

(3)

根據(jù)水平方向力的平衡條件可得：

fpyAp+fyAs=α1fc[Ac1+b(x-hf)]+

(4)

適用條件為：

xξbh0

(5)

x≥2a'

(6)

(7)

如果x2a'，可近似按以下方法計算。

M

(8)

M

(9)

2.3 樁身抗剪承載力計算

當配有箍筋時，波型板樁斜截面的抗剪承載力Qp應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)第6.3.4條的規(guī)定計算：

Qp=Vcs+Vp

(10)

式中：Qp為波形板樁斜截面抗剪承載力設(shè)計值, kN；Vcs為預應(yīng)力波形板樁斜截面混凝土和橫向鋼筋抗剪承載力設(shè)計值, kN；VP為由預應(yīng)力所增加的部件抗剪承載力設(shè)計值, kN。

(11)

Vp=0.05Np0

(12)

式中：λ為計算截面的剪跨比，取l=1.5；fyv為橫向鋼筋抗拉強度設(shè)計值, N/mm2；Asv為橫向鋼筋的截面面積, mm2；S為沿長度方向的橫向鋼筋間距, mm；Np0為計算截面上混凝土法向預應(yīng)力等于零時縱向鋼筋的合力, N；σp0為預應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土法向應(yīng)力等于零時的預應(yīng)力鋼筋應(yīng)力, N/mm2。

2.4 計算實例

依據(jù)上文理論計算公式，計算不同截面高度波型板樁的力學性能，構(gòu)件采用C60高性能混凝土，縱向受力鋼筋采用直徑為15.2 mm的預應(yīng)力鋼絞線，其中頂板與底板預應(yīng)力鋼絞線的數(shù)量相同，箍筋按照規(guī)范要求配置1Φ8@200。為與試驗形成對比，理論計算時波型板樁原材料的力學性能均采用標準值。各詳細參數(shù)及計算過程見表1、表2。

表1 波型板樁截面尺寸及配筋情況表

續(xù)表1

表2 波型板樁力學性能分析表

3 載荷試驗與分析

3.1 抗彎試驗

采用簡支梁對稱加載裝置對波型板樁進行抗彎試驗分析，如圖4所示，其中豎向荷載F的方向垂直于地面(波型板樁的軸線與地表平行)?？箯澰囼炗玫牟ㄐ桶鍢兑蠼孛娓叨葹?50 mm單節(jié)樁長不得小于6 m，截面高度為600 mm，單節(jié)樁長不得小于7 m，且最大樁長均不超過15 m。本實驗中采用截面高度450 mm的AB+型波型板樁進行抗彎試驗，樁長為12 m。

注：1分配梁鉸支座墊板；2分配梁固定鉸支座；3分配梁；4分配梁滾動鉸支座；5波型板樁；6滾動鉸支座；7支墩鉸支座墊板；8支墩；9固定鉸支座；10、11、12測撓度用百分表。

圖4波型板樁抗彎試驗示意圖

Fig.4Bendingtestofacorrugatedsheetpile

(1)加載程序

第一步：根據(jù)抗裂彎矩的大小以20%的差值，由0逐級加載至抗裂彎矩的80%，每級荷載的持續(xù)時間180 s；然后再以抗裂彎矩的10%為差值，由80%逐級加載至100%。每級荷載的持續(xù)時間180 s，觀察是否有裂縫出現(xiàn)，測量并記錄各項讀數(shù)。

第二步：若加載至抗裂彎矩的100%時，樁身沒出現(xiàn)裂縫，則以抗裂彎矩5%的差值繼續(xù)加載至樁身出現(xiàn)裂縫。每級荷載彎矩的持續(xù)時間依然180 s，觀察并記錄出現(xiàn)裂縫時荷載大小及裂縫寬度。

第三步：按極限彎矩5%的級差繼續(xù)加載，構(gòu)件達到極限狀態(tài)的標志有以下3種：樁身受拉區(qū)范圍內(nèi)裂縫寬度達到1.5 mm；受拉鋼筋被拉斷；受壓區(qū)混凝土破壞；出現(xiàn)以上任一現(xiàn)象時，觀察并記錄出現(xiàn)裂縫時荷載大小及裂縫寬度。

(2)彎矩計算公式

垂直向下加載：

(13)

垂直向上加載：

(14)

水平加載：

(15)

式中：M為抗彎彎矩；G為波形板樁重量；L為波形板樁長度；F為試驗荷載值；a為1/2的加荷跨距，長度為0.5 m。

(3)抗裂荷載和極限荷載的確定

抗裂荷載的取值方法如表3所示，極限荷載的取值方法如表4所示。

表3 抗裂荷載的取值方法

表4 極限荷載的取值方法

3.2 抗剪試驗

利用對稱加載裝置進行波型板樁的抗剪試驗，如圖5，其中，F(xiàn)垂直于地面方向，剪跨b取2.0H，試件懸出長度L1取(2.0～3.0)H。L試驗用波型板樁長度；1/2a的加荷跨距，長度0.5 m；

注：1分配梁支點；2分配梁；3波型板樁；4鉸支座；5支墩；

圖5波型板樁抗剪試驗示意圖

Fig.5Shearingtestofacorrugatedsheetpile

(1)加載程序

第一步：根據(jù)抗剪承載力設(shè)計值以20%的差

值，由0逐級加載至剪力設(shè)計值的80%，每級荷載的持續(xù)時間為180 s；然后再以剪力設(shè)計值的10%為差值，逐級加載至100%。每級荷載的持續(xù)時間保持180 s，觀察是否有裂縫出現(xiàn)，測定并記錄各項讀數(shù)。

第二步：若加載至剪力設(shè)計值的100%時樁身沒有出現(xiàn)裂縫，則以剪力設(shè)計值的5%為差值繼續(xù)加載至樁身出現(xiàn)裂縫。每級荷載彎矩的持續(xù)時間依然為180 s，觀察并記錄出現(xiàn)裂縫時荷載大小及裂縫寬度。

(2)抗剪承載力計算公式

實測抗剪承載力按下式計算：

(16)

式中：Q為抗剪承載力；F為剪跨內(nèi)產(chǎn)生斜拉裂紋時的荷載。

(3)抗剪承載力的確定

抗剪承載力的取值方法如表5所示。

表5 抗剪承載力的取值方法

3.3 試驗結(jié)果分析

以截面高度450 mm的AB+型波型板樁為實例，表6列出了此種樁型的抗裂彎矩、抗剪承載力、極限彎矩理論值、實驗值以及二者比值。通過分析計算，抗裂彎矩實驗值與理論值的比值為1.21，抗剪承載力實驗值與理論值的比值為1.06，極限彎矩實驗值與理論值的比值為1.14。由此可見，理論計算方法可真實反映波型板樁的抗剪承載力和極限彎矩；此外，抗裂彎矩理論計算值與實測值相比偏小，工程上利用理論值作為設(shè)計值可能偏于保守。

表6 力學試驗與理論計算結(jié)果分析

4 結(jié)論

1)直接利用波型板樁原截面形式特點，給出截面有效預壓應(yīng)力的確定方法，推導波型板樁截面力學性能分析的理論計算公式，并通過力學試驗證明。相對于以往等效截面計算方法，新方法計算過程簡單明了，計算結(jié)果更加科學合理，可為波型板樁的設(shè)計提供理論依據(jù)，便于實際工程項目的應(yīng)用推廣。

2)新型波型板樁特殊的截面結(jié)構(gòu)形式不僅提高了擋土截面寬度，而且有效提高了截面高度與截面慣性矩，使得板樁受力性能得到顯著提升，經(jīng)濟效益明顯，是一種更為合理的擋土止水圍護樁型。

3)通過波型板樁抗彎試驗與抗剪試驗的操作實施與計算分析，給出了波形板樁抗裂彎矩、抗剪承載力的確定方法，并將理論分析與試驗值進行對比，結(jié)果基本吻合,證明計算方法合理可行。

4)本研究僅針對單根波形板樁進行力學性能分析與試驗驗證，實際工程應(yīng)用中，波形板樁擋土止水過程形成排樁聯(lián)合受力，樁間土所產(chǎn)生的“拱效應(yīng)”對板樁受力形態(tài)的影響尚需進一步深入研究。