預應力鋼絞線超高強混凝土管樁抗剪性能試驗研究

周清暉，陳 剛2，徐銓彪2，龔順風，肖志斌2，劉承斌

(1.浙江大學 結構工程研究所， 杭州 310058；2.浙江大學 建筑設計研究院有限公司， 杭州 310028)

1 研究背景

預應力混凝土管樁單位承載力造價低、成樁質量可控性強、設計選用范圍廣、施工方便，目前已廣泛應用于建筑樁基工程。但工程中陸續(xù)暴露出樁身水平荷載承載力不足、脆性破壞明顯、延性差等問題，沿海部分地區(qū)已禁止普通預應力混凝土管樁用于抗拔和高層建筑[1-4]。普通預應力混凝土管樁的縱筋為預應力鋼棒，其延性較差，而鋼絞線則具有較高的抗拉強度和良好的拉伸延性。本文創(chuàng)新性地提出了以有粘結鋼絞線替代傳統(tǒng)預應力鋼棒作為管樁主筋，采用一系列創(chuàng)新工藝[5-8]，研發(fā)了先張法預應力鋼絞線超高強混凝土管樁，解決了普通預應力混凝土管樁抗剪能力差的問題。并結合實際工程需求，設計了不同截面尺寸和配筋率的樁型。

表1 試件幾何尺寸和配筋規(guī)格Table 1 Geometric dimensions and reinforcement specifications of test specimens

近年來，預應力混凝土樁在水平荷載作用下的承載能力引起了國內外學者的高度重視。劉永超[9]指出管樁在水平荷載作用下的彎曲破壞往往早于剪切破壞；亓樂等[10]進行了室內縮尺模型試驗，得出管樁單樁和群樁承載力試驗值均大于規(guī)范計算結果的結論；張忠苗等[11-12]研發(fā)了鋼筋加強型預應力混凝土管樁，進行了抗彎抗剪性能的對比試驗研究，認為增加非預應力筋可以改善預應力混凝土管樁的抗彎性能，并減小剪力作用下的變形量；Akdag等[13]在混凝土中加入鋼纖維，研究了在砂土中樁身的抗側承載力，發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫處的鋼纖維能夠有效幫助傳力，試驗樁具有更好的抗剪能力，極限彎矩和延性也得到相應的提高；鄭剛等[14]對填芯混凝土管樁抗剪承載力進行了試驗研究，結果表明填芯可以大幅提高抗剪承載力并改善其脆性破壞性質；徐銓彪等[15-16]對復合配筋混凝土預制方樁樁身分別進行了抗彎、抗剪性能試驗研究，結果表明配置非預應力鋼筋可以顯著提升預制方樁的抗彎、抗剪承載力和變形延性。

依據(jù)工程中常用的預應力混凝土管樁尺寸，選取外徑400，500，600 mm的3種樁型共6根管樁進行足尺度抗剪性能試驗。其中，預應力鋼絞線超高強混凝土管樁(下稱鋼絞線樁)分別編號為GJX400I95，GJX500I100，GJX600I110，樁型相同配筋率相當?shù)钠胀A應力超高強混凝土管樁(下稱鋼棒樁)編號為PHC400AB95，PHC500AB100，PHC600AB110。對比分析管樁試件抗剪承載力、變形延性、破壞特征及裂縫開展等方面的差異，為新型預應力鋼絞線超高強混凝土管樁的設計與工程應用提供重要的依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試驗設計

本次試驗重點研究管樁樁身的抗剪性能，以管樁試件鋼筋斷裂或混凝土壓碎破壞作為終止加載條件。試件的幾何尺寸及配筋詳見圖1和表1。其中：D為管樁的外徑；Dp為預應力鋼筋分布圓直徑；t為管樁壁厚；ρs為縱向鋼筋配筋率；σcon為預應力鋼筋的張拉控制應力；σce為混凝土有效預壓應力。

圖1 預應力超高強混凝土管樁配筋示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reinforcement ofprestressed ultra-high strength concrete pipe pile

試驗加載參考國家標準[17]，采用4點加載方式，每根管樁試件長5.0 m，剪跨長度為管樁外徑D，跨中1.0 m為純彎段，使用YAW-10000F型微機控制電液伺服多功能試驗機對管樁試件進行加載。如圖2所示，應變片分布情況為：管樁純彎段跨中上下表面各1片、左右兩側彎剪段中部延45°角單側各布置3片，共8片；位移計分布情況為：管樁跨中以及支座處各1支，共3支。需要說明的是，由于場地所限，底部支座距離不大于2.0 m，故將外徑600 mm管樁試件加荷跨距根據(jù)剪力與彎矩關系及剪跨比縮減至600 mm，如圖2(c)所示。

圖2 管樁試件抗剪試驗加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading on pipe pilespecimens in shearing test

2.2 材料力學性能

制作混凝土管樁試件的同時制作9個100 mm ×100 mm×100 mm的立方體試塊，試塊的養(yǎng)護條件與管樁的養(yǎng)護條件完全相同，實測混凝土立方體試塊抗壓強度平均值fcu,10=116.1 MPa。根據(jù)文獻[19]中的計算公式進行換算，混凝土的標準立方體抗壓強度fcu、軸心抗拉強度fc以及抗拉強度ft如表2所示?；炷翆崪y強度等級約為C105，屬于超高強混凝土。

預應力筋分別采用低松弛螺旋槽鋼棒和低松弛鋼絞線，螺旋箍筋采用甲級冷拔低碳鋼絲。分別取ФD10.7鋼棒、ФD11.1鋼絞線、Фb4鋼絲和Фb5鋼絲各3根進行材料性能拉伸試驗，測得彈性模量Ep、屈服強度fy、極限強度fu、最大抗拉力Fmax、公稱截面面積A0和最大力伸長率δ如表3所示。

表2 混凝土強度換算Table 2 Conversion of concrete strength

表3 鋼筋材料參數(shù)Table 3 Material parameters of reinforcing bars

3 試驗結果與分析

3.1 抗剪承載力

根據(jù)規(guī)范圖集[18]要求，管樁樁身橫向受剪開裂剪力標準值按照式(1)計算。

(1)

式中：I為截面慣性矩；So為管樁半個圓環(huán)面積對中心軸的面積矩；ftk為混凝土抗拉強度標準值；φt為混凝土抗拉強度變異性調整系數(shù)，取0.7。

圖3為管樁試件的荷載-跨中撓度曲線。

圖3 試驗所測荷載-跨中撓度曲線Fig.3 Curves of load versus deflection at mid-spanmeasured in the test

全加載過程可以分為4個階段：

(1)加載初期，各管樁試件處于彈性階段，荷載與跨中撓度基本呈線性變化，相同規(guī)格的鋼絞線樁與鋼棒樁的剛度相當。

(2)純彎段第一條豎向裂縫出現(xiàn)，裂縫附近混凝土立刻退出工作，受拉區(qū)鋼筋受力突然增大，鋼絞線樁與鋼棒樁剛度退化，其中鋼棒樁剛度退化幅度較大，純彎段相繼出現(xiàn)數(shù)條豎向裂縫。

(3)剪彎段第一條斜裂縫出現(xiàn)，鋼絞線樁與鋼棒樁剛度繼續(xù)退化。

(4)開始位移加載，隨著加載量的增加，鋼棒樁受拉區(qū)鋼棒逐漸進入拉伸強化階段，直至達到極限抗拉強度而被拉斷，發(fā)出清脆的崩斷聲，受拉區(qū)混凝土主裂縫大幅擴展，試件承載力急劇下降，無法繼續(xù)承擔荷載，受壓區(qū)混凝土未見壓碎；而鋼絞線樁荷載則隨著位移加載量增加穩(wěn)定上升，當受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫時，試件承載力隨著位移加載量增加荷載保持不變或略有下降，直至受壓區(qū)混凝土完全壓壞。圖4為各管樁試件典型破壞形式。

圖4 試件破壞后變形形態(tài)Fig.4 Failure modes of test specimens

表4 管樁試件抗剪性能對比Table 4 Shearing behaviors of pipe pile specimens

3.2 裂縫發(fā)展

圖5為管樁試件破壞時裂縫分布示意圖。鋼棒樁破壞時裂縫基本處于加載的支承區(qū)段內。豎向裂縫延伸至橫截面頂端，裂縫末端橫向分叉發(fā)展較少；斜裂縫發(fā)展較為緩慢。其中：PHC400AB95試件破壞前主豎向裂縫寬度1.36 mm，長度320 mm，主斜裂縫寬度0.52 mm；PHC500AB100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.32 mm，長度410 mm，主斜裂縫寬度0.74 mm；PHC600AB100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.20 mm，長度520 mm，主斜裂縫寬度0.82 mm。

鋼絞線樁破壞時裂縫亦基本處于加載的支承區(qū)段內。豎向裂縫周圍出現(xiàn)較多橫向分叉，加載末期出現(xiàn)了數(shù)條沿樁長方向長短不一的細小水平裂縫；斜裂縫開展亦較為緩慢。其中：GJX400I95試件破壞前主豎向裂縫寬度1.40 mm，長度280 mm，主斜裂縫寬度0.70 mm；GJX500I100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.28 mm，長度390 mm，主斜裂縫寬度0.74 mm；GJX600I100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.32 mm，長度480 mm，主斜裂縫寬度0.80 mm。

綜上所述，鋼棒樁與鋼絞線樁裂縫基本處于加載的支承區(qū)段內，破壞前豎向裂縫寬度均未超過1.5 mm，斜裂縫寬度均未超過1.0 mm。在現(xiàn)行加載方案中，對于管樁試件而言，抗剪破壞滯后于抗彎破壞。

相對于鋼棒樁，鋼絞線樁的裂縫分布更為均勻，主豎向裂縫長度明顯短于鋼棒樁的主豎向裂縫長度，且豎向裂縫的橫向分叉更為明顯，GJX600 I110試件的水平裂縫已連結成片；二者斜裂縫的寬度開展均較為緩慢，但鋼絞線樁加載末期陸續(xù)有新的斜裂縫出現(xiàn)，與主斜裂縫相互交錯。

單位:mm圖5 不同規(guī)格的管樁試件破壞后的裂縫分布Fig.5 Cracking patterns of pipe pile specimens of different sizes after failure

圖6 不同規(guī)格的管樁試件截面混凝土應變發(fā)展Fig.6 Strain development in cross-sections of pipe pile specimens of different sizes

3.3 應變增長

管樁試件應變片布置如圖2所示。圖6為管樁試件混凝土荷載-應變曲線。需要說明的是，圖中應變達到1.5×10-3時即認為應變失真，為保證圖像數(shù)據(jù)的可讀性，不再給出失真后的應變數(shù)據(jù)。

對應上文加載的4個階段可知：①在裂縫出現(xiàn)之前，管樁試件各測點應變發(fā)展隨荷載基本呈線性增長，此階段跨中截面基本滿足平截面假定。②當豎向裂縫出現(xiàn)時，純彎段受拉區(qū)混凝土應變急劇增大，8號測點應變片拉壞而退出工作，測點失效。③在斜裂縫出現(xiàn)后，剪彎段截面混凝土應變迅速增長，部分剪彎段測點應變隨之失真?；炷晾瓚兊臏y點受左、右兩側裂縫開展影響較大。④隨著荷載繼續(xù)增加，斜裂縫和豎向裂縫不斷產生并發(fā)展，剪彎段陸續(xù)有應變片拉斷失效。純彎段受壓區(qū)混凝土應變一直穩(wěn)定增長；破壞時鋼棒樁壓應變均在2.2×10-3左右，而鋼絞線樁壓應變則均可達到2.8×10-3左右。

4 結 論

(1)相比于鋼棒樁試件，鋼絞線樁試件抗剪性能得到了明顯改善。外徑400,500,600 mm的鋼絞線樁開裂剪力分別提高17%,15%,10%，極限剪力分別提高26%,16%,22%，變形延性分別提升43%,23%,60%。

(2)管樁試件測得開裂剪力與規(guī)范公式計算值吻合較好，試驗值相對計算值偏大約10%～25%，處于合理的范圍內。

(3)鋼絞線樁試件裂縫開展更為密集、均勻，豎向裂縫的長度較短，橫向分叉較多；二者斜裂縫寬度開展均較為緩慢，但鋼絞線樁斜裂縫開展數(shù)量更多。破壞前豎向裂縫寬度均未超過1.5 mm，斜裂縫寬度未超過1.0 mm。

(4)所有管樁試件破壞形式均為彎曲破壞，鋼棒樁破壞形式為純彎段受拉區(qū)鋼棒拉斷，鋼絞線樁為純彎段受壓區(qū)混凝土壓碎，抗剪破壞滯后于抗彎破壞。