各省標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于預(yù)應(yīng)力管樁抗拔要求異同的思考

張感平,袁 鋒,鄭國良

(廣廈集團(tuán),浙江 杭州 310013)

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(以下簡稱“預(yù)應(yīng)力管樁”)由于其樁身強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定、施工快捷、造價較低等優(yōu)勢,在廣東及長三角等沿海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁的應(yīng)用也占據(jù)相當(dāng)大的比例。

關(guān)于預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁的設(shè)計要求,各省市均有預(yù)應(yīng)力管樁方面的規(guī)范、圖集。但各省標(biāo)準(zhǔn)多有不同。

1 工程概況

某小學(xué)項目位于杭州余杭區(qū),委托上海某建筑設(shè)計公司設(shè)計。風(fēng)雨操場設(shè)置在地下一層,操場地面標(biāo)高為室外地面往下5.2 m,跨度為26.5 m×31 m,因此風(fēng)雨操場區(qū)域需要考慮整體抗浮。設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力管樁抗壓兼作抗拔,樁型PHC-400AB95-13、12。管樁參數(shù)按《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(2010浙G22)》取值,填芯混凝土長度為4 m,填芯孔內(nèi)的抗拉鋼筋為6Φ22。設(shè)計給出的單樁豎向抗拔承載力特征值為400 kN。對此筆者表示存疑。本文以此為例,通過比較各省標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于樁身強(qiáng)度的驗算,提出設(shè)計和施工的控制要點(diǎn),從中得出相關(guān)結(jié)論,供設(shè)計和施工人員參考。關(guān)于場地條件計算的單樁抗拔承載力并不在本文討論的范圍。

由于本項目位于浙江杭州,為海相沉積地區(qū)。考慮地域性的因素,本文作對比的標(biāo)準(zhǔn)為以下5本：

《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程(DB33/1016—2004)》(以下簡稱“浙江標(biāo)準(zhǔn)”)，《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程(DBJ/T 15—22—2008)》(以下簡稱“廣東標(biāo)準(zhǔn)”)，《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程(DGJ32/TJ 109—2010)》(以下簡稱“江蘇標(biāo)準(zhǔn)”)，《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程(DBJ 13—2006)》(以下簡稱“福建標(biāo)準(zhǔn)”)，《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程(DB34 5005—2014)》(以下簡稱“安徽標(biāo)準(zhǔn)”)。

2 樁身強(qiáng)度驗算

2.1 樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算

按裂縫要求進(jìn)行樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算,對此五省標(biāo)準(zhǔn)較為統(tǒng)一。相對而言,浙江標(biāo)準(zhǔn)和廣東標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格,統(tǒng)一按腐蝕環(huán)境或嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫控制(不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度)。以浙江標(biāo)準(zhǔn)式(5.2.9-2a)計算如下：

Qc≤σpcA

=5.82×103×3.14×(0.42-0.212)÷4

=529.51 kN

式中：Qc為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向力設(shè)計值；

σpc為管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力；

A為樁身橫截面面積。

若處于一般環(huán)境或一般要求不出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力管樁,按江蘇、安徽、福建的標(biāo)準(zhǔn),可考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度,Qc會更大。

2.2 接樁處的焊縫強(qiáng)度驗算

除廣東標(biāo)準(zhǔn)外,其余四省標(biāo)準(zhǔn)均給出接樁處的焊縫強(qiáng)度計算公式。

2.2.1 浙江標(biāo)準(zhǔn)式(5.2.9-2b)計算

=3.14×(400-2+400-2×12)÷2×

0.75×12×170÷1.2

=1 549.35 kN

式中：Qc為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向力設(shè)計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,通常取d1=d-2;d2為焊縫內(nèi)徑,通常取d2=d-2×12,d為管樁外徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75S(S為焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離,通常取12 mm)；

2.2.2 福建標(biāo)準(zhǔn)式(5.2.9-3)計算

=3.14×(400-2+400-2×12)÷2×

0.75×12×170

=1 859.22 kN

式中：Qct為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向抗拔承載力設(shè)計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,通常取d1=d-2；d2為焊縫內(nèi)徑,通常取d2=d-2×12,d為管樁外徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75S(S為焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離,通常取12 mm)；

2.2.3 江蘇標(biāo)準(zhǔn)式(3.6.4-3)計算

=2 132 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設(shè)計值；

D1為焊縫外徑，mm；

D2為焊縫內(nèi)徑，mm；

D為管樁端板外徑，mm；

2.2.4 安徽標(biāo)準(zhǔn)式(5.2.9-2b)計算

=0.8×3.14×(400-2+400-2×12)÷

2×0.75×12×170

=1 487.38 kN

式中：Qt為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向上拔力設(shè)計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,d2為焊縫內(nèi)徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75la(la為焊縫坡口根部至焊縫表面的最小距離)；

從以上各標(biāo)準(zhǔn)的焊縫強(qiáng)度驗算結(jié)果來看,安徽標(biāo)準(zhǔn)的計算值最小。但安徽標(biāo)準(zhǔn)和浙江標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)上是一樣的,只是系數(shù)取值略有不同,安徽標(biāo)準(zhǔn)更為保守。關(guān)于焊縫抗拉強(qiáng)度和系數(shù)取值,浙江標(biāo)準(zhǔn)條文說明第5.2.9條給出如下說明：由于焊縫是采用未焊透的對接焊,且考慮現(xiàn)場焊縫質(zhì)量達(dá)不到二級要求和端板受力偏心的影響,本規(guī)程焊縫抗拉強(qiáng)度的設(shè)計值取為170 N/mm2和取1.2系數(shù)是為了確保安全。

2.3 端板孔口抗剪強(qiáng)度驗算

僅江蘇標(biāo)準(zhǔn)給出計算公式,按江蘇標(biāo)準(zhǔn)式(3.6.4-4)計算如下：

=506.42 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設(shè)計值；

n為預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量(根)；

d1為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口直徑，mm；

d2為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口直徑，mm；

h1為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離，mm；

h2為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離，mm；

fv為端板抗剪強(qiáng)度設(shè)計值,取120 MPa；

ts為端板厚度。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼棒鐓頭抗拉強(qiáng)度

僅江蘇標(biāo)準(zhǔn)給出計算公式,按江蘇標(biāo)準(zhǔn)式(3.6.4-5)計算如下：

N1≤0.90fpyAp

=0.9×1 000×3.14×10.72÷4×7

=566.21 kN

2.5 填芯混凝土粘結(jié)力驗算

除浙江標(biāo)準(zhǔn)外,其余四省標(biāo)準(zhǔn)均給出填芯混凝土粘結(jié)力驗算公式和要求。

2.5.1 廣東標(biāo)準(zhǔn)5.3.2條

Qt≤LafnUpn

=4×0.3×3.14×210

=791.28 kN

Qt≤Asfy

=2 281×360

=821.16 kN

式中：La為樁頂填芯混凝土深度(mm),不應(yīng)少于2 m；

As為管樁內(nèi)孔連接鋼筋總公稱截面面積，mm2；

Qt為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向拔力設(shè)計值，N；

fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值,宜由現(xiàn)場試驗確定。當(dāng)缺乏試驗資料時,C30的摻微膨脹劑的填芯混凝土fn可取0.30～0.35 N/mm2；

Upn為管樁內(nèi)孔圓周長，mm；

fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2。

2.5.2 安徽標(biāo)準(zhǔn)5.3.3條

安徽標(biāo)準(zhǔn)和廣東標(biāo)準(zhǔn)的公式和相關(guān)要求一模一樣,本文不再贅述。

2.5.3 福建標(biāo)準(zhǔn)5.2.9.2-3條

Qct≤LafnUm

=4×0.3×3.14×210

=791.28 kN

Qct≤Asfy

=2 281×360

=821.16 kN

式中：La為填芯混凝土的長度(mm),不應(yīng)少于3 m,且采用微膨脹混凝土；

Qct為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時的單樁豎向抗拔承載力設(shè)計值，N；

fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值,宜由現(xiàn)場試驗確定。當(dāng)缺乏試驗資料時,C30的微膨脹混凝土fn可取0.30 MPa；

Um為管樁內(nèi)孔圓周長度；

As為管樁內(nèi)孔受拉鋼筋面積；

fy為拉鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

2.5.4 江蘇標(biāo)準(zhǔn)式(3.6.4-6)計算

Nl≤K1πd1lfn

=0.8×3.14×210×4×0.3

=633.02 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設(shè)計值；

K1為經(jīng)驗系數(shù),取0.8；

d1為填芯混凝土直徑(管樁內(nèi)徑,mm)；

l為填芯混凝土長度，mm；

fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值,宜由現(xiàn)場試驗確定。當(dāng)缺乏試驗時,取C40微膨脹混凝土為0.2～0.4 MPa。

2.5.5 小 結(jié)

各省標(biāo)準(zhǔn)均建議填芯混凝土與管樁內(nèi)壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值宜由現(xiàn)場試驗確定。但由于各方面的原因,一般不會進(jìn)行現(xiàn)場試驗。設(shè)計往往都按規(guī)范建議值。

對比各省標(biāo)準(zhǔn),填芯粘結(jié)力計算的差異主要是在填芯混凝土與管樁內(nèi)壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度的取值不同。廣東標(biāo)準(zhǔn)取0.30～0.35 N/mm2,江蘇標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于取0.24 N/mm2。

文獻(xiàn)[1]提出工程中填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結(jié)極限承載力計算公式：

N1=ψLaftUpn

式中：Nl為填芯粘結(jié)極限承載力；

ft為填芯混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；

ψ為粘結(jié)界面粗糙系數(shù),建議取0.60。

仍以本工程樁為例,Nl=0.6×3.14×210×4×1.43=2 263.06 kN。特征值為1131.53 kN。

文獻(xiàn)[2]中ψ值建議取0.52。填芯粘結(jié)承載力特征值為980.66 kN。

從計算結(jié)果可知,文獻(xiàn)[3]的計算結(jié)果遠(yuǎn)大于各省標(biāo)準(zhǔn)的計算結(jié)果?？梢娨?guī)范推薦的驗算方法是留有足夠的安全度。

3 計算結(jié)果分析

上文對各省標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁時的樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算進(jìn)行梳理,現(xiàn)總結(jié)如下，見表1。

表1 樁身結(jié)構(gòu)各強(qiáng)度驗算

注：設(shè)計值/特征值=1.35。

對計算結(jié)果分析結(jié)論如下：

1)端板錨固孔與預(yù)應(yīng)力鋼棒墩頭的連接是抗拔樁的薄弱環(huán)節(jié)。

2)按江蘇標(biāo)準(zhǔn)計算的PHC-400AB95單樁豎向抗拔承載力特征值為375.13 kN<400 kN。說明設(shè)計給出的值不符合規(guī)范要求。

3)填芯混凝土粘結(jié)力586.13 kN,超出400 kN近50%。說明填芯混凝土長度和填芯孔內(nèi)的抗拉鋼筋均有優(yōu)化空間。

4 浙江省預(yù)應(yīng)力管樁抗拉試驗研究

文獻(xiàn)[4]是預(yù)應(yīng)力管樁抗拉性能試驗的研究成果(為浙江標(biāo)準(zhǔn)編制提供依據(jù))。試驗樁型為PC500(100)AB型,根據(jù)2002浙G22圖集制作。即管樁外徑Φ500 mm,壁厚100 mm,預(yù)應(yīng)力鋼棒10Φ10.7,混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C60。試件分單樁、接頭焊縫、內(nèi)孔填芯等三種類型。從單樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、焊縫、填芯等方面進(jìn)行了拉伸破壞性試驗,見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力管樁結(jié)構(gòu)抗拉試驗

11個試件三種型式(單樁、接頭焊縫、填芯混凝土)的開裂形態(tài)均為樁身先出現(xiàn)環(huán)向裂縫,最先一般都是接頭鋼套箍邊緣混凝土先環(huán)裂,然后樁身環(huán)裂。三種試件類型中,單樁和接頭焊縫試驗均無一例外的是由于預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭斷裂致使端板或端板及套箍拉脫而破壞；管樁填芯拉伸破壞則由鐓頭斷裂引起,但更多的是樁身混凝土裂縫擴(kuò)大至樁身喪失承載能力引起。由此可以看出,試驗荷載作用點(diǎn)對管樁的破壞形態(tài)有一定影響。實際工程中單節(jié)樁破壞形態(tài)與填芯混凝土類型破壞形態(tài)接近,多節(jié)樁破壞形態(tài)與接頭焊縫類型破壞形態(tài)接近。但不管哪一種破壞形態(tài),管樁拉伸破壞荷載最終由預(yù)應(yīng)力鋼筋承受,而端板錨固孔與預(yù)應(yīng)力鋼棒鐓頭連接是預(yù)應(yīng)力鋼筋中的薄弱環(huán)節(jié)。這也與理論計算結(jié)果相吻合。

5 結(jié) 語

1)預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁不應(yīng)只計算場地條件下的抗拔承載力,而忽略樁身強(qiáng)度的驗算。

2)預(yù)應(yīng)力管樁樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的確定,建議采用浙江標(biāo)準(zhǔn)和廣東標(biāo)準(zhǔn)。即只考慮了混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力,不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3)端板錨固孔與預(yù)應(yīng)力鋼棒墩頭的連接是抗拔樁的薄弱環(huán)節(jié),往往容易忽略,應(yīng)引起重視。

4)接樁處的焊縫強(qiáng)度從設(shè)計上來說完全能滿足抗拔承載力要求。重點(diǎn)是保證焊縫的施工質(zhì)量。

5)本文主要對預(yù)應(yīng)力管樁作抗拔樁時的樁身強(qiáng)度驗算方面進(jìn)行分析,但是對于工程中材料驗收、施工質(zhì)量引起的諸多問題更應(yīng)引起重視,本文在此不作探討。