預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗彎與抗剪性能的創(chuàng)新研究

嚴(yán) 杰

（上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201109）

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是一種將預(yù)應(yīng)力技術(shù)和離心成型工藝相結(jié)合的環(huán)形預(yù)制混凝土樁，其特點(diǎn)是豎向承載力高，耐久性好，樁身質(zhì)量可靠。隨著我國(guó)土木工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁已廣泛應(yīng)用于高層建筑和公共建筑，成為了我國(guó)最常選用的樁型之一。但在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在一些典型的工程事故中，管樁抗彎與抗剪性能差的問(wèn)題就顯露出來(lái)了。當(dāng)前，為了提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎、抗剪承載力，工程上主要采用灌注混凝土芯筒等措施，但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)、污染大，效果不甚理想。本文通過(guò)采用主筋（或箍筋）加強(qiáng)的方法，對(duì)普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了抗彎和抗剪承載力改進(jìn)，研制出一種新型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。本文通過(guò)對(duì)增加普通螺紋鋼筋（箍筋）結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與普通性管樁在受力和破壞特性等方面進(jìn)行原型試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩者之間的差異，證明了這種新型管樁在抗彎、抗剪性能方面的優(yōu)越性。

1 試驗(yàn)概括

本次抗彎與抗剪試驗(yàn)是一種破壞型試驗(yàn)，終止試驗(yàn)的條件是試驗(yàn)樁的完全斷裂破壞。其中內(nèi)力（應(yīng)力）分布、撓度變化、裂縫形成及斷裂行為是主要因素。

本次試驗(yàn)樁數(shù)量總計(jì)9根，其中普通型管樁共4根，型號(hào)600（110）A和600（110）AB各2根；主筋加強(qiáng)型管樁共4根，型號(hào)600（110）A和600（110）AB各2根；主筋和箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁1根，型號(hào)600（110）AB。以上9根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC）作為原型樁，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)。試驗(yàn)樁其生產(chǎn)制作和技術(shù)要求符合《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB/T13479--2009）。

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)樁制備

本試驗(yàn)臺(tái)參照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和上海市有關(guān)規(guī)定制作。位移測(cè)量采用5cm型數(shù)字位移計(jì)測(cè)量變形，應(yīng)變測(cè)量采用100mm×3mm電阻應(yīng)變片測(cè)量變形，采集設(shè)備采用DH3815N分布式應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；裂縫寬度測(cè)量采用ZBL-F130型裂縫寬度測(cè)量?jī)x，裂縫分布與發(fā)展記錄采用數(shù)字?jǐn)z像裝置和毫米方格紙記錄。彎曲和剪切試驗(yàn)的裝置也是類(lèi)似的，區(qū)別只在于支架的間距和試驗(yàn)元件的安裝位置。圖1所示為抗彎試驗(yàn)裝置；圖2所示為抗剪試驗(yàn)裝置，圖中試驗(yàn)樁變截面位置作了一些調(diào)整。

圖1抗彎試驗(yàn)裝置示意圖（a正面，b側(cè)面）

圖2抗剪試驗(yàn)裝置示意圖（a正面，b側(cè)面）

試驗(yàn)的加載方式根據(jù)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》 （GB/T13479--2009）確定。在試驗(yàn)過(guò)程中，研究了樁身的三種臨界狀態(tài)：開(kāi)裂狀態(tài)，即樁身開(kāi)裂；破壞（極限）狀態(tài)，即裂縫寬度達(dá)1.5mm或受拉鋼筋斷裂或受壓區(qū)混凝土破壞；斷裂狀態(tài)，即樁身完全斷裂，失去承載能力。

主筋加強(qiáng)型管樁與普通型管樁區(qū)別在于：采用相同數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后在同一時(shí)間生產(chǎn)，兩者的生產(chǎn)工藝大致相同，但區(qū)別在于鋼筋籠的加工，主筋加強(qiáng)型管樁鋼筋骨架制作見(jiàn)圖3，其在預(yù)應(yīng)力鋼筋處增加了7根直徑16mm普通螺紋鋼筋并同一截面均勻設(shè)置。

主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型與主筋加強(qiáng)型管樁區(qū)別在于：螺旋箍筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（箍筋全加密布置，箍筋間距45mm）。

圖3 主筋加強(qiáng)型管樁鋼筋骨架的制作

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 600（110）A普通型及主筋加強(qiáng)型管樁抗彎性能對(duì)比

研究發(fā)現(xiàn)，采用主筋加強(qiáng)型管樁在跨中約3m內(nèi)裂縫分布均勻，豎向主裂縫19條，平均長(zhǎng)度26cm，跨中長(zhǎng)、兩端短分布；普通型管樁裂縫較少，主要集中在跨中2.4m內(nèi)，平均長(zhǎng)度39cm，裂縫長(zhǎng)度明顯大于主筋加強(qiáng)型管樁。

當(dāng)裂縫（荷載125kN）出現(xiàn)和破壞（荷載200kN，裂縫達(dá)到1.5mm）發(fā)生時(shí)，普通管樁的跨中撓度分別為4.59mm和15.55mm，而主筋加強(qiáng)型管樁的跨中撓度只有3.98mm和9.33mm，分別為普通型管樁的87%和60%。

兩種管樁的最大應(yīng)力基本上都在跨中的純彎截面上，而在超出這一范圍的局部（如普通管樁的“8應(yīng)變片”）上也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突然增加的現(xiàn)象，其主要原因是在加載過(guò)程中出現(xiàn)了較弱的質(zhì)量或缺陷以及應(yīng)力集中。結(jié)果表明，原來(lái)裂縫中間和樁間界面上的應(yīng)力均較小。裂縫發(fā)生前跨中界面的應(yīng)變基本符合平面截面假定，裂縫發(fā)生后中性軸上移，混凝土的應(yīng)變明顯增大。

試驗(yàn)采用的普通型管樁的抗彎性能明顯優(yōu)于規(guī)范參考值。600（110）A普通螺紋鋼筋的加入明顯改善了管樁的抗彎承載力，相比普通型管樁，主筋加強(qiáng)型管樁的極限彎矩提高43%，抗裂彎矩提高44%。

3.2 600（110）AB普通型及主筋加強(qiáng)型管樁抗彎性能對(duì)比

鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)600（110）AB型管樁抗彎性能的影響與600（110）A型管樁抗彎性能的影響比較接近。由于采用了增加普通螺紋鋼筋結(jié)構(gòu)，在抗彎試驗(yàn)中，管樁裂縫分布較廣，數(shù)量較多，但長(zhǎng)度稍短。600（110）AB主筋加強(qiáng)型管樁在跨中兩側(cè)約1.5m處出現(xiàn)裂縫，斷裂時(shí)主要豎向裂縫為13條，平均長(zhǎng)度為37cm，跨中附近裂縫寬度明顯大于兩端裂縫；普通型管樁產(chǎn)生裂縫8條，集中在跨中兩側(cè)約2.5m處，平均長(zhǎng)度為43cm，跨中附近裂縫寬度明顯大于兩端裂縫。

當(dāng)裂縫（荷載170kN）出現(xiàn)和破壞（荷載290kN，裂縫達(dá)到1.5mm）發(fā)生時(shí)，600（110）AB普通管樁的跨中撓度分別為4.91mm和25.25mm，而主筋加強(qiáng)型管樁的跨中撓度只有4.68和15.64mm，分別為普通型管樁的分別為95%和62%，跨中撓度下降的幅度小于600（110）A試驗(yàn)的結(jié)果。

開(kāi)裂前樁身各部位的應(yīng)力基本呈線(xiàn)性變化，開(kāi)裂后跨中附近應(yīng)力發(fā)生突變。結(jié)果表明，裂縫出現(xiàn)前跨中界面的應(yīng)變變化基本符合平截面假定，裂縫出現(xiàn)后中軸線(xiàn)明顯上移。

在PHC600（110）AB對(duì)比試驗(yàn)中，相比普通型管樁，極限彎矩和抗裂彎矩分別提高31%和26%，抗彎承載力提高幅度小于600（110）A的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 600（110）A普通型及主筋加強(qiáng)型管樁抗剪性能對(duì)比

600（110）A普通型混凝土管樁在剪切試驗(yàn)后期加載過(guò)程中，混凝土上部邊沿在水平方向上呈45°方向分布，裂縫向外延伸約0.5m，在跨中右端約20cm處出現(xiàn)了垂直斷裂，基本上是彎斷斷裂的特征。主筋加強(qiáng)型管樁在剪切試驗(yàn)后期加載過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫比普通型管樁多，在跨中右端約1.5m處出現(xiàn)的裂縫大致是橫豎交錯(cuò)的網(wǎng)狀，在此范圍外出現(xiàn)45°斜斷裂。在中軸高度水平方向和粗略方向的管樁斷裂中，觀察到其中一組預(yù)應(yīng)力主筋和一組螺紋鋼筋處于斷裂的位置，表明主筋和混凝土的接觸面是一個(gè)薄弱部位。

在600（110）A普通型和主筋加強(qiáng)型管樁的樁身變形發(fā)展過(guò)程中，普通型管樁的跨中變形明顯大于兩端，破壞時(shí)跨中位移達(dá)10.87mm。而在主筋加強(qiáng)型管樁中，每根管樁的變形都是以向下的位移為主，呈現(xiàn)出明顯的“扁平化”趨勢(shì)，可見(jiàn)普通螺紋鋼筋的加入提高了樁身的整體剛度，在相同荷載下跨中變形明顯小于普通型管樁。在裂縫（加載至890kN）出現(xiàn)、破壞（加載至1215kN、裂縫達(dá)1.5mm）發(fā)生時(shí)，600（110）A普通型管樁的跨中變形分別為6.29和10.87mm，而在以上兩級(jí)荷載作用下，主筋加強(qiáng)型管樁的跨中變形僅為4.77mm和6.91mm，分別為普通型管樁的76%和64%。在抗剪試驗(yàn)中，管樁的軸向應(yīng)力主要集中在剪彎段中軸水平截面以下的部分。

從圖4中可以看出，加入普通螺紋鋼筋后對(duì)混凝土管樁的抗剪承載力有一定的改善，破壞剪力和斷裂剪力分別提高了19.7%和23.4%，但抗剪性能的提高幅度遠(yuǎn)小于抗彎性能的改善。因此普通螺紋鋼筋的配置對(duì)管樁的抗剪性能并沒(méi)有明顯改善。

圖4 600（110）A各類(lèi)型管樁抗剪性能對(duì)比

3.4 600（110）AB普通型、主筋加強(qiáng)型和主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁抗剪性能對(duì)比

在600（110）AB普通型、主筋加強(qiáng)型和主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁中，裂縫分布有一定的相似性：受力部位和支座之間的剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位的剪彎部分，內(nèi)裂縫呈約45°方向，支座之間裂縫呈中軸高度附近的水平向裂縫，下部為一定數(shù)量的垂直裂縫。在600（110）A普通型和主筋加強(qiáng)型管樁中，其斷裂特征相似，從120cm的管樁跨中段下邊緣45°向上延伸至中軸，再沿中軸水平貫穿，多個(gè)螺旋箍筋被拉斷。在600（110）AB主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁破壞時(shí)，出現(xiàn)了大約為30°左右的剪切破碎帶，其寬度約為10 cm。結(jié)果表明明顯的箍筋加密形式限制了管樁的“扁化”傾向，管樁的破壞表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的斜剪破壞特征。

通過(guò)對(duì)600（110）AB普通型、主筋加強(qiáng)型和主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁進(jìn)行變形位移發(fā)展分析，發(fā)現(xiàn)600（110）AB普通型管樁在破壞時(shí)，跨中變形量為12.22mm，而該級(jí)主筋加強(qiáng)型和主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁的跨中變形量?jī)H為8.33mm和4.24mm，分別減少32%和65%，表明螺紋箍筋加密結(jié)構(gòu)可以大大降低剪切荷載作用下的位移，提高了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗變形能力。

在抗剪試驗(yàn)中，管樁的應(yīng)力發(fā)展過(guò)程表明軸向應(yīng)力主要集中在剪切彎段的中軸水平截面以下，而主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型管樁的環(huán)向應(yīng)力是拉應(yīng)力，且明顯大于同一位置的軸向應(yīng)力，表明主應(yīng)力方向更接近于環(huán)向，導(dǎo)致裂縫應(yīng)更接近于水平方向，這與試驗(yàn)中裂縫和剪碎帶大致呈30°左右的結(jié)果比較一致。

從圖5可以看出，對(duì)于600（110）AB管樁，采用更多螺旋箍筋對(duì)其進(jìn)行加密處理，并不能提高管樁的抗剪承載力（包括抗裂剪力、破壞剪力和斷裂剪力）。

圖5 600（110）AB各類(lèi)型管樁抗剪性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，并對(duì)其抗彎與抗剪性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

1）采用普通螺紋鋼筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，能大幅度提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能。在相應(yīng)荷載作用下，PHC600（110）A型管樁的極限彎矩和抗裂彎矩分別提高43%和44%，跨中彎矩分別降低13%和40%；PHC600（110）AB型管樁的極限彎矩和抗裂彎矩分別提高31%和26%，跨中彎矩分別降低5%和38%。

2）加入普通螺紋鋼筋使得樁身裂縫的長(zhǎng)度和平均寬度明顯減少，但裂縫的分布范圍和數(shù)量有所增加；樁身的主要應(yīng)力分布在跨中純彎段，裂縫出現(xiàn)前跨中界面應(yīng)變基本符合平截面假定，裂縫出現(xiàn)后中性軸上移。

3）普通螺紋鋼筋的配置大大降低了管樁在剪力作用下的變形量，提高管樁的抗變形能力。PHC600（110）A型管樁在裂縫發(fā)生和破壞發(fā)生時(shí)荷載作用下的最大變形量分別減少24%和36%；主筋箍筋同時(shí)加強(qiáng)型的PHC600（110）AB型管樁在破壞時(shí)跨中的最大變形量大幅減少65%，說(shuō)明螺旋箍筋的全加密結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高管樁的抗變形能力。

4）采用普通螺紋鋼筋（或箍筋）加強(qiáng)組合時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪承載力沒(méi)有明顯提高，但改變了樁身的應(yīng)力、裂縫分布規(guī)律及斷裂特性。