预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究.pdf

第 4 l 卷第 1 2期 2 0 1 0年 1 2月 Vo 1 4 1 No 1 2 De c 2 0 1 0 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y l 1 01 预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究 刘俊伟 ， 张忠苗 ， 于秀霞2 ， 齐 垄s ， 毕经鹏4 ( 1 浙 江大学 岩土 工程研究所 ，3 1 0 0 5 8 ， 杭州 ； 2 青岛万合建筑设计有限公司 ， 2 6 6 5 2 0， 山东青岛； 3 青建集 团股份有限公司 ， 2 6 6 0 0 0， 山东青岛； 4 中铁 十四局集 团有限公司 ，2 5 0 0 1 4， 济 南) 摘要 ： 通过一系列原型试验 ， 对预应力混凝土管桩的抗弯及抗剪性能进行研究。抗弯试验结果显示 试验 所采用的预应力混凝土管桩抗弯性能明显优于规范值 ， 在弯矩作用下桩身裂缝分布于跨 中约3 m 范围内。 管桩弯 曲断裂 时呈脆性破坏性状 ，最大应力处位于跨中纯 弯段 内， 裂缝出现前跨 中界面应变基本符合平截面假定 ， 裂 缝出现 后中性轴上移。 桩身破坏后仍具有较高的抗 弯承载力 ， 但裂缝出现后桩身刚度明显降低。 抗剪试验显示试 验桩的抗剪性 能优于规范值 ， 断裂处为大致4 5 。 的剪切破碎带 。抗剪试验中管桩的应力主要集中在剪弯段内 ， 管 桩破坏后仍具有较高的抗剪承载 力。 关键词 ： 预应力混凝土管桩 ； 抗弯承载力 ； 抗剪承载力 ； 挠度 ； 裂缝 中图分类号 ： T U4 7 3 1 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 0 ) 1 2 1 1 0 1 0 4 EXPEI 江M ENTAL S TUDY oN FLEXURAL AND S HEAR G PRoPERTm S oF PRESTRESS ED CONCRETE PI PE PI LE L I U J u n we i ，Z HA NG Z h o n g - mi a o ，YU Xi u - x ia 2 ，Ql Ku n 。 ，B I J i n g - p e n g ( 1 _ I n s t i t u t e o f G e o t e e h n i e al E n g i n e e r i n g Z h i a n g U n i v e r s i t y ， 3 1 0 0 5 8 ，Ha n g z h o u ，C h i n a ；2 Q i n g d a o I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l D e s i g n C o ，L t d 2 6 6 5 2 0 ， Qi n g d a o ，S h a n d o n g ，C h i n a ；3 Q i n g J i a n G r o u p C o ，L t d 2 6 6 0 0 0 ， Q i n g d a o ，S h a n d o n g ,C h i n a ； 4 C h i n a R a i l w a y S h i s i j u C o L t d 2 5 0 0 1 4 ， J i n a n ，C h i n a ) Abs t r a c t ： T h e f l e x u r al a n d s h e a r i n g p r o p e r t i e s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p e p i l e we r e r e s e a r c h e d b y a c o mp r e h e n s i v e fi e l d t e s t p r o g r a mT h e t e s t r e s u l t s s h o w t ha t t h e fle x u r a l a n d s h e a r i n g p r o p e rti e s a r e b e t t e r t h a n c o d e v a l u e s T h e c r a c k s c r e a t e d b y b e n d i n g mo me n t c o n c e n t r a t e o n t h e s h a f t 3 0 m i n l e n g t h a n d b rit t l e f r a e t u r e wa s d i s c o v e r e d i n t h e mi d- s pa n o f s h a f t Th e p i l e k e e p s r e l a t i v e l y h i g h e r fle x u r a l c a p a c i t y aft e r c r a c k i n g ， wh e r e a s t h e b e n d i n g s t i ffn e s s i s we a k e n e d Th e s t r a i n o f mi d s p a n c r o s s s e c t i o n a c c o r d s wi t h t h e h y p o t h e s i s o f p l a n a r s e c t i o n u n t i l t h e c o n c r e t e c r a c k s a n d n e u t r a l a x i s mo v e s T h e s t r e s s e s o f t e s t pi l e u n d e r s h e a rin g a c t i o n c o n c e n t r a t e o n p u r e b e n d i n g s e c t i o n T h e s h e a r b r o k e n z o n e a t t h e a n g l e o f 4 5 。 wa s d i s c o v e r e d i n t h e t e s t Th e pi l e k e e p s rel a t i v e l y h i g h e r s h a rin g c a p a c i t y aft e r b r o k e n Ke y wo r d s ：p r e s t r e s s e d c o n c r e t e pi p e p i l e ；fl e x u r a l c a p a c i t y ；s h e a r i n g c a p a c i t y ；d e fle c t i o n ；c r a c k 预应力混凝土管桩具有单桩竖向承载力高 、生产 工厂化 、 施工速度快 、 质量可靠等优点 。 已大量应用于 工业民用建筑 、 铁路码头等众多领域 ， 成为我国应用最 广泛的桩型之- 。 现有国内外研究成果主要侧重于预应力混凝土管 桩的轴向受力性能【 蛐。 对其抗弯及抗剪性能的研究却 鲜有报道 。本文结合一系列原型试验结果 ， 对预应 力管桩抗弯及抗剪性能进行了较 为全面 的研究与分 析 。 l 试验概况 试验共采用2 根P H C 6 0 0 ( 1 I O ) A原型试验桩 ， 其生 产采用现有国内通用工艺流程及技术要求。本次试验 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 2 0 作者简介 ：刘 俊伟 ( 1 9 8 3 一 ) ，男 ，山东 潍坊 人 ，博 士研究 生 ， e m a i l ： z j u lj w z j u c n 为破坏性试验，以试验桩完全断裂破坏为终止加载条 件 ， 试验内容分抗弯试验及抗剪试验两大部分， 测试内 容包括桩身内力( 应力 ) 分布 、 挠度变化 、 裂缝发展及断 裂性状等四大部分 。 2 试验装置及试验桩制备 试验装置按相关规范制作而成I叫 ， 采用反力架加 载装置 ， 最大可施加竖向荷载3 2 0 0k N( 图1 ) 。 挠度测读 采用5 c m型数字位移计 ： 应变观测采用1 0 0 m mx 3 m i l l 型 电 阻应变 片 ，采集装 置使 用D H 3 8 1 5 N 分 布式静 态应 变 测试系统 瘙 缝宽度的测读采用Z B L F 1 0 1 型裂缝宽度 观测仪 ；裂缝分布及发展的记录综合采用数码摄像装 置及毫米方格纸 。抗弯及抗剪试验装置如图l 及 图2 所 示 。 试验的加载方式根据 先张法预应力混凝土管桩 确定。 试验过程着重研究3 种桩身临界状态 ： ( 1 ) 开裂状 l 1 0 2 建筑技术 第4 l 卷第 1 2期 态 ， 即桩身 出现 裂缝 ； ( 2 ) 破坏 ( 极 限 ) 状态 ， 即 出现 裂 缝 宽度达1 5 mm、受拉钢筋拉断或受压区混凝土被压碎 三种情况之一 ； ( 3 ) 断裂状态 ， 即桩身发生完全断裂破 坏 ， 再无任何承载能力。 位 ,L 1 5 1 荷载分配梁、 腰I L ， J 1 位 、 3 6 瘴鸾 _彤 萋 图 1 抗弯试验装置示意 ( a ) 正面 ； ( b ) 测面 荷 载 分 配 粱 I i ， 龙 门 一 捏 百 分 毒 ， 且 ： I且 i r 1 管桩、 ； ； 馥 l j 口 囊 。应 蛙 l_ ； i1 ， l _ l 。 ， o l5 m 【 ) _ 5 0 6 m 图 2 抗剪试验装置示意 ( a ) 正 面 ； ( b ) 测面 ( b) 形 箍 形箍 3 试验结果及分析 3 1抗弯试 验结果及 分析 ( 1 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A 型预应力混凝土管桩在 弯矩作用 下断裂时的裂缝分布展开图如图3 所示。从图可见 ， 裂 缝均匀分布于跨中约3 m 范围内， 断裂时主要竖向裂缝 达1 9 条 ， 平均长度为2 7 o n， 呈现跨 中位置长而两端短 的分布规律。 管桩的第一条裂缝位于跨中右侧约3 0 o m 处， 而竖向断裂裂缝则位于跨中位置， 两者均位于长度 为1 0 m的纯弯段内。管桩断裂时呈脆性破坏性状 。 与 预应力钢筋配筋率较低有关。 一 1 5 0 1 2 0 9 0 6 0 3 0 跨 中 3 O 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 轴 向 坐标 c m 图 3 6 o o 0 1 0 ) A型管桩裂缝分布不意图 ( 2 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A型管桩的挠度发展情况如 图4 所 示。从图可见 ， 加载初期桩身的挠度较小， 至裂缝出现 后 ， 随桩身裂缝宽度及分布范围的进一步发展 ， 桩身变 形加快。桩身跨中挠度明显大于其他位置，且以跨中 截面为中心左右基本呈对称状。管桩在裂缝出现( 加 载至1 2 0k N) 及破坏时( 加载至1 8 0 k N， 裂缝宽度达 1 5 m m)的跨 中最大 挠度 分 别 为l 2 6 3 m m及 1 8 4 2 m m， 前 者为后者的6 8 6 。 一 ( 3 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A 型混凝土管桩的应力发展情况如 图5 所示 ( C 8 0 混凝 土弹 性模 量取 3 8 x 1 0 4 MP a tg J ) 。从 图 可见 ， 管桩的最大应力基本位于跨中纯弯段内， 但在此 范围之外的局部位置也会出现 应力突然增长的现象 ， 主要归因于此位置可能存在质量缺陷。裂缝出现前桩 身各处的应力均非常小且基本呈线性变化 ：裂缝出现 后跨中界面处应力发生突变。分析原因主要是和裂缝 形态及离心成型管桩混凝土径向成层性有关17 ,“ J 。图6 为加载过程中沿截面高度处应变分布变化情况 。可见 在裂缝出现前跨 中界面应变基本符合平截面假定 ， 裂 缝 出现后 中性轴 上移 ，随后受拉 边缘混凝 土应变 出现 大幅度增长 。 图 5 6 0 0 ( 1 l o ) A型管桩抗弯试验应力发展 ( 4 )6 0 0 ( I 1 0 ) A d 管桩抗弯性能对比情况如图7 所 示。 从图可见 ， 试验采用的预应力混凝土管桩的抗弯性 能明显优于规范中的参考值 ：抗裂弯矩高出规范值约 2 4 ， 极限弯矩高出规范值约2 0 ； 断裂弯矩值为极限 弯矩值的1 1 9 倍 ，可见当管桩破坏( 破坏标准如前所 r L r 广 ， L r - L 蚰 4 加 0 5 m 4 图 g口 I 嚣 得 揖 娉 娉 娉 娉 得 得 蝣 三 v l 2 0 1 0 年 1 2月 刘俊伟 ， 等 ： 预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究 1 1 0 3 - 述) 后 ， 桩身仍具有较高的抗弯承载力。 。 一 20kN -i , -40kN 6 O k N 裂 缝 出 现 、 -) - - 8 0kN 。 。 一 1 ook N l l 0k N 0 0加 0 2 o 0 -。 l 2 Ok N 。 l 3 Ok N 1 0 +l 4 0k N -I I - - 1 50kN -2 0 - 。 。 。l 6 0 k N 1 7 0 k N 一 n - o -1 8 Ok N 吕 Z 1耵 图 6 6 o o ( 1 1 0 ) A型管桩跨中截面应变发展 4 o0 3 5 0 3 o o 2 5 0 2 o0 1 5 O l 0 o 5 O 0 I一 票 襄 试 验 结 果 i l_ 本 次 试 验 结 果 i 抗 裂弯矩极限弯矩 断裂弯矩 图 7 6 0 0 ( 1 1 0 ) a型管桩抗弯性能对比 3 2抗 剪试验 结 果及分 析 ( 1 )6 0 0 ( 1 3 0 ) A型混凝土管桩的裂缝分布如 图8 所示。跨中约1 0 m 范围内裂缝大致呈横竖交错的网格 状 ， 此 范围 以外 呈大致4 5 。 斜 裂 缝 。管桩 的第一 条裂 缝 位于跨中右侧约2 0 c m处 ，断裂处为大致4 5 。 的剪切破 碎带， 呈斜剪破坏性状。 轴向坐标 c m 图 8 6 0 0 ( 1 1 0 ) A型管桩裂缝分布示意 ( 2 )混凝土管桩的桩身变形发展情况如图9 所示 。 从图可见 ，加载开始阶段混凝土管桩各测点处的变形 均以向下位移为主要趋势 ， 管桩呈现明显“ 压扁” 的趋 势。 管桩在裂缝出现 ( 加载至8 9 0 k N) 及破坏时( 加载至 1 2 1 5 k N) 的最大变形量分别为7 5 2 m m及2 1 9 8 mm。图 1 0 显示抗剪试验 中管桩的轴向应力主要集中在剪弯段 内中轴水平截面以下部分。 一1 O 一 5 0 5 l 0 l 1 5 2O 25 1 6 O一 1 1 0 6 0 跨中 6 0 1 1 0 1 6 0 轴向坐标 c m +1 2 5k N - _2 5 0k N 一 3 7 5k N 一5o 0k N 一 56 5k N -一 63 0k N - 6 9 5k N - 一 7 6 0k N _8 2 5k N - _8 9 0k N * _9 5 5k N - -1 0 2 0k +l 08 5kj - 4 ,-1 l 5 0k 】 +l 21 5k 】 图 9 6 0 0 ( 1 l o ) A型管桩抗剪试验变形发展 裂 缝 出现 破坏断 裂 一2 0 o 0 2 0 o 4 0 0 6 0 0 8 0 0l O 0 o 1 2 o o l 4 0 0 加载量 k N 图 1 0 6 0 0 01 0 ) A型管桩抗剪试验应 力发展 ( 3 )6 0 0 ( 1 3 0 ) A各类型管桩抗剪性能对比情况如 图1 l 所示。 从图可见 ， 试验采用的预应力混凝土管桩的 抗裂剪力明显高于规范中的参考值 ，破坏剪力与断裂 剪力分别为6 0 7 5 k N$ 6 7 2 5k N， 可见管桩破坏后仍具 有较高的抗剪承载能力。 抗裂剪力 破坏剪力 断裂剪力 图 l 1 6 o o ( 1 l o ) A型管桩抗剪性能对比 4结 语 ( 1 )试验所采用的预应力混凝土管桩抗弯性能明 显优于规范值 ，在弯矩作用下桩身裂缝均匀分布于跨 中约 3 m范 围 内 ； 管桩 断 裂 时 呈脆 性 破坏 性 状 ， 最 大 应 力位于跨中纯弯段内；裂缝出现前跨中界面应变基本 号 号 号号 号 号号 号 号 f f f _ 伽姗姗珊瑚 0珈 I - 猫 J I I 啪彻啪 枷戛啪。 1 1 O 4 建 筑 技 术 A r c h i t e c t u r e T e c h n o l O E V 第 4 l 卷第 1 2期 2 0 1 0年 1 2月 V 0 】 ， 4 1 No 1 2 De c 2 0 1 0 后张有粘结预应力混凝土梁的测试分析 左清军 ， 吴 立 ， 李 彦2 ， 李方成 ( 1 岩土钻掘 与防护教育部工程研究中心， 中国地 质大学，4 3 0 0 7 4武汉；2 湖北地矿建设 工程承包集 团有限公司，4 3 0 0 3 0武汉) 摘 要 ：以湖北省地调科研大楼采用后张有粘结预应力混凝土梁为例 ，将屋面板的两榀主梁作为测试对 象 ， 对预应力摩擦损失、 理论伸长值和实测伸长值的偏差 、 锚具变形量 、 跨中反拱值进行测试 ， 结果表明 ， 该后张 有粘结预应力混凝土梁的设计和施工是安全可靠的。 关键词 ： 后张； 预应力摩擦损失 ： 测试分析 中图分类号 ： T U 3 7 8 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 0 ) 1 2 一 l 1 0 4 04 TES T ANALYS I S oF P0S T TENSI ONED COHESI VE PRES TRES S ED CoNCRETE BEAM Z U O Qi n g - j u n ， WU u1 ， L I Y a n ， L I F a n g c h e n g f 1 E n n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f R o c k - S o ft D r i l l i n g E x c a v a t i o n a n d P r o t e c t i o n ，Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， C hi n e s e Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ，4 3 0 0 7 4 ， W u h a n ，Ch i n a ；2 Hu b e i G e o l o g y Mi n e r a l Re s 0 u r c e s C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g G r o u p C o ，L t d ，4 3 0 0 3 0 ， Wu h a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e p o s t t e n s i o n e d c o h e s i v e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a ms o f Ge o l o g i c a l S u r v e y R & D B u i l d i n g of Hu b e i P r o v i n c e a l e s t u d i e d T w o b e a ms o f t h e r o o f p l a t e ale t a k e n a s t h e t e s t o b j e c t a n d p r e s t r e s s e d f r i c t i o n J O S S d e v i a t i o n b e t we e n t h e o r e t i c a l e x t e n s i o n v a l u e a n d a c t u al e x t e n s i o n v a l u e a l l c ho r d e f o r ma t i o n a n d mi d s p a n a n t i - a r c h v a l u e a r e t e s t e d T e s t r e s u l t s s h o w t h a t d e s i g n an d c o n s t r u c t i o n o f t h e p o s t t e n s i o n e d c o h e s i v e p r e s t r e s s e d c o n c f e t e b e a ms a r e s a f e a n d r e l i a b l e Ke y wo r d s ：p o s t t e n s i o n e d ；p r e s t r e s s f r i c t i o n l o s s ；t e s t a n a l y s i s 后张有粘结预应力混凝土结构是预应力混凝土结 构的主要结构形式之一。后张有粘结预应力混凝土技 收稿 13 期 ： 2 0 1 0 0 6 1 9 基金项 目： 教育部科学技术研究重点项 目( 0 8 Y 3 0 3 ) 作者简介 ： 左清 军( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 湖 北宜 昌人 ， 硕 博连读研 究生 ， e m a i l q j z c u g s i n a e o m 术是通过预埋管道 、 穿筋、 张拉 、 灌浆等工序为混凝土 结构建立预应力以满足设计要求，因其可以明显提高 水平构件的跨度 ， 减少结构层高， 增加有效使 用面积 ， 节约能源及土地 ，降低工程成本 ，近年来在大跨度单 层 、多层工业与民用建筑及高层建筑工程中得到了广 泛应 用 。 符合平截面假定 ， 裂缝出现后中性轴上移； 断裂弯矩值 为极限弯矩值的1 1 9 倍 ，桩身破坏后仍具有较高的抗 弯承载力。 ( 2 )试验桩的抗剪性能优于规范值 ， 断裂处为大 致4 5 。 的剪切破碎带 ， 呈斜剪破坏性状 ； 加载过程中管 桩呈现明显“ 压扁 ” 的趋势， 出现 剪切破碎带一侧的变 形量出现突变；抗剪试验中管桩的应力主要集中在剪 弯段内中轴水平截面以下部分；管桩断裂剪力值高出 极限剪力值约l 1 。桩身破坏后仍具有较高的抗剪承 载 力。 参 考文 献 【 1 】 张忠苗 桩基工程 MI 北京： 中国建 筑材工业出版 ， 2 0 0 7 【 2 】 张明 义 静 力压入桩 的研究 与应用【 M】 北京 ： 中 国建 材 工业出版 ， 2 0 0 4 3 1 R o b e r t YL i a n g a n d J i a n Z h o u ，P r o b a b i l i t y m e t h o d a p p l i e d t o d y n a mi c p i l e d r i v i n g c o n t r o l ， j o u rnal o f g e o t e e h n i c a l a n d g e o e n v i ron ts q e n I g l e n gi n e e fi n A S C E ，V o 1 1 2 3 ，N o 2 ，F e b r u a r y ,1 9 9 7 ， 1 3 7 -l 4 4 4 】 K y u h o P a i k a n d R o d fi g o S a l g a d o ，M A S C E ，D e t e r mi n a t i o n of b e a r - i n g c a p a c i t y of o p e n - e n d e d p il e s i n s a n d ，j o u r n al of g e o t e c h n i c a l a n d g e o e n v i r o n me n t a l e n g i n e e ri n g ，A SC E，Vo 1 1 2 9 ，N o 1 ，J a n - u a r y ，2 0 0 3，4 6 5 7 【 5 L i m i n Z h ang ，Wi l s o n H T ang ，and C h a r l e s WWR e l i a b i l i t y o f a ) 【i a I l y l o a d e d d r i v e n p i l e g r o u p s ，j o u ma l of g e o t e e h n i c a l a n d g e o e n v i m n me n t a l e ng i n e e rin g ，AS CE，Vo 1 1 2 7，N o 1 2 ，De c e mb e r , 2 0 01 1 05 1 一l O6 o 6 j6 管品武， 唐 国斌 ， 孟会英先张法预应 力混凝土管桩受弯承载力试 验研究【J 】 郑州大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 0) ： 6 - 8 【 7 】 何筱进现浇混凝土薄壁管桩水平承载性状试验研究【 D 】 南京： 河海 大学 ， 2 0 0 4 8 J G B1 3 4 7 6 2 0 0 9 ， 先张法预应力混凝土管桩f s 】。 【 9 】 浙江省建筑设计研究院 2 0 0 2 浙G2 2，先张法预应力混凝土管柱 s 1 杭州 。 2 0 0 2 ， 【 l O G B 5 0 1 5 2 - 1 9 9 2 ， 混凝土结构试验方法标准【 s 】 【 1 1 】 高润东 ， 赵顺波 。 张天光 ， 等 离心成型钢筋钢纤维混凝土电杆受力 性能试验研究们 土木工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 8 ) ： 4 3 - 4 8