复合配筋预应力混凝土桩桩身性能的研究.pdf

2 0 1 3年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 8 Au g u s t 复合配筋预应力混凝土桩桩身性能的研究 王树峰 。 张 日红 ( 中淳 高科桩 业股 份有 限公 司 ， 宁 波 3 1 5 1 0 1 ) 摘要 ： 分别采用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( g g t 土结构设计规 范 附录 E和预应 力混凝土管桩 国标 图集 1 0 G4 0 9中的方 法对复合配筋预应 力混凝 土桩桩 身的正截面力学性能进行 了设计计 算， 并与抗 弯试验 结果进行对 比分析 ， 提 出了适 用于该类型柱桩身正截面承载 力的计 算方法 。 并结合预 应力混凝 土管桩和复合配筋桩 桩基础上 节桩的水平承载力对 比试验 对复合 配筋桩在地震荷载作用下的基本性 能做 了初 步探讨 。 关键词 ： 复合配筋先张法预 应力混凝 土管桩 ； 正截面承栽 力； 水平承载力； 桩基抗震 A b s t r a c t ： T h e n o r m a l s e c t i o n b e a ri n g c a p a c i t y o f p r e t e n s i o n i n g p r e s t r e s s e d c o m p o s i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e( P R H C ) p i l e b o d y a r e d e s i g n e d b y t h e c a l c u l a t i o n me t h o d of A p p e n d i x E o f G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0” e c ific a t i o n f o r d e s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ”a n d Na t i o n a l S t a n d a r d De s i g n o f P r e s t r e s s e d Co n c r e t e P i l e s 1 0 G 4 0 9 T h e t wo k i n d s of c a l c u l a t i o n v a l u e s o f t h e b e a ri n g c a p a c i t v a r e c o mlc ， a r e d wi th t h e b e n d i n g t e s t r e s u l t s u n d e r the s a me c o n d i t i o n ， a n d the b e s t c a l c u l a t i o n me t h o d f o r n o rm a l s e c t i o n b e a ri n g c a p a c i t y o f P RHC p i l e b o d y i s p u t f o r w a r d I n a d d i t i o n ，a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s o f h o ri z o n t a l b e a ri n g o f p i l e f _0 u n d a t i o n r e s p e c t i v e l y u s i n g P HC p i l e s a n d P RHC p i l e s a s t o p p i e c e s ，t h e b a s i c p e rf o r ma n c e s o f P RHC p i l e s u n d e r t h e c o n d i t i o n o f e a h q u a k e l o a d a r e p r e l i mi n a ri l y d i s c u s s e d Ke y wo r d s ： P RHC p i l e s ； No rm a l s e c t i o n b e a ri n g ； Ho r i z o n t a l b e a r i n g ； A n t i s e i s mi c p i l e f 0 u n d a t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3) 0 8 - 3 6 0 4 0 前 言 预应 力混 凝 土 管桩 自 2 0世 纪 7 0年 代初 期 在 1 3 本 问 世 以来 ， 经 历 了数 次 高震 级地 震 。在地 震 荷 载 作用下 预应力混凝土管桩基础破坏基本发生在桩 基 的最上节桩。主要破坏形式有桩身出现较大宽度 弯曲裂缝 、 桩头弯 曲受压破坏 、 桩 身剪切破坏及剪 压破坏。主要原 因是设计使用不当或上节预应力混 凝 土 管 桩 的抗 剪 及 抗 弯 能 力 不 能 承 受 高 强 度 地 震 荷载。 目前 ， 日本在预制桩桩基础上节桩 中普遍采 用增加 了非预应力钢筋及强化螺旋箍筋的管桩 、 离 心成型钢管混凝土复合桩( s c桩) 等。 国 内针对 抗 震 设 计 中抗 水 平 承 载力 要 求 高 的 桩基础 。 常选用钢管桩 、 钢筋混凝土预制桩或灌 注 桩 。 钢管桩工程造价昂贵 ， 后期维护成本高。 采用非 预应力的钢筋混凝土预制桩 ， 通过增加配置纵 向钢 筋及箍筋 ， 经验算可以达到所要求抗震设防烈度下 桩基础使用 的力 学性能要求 但其施 工性能差 ， 竖 向抗压 承载力不高 ， 对基础承载力 高 ， 施工工期紧 的工程一般难以满足实用要求 。国内在抗震基础 中 使用最多的桩型为钻孔灌注桩 ，因其施工方便 ， 商 品混凝土供应技术成熟 ， 普遍受到设计 院和业 主的 认可 ， 但 由于现场施工 ， 质量管理难度大 ， 现场浇注 一 3 6一 混凝土质量波动较大 同时该桩基础造价成本也较 高 ， 混凝土强度一般采用 C 3 0 C 4 0 。 与高强混凝土 预制桩相 比， 单位承载力下的钢材 、 砂 、 石 、 水泥等 材料 用量大 造成大量资源浪费 且钻孔灌 注桩 在 施工过程中产生大量的泥浆排放 ， 对周边环境影响 较大 ， 难以满足节能环保的要求。 2 0 0 9年，我国一公司通过应用复合配筋等技术 研究开发了抗 弯性 能高 的新型混凝土预制桩 复合配筋先张法预应力混凝土桩 ( 以下简称复合配 筋桩) 。该产品改善了现有离心成型预应力混凝土 预制桩桩身延性差 的特点 ， 通过增加非预应力钢筋 大 幅 度提 高桩 身 抗水 平 承载 能力 、 抗 拉及 抗 剪切 性 能。可满足地震作用时地基液化产生的突发性剪力 破坏作用 ， 适用于抗震设防烈度 7度以上的桩基础 工程上节桩 ， 降低基桩造价成本 与钢管桩相 比钢 材使用量可节约 8 0 以上。本文对该类桩的正截面 力学性 能计算方法及桩身抗震性 能进行 了分析 讨 论 。 1 复合配筋桩 的力学性能计算方法分析 复合配筋桩是在原离心成型先张法预应力混 凝 土管 桩技 术 的基 础上 加 配 非预 应 力 钢筋 主筋 。 改 变原构件预应力结构性能及受力状态。若力学性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王树峰 ， 张 日红 复合配筋预应力混凝土桩桩身性能的研究 仍按预应力混凝土管桩的力学性能计算方法计算 。 与试验结果对 比 ， 偏差较大 ， 加配了非预应力 主筋 桩的受力破坏形态更接近钢筋混凝土构件 极限承 载力 明显大 于预 应力混 凝 土管桩 。 根据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构设计规范 附录 E 中 E 0 3公式 整理 后 可得 ： 1A 一 ( ， p + 蛎 p 一 U 一 ( 。 ) P + ( 一 A = O ( 1 ) f l ( r l + r 2 ) 里 r p + 。) A F p 5 r s 堕( 2 ) 根据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构设计规范 附 录 E 中 E - 0 3沿周 边 均匀 配 置纵 向钢 筋 的环 形 截 面偏心受压构件 中预应力混凝土构件公式 E 0 3 5 的规定 O 采用公式 ( 3 ) 计算 ： l 一 1 5 a ( 3 ) 由公式( 1 ) 和公式( 3 ) 推导得出 ( 4 ) 管桩国标图集 1 0 G 4 0 9中提出的 O L 计算方法如 下 ： O O 4 5( 1 - a) ： Q ： Q ： 厶 ： “ 似 A + 0 4 5 A ( ， 一 ) 4 式 中， 一 按荷载效应的基本组合计算的弯矩值 ： 一 预应力钢筋抗拉强度设计值 ； 一 预应力钢筋的抗压强度设计值 ； 一 非预应力钢筋的抗拉强度设计值 ； 一 混凝土轴心抗压强度设计值 。 n 、 r 2 环形截面的内、 外半径 ； r D 一 纵向非预应力钢筋重心所在圆周的半径 ； r 自 一 纵 向预应 力钢筋 重 心所在 圆周 的半 径 ； 一 t 昆 凝土矩形应力图的应力值与轴心抗压 强度设计值之 比， C 8 0取 O L l = 0 9 4 ； 一 混凝土受压区面积与全截面面积的比值 ： O L 一 矩形应力图中，纵 向受拉钢筋达到屈服 强度 的钢筋面积与全部纵 向钢筋截面面积的比值 ， 当 a 2 3时， 取 O L = 0 ； 一 预应力钢筋合力点处混凝土法 向应力 等于零时的预应力钢筋应力。 采用上述两种计算方法计算 O L 和 O ， 结果见表 1 表 1 部分规格 复合 配筋桩 和 + 由表 1对 比可 发 现 。复 合 配 筋 桩 采 用 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0附 录 E的环 形 截 面 计 算方 法得 出 o t t 0 6 ， 即在复合配筋桩正截面受力破坏纵向受拉钢筋 达 到 屈 服 强 度 的 钢 筋 面 积 超 过 全 部 纵 向钢 筋 截 面 面积 的 6 0 以上 ；而采用管桩 国标 图集 1 0 G 4 0 9中 的公式计算得出 O 4，表 明复合配筋桩正截面受 力破坏纵 向受拉钢筋达到屈服强度 的钢筋 面积 占 全部纵向钢筋截面面积 4 O 以下 。 2 桩 身 力学性 能对 比试 验分 析 为 验证 上述 理论 分析 结果 。对 预应力 混凝 土管 桩 和 复合 配筋 桩进 行抗 弯应 力应 变 试验 ，选 用 0 6 0 0 m m桩作为试验对象 ，分别对 A、 A B、 B型预应 力管桩及 A、 A B、 B型复合配筋桩进行测试。 图 1 、 图 2分别为 0 6 0 0 ( 1 1 0 ) A B预应力混凝 土 管桩和 0 6 0 0 ( 1 I O ) AB复合配筋桩抗在极 限弯矩作 用下裂 缝 走 向及 破 坏性状 的照片 。 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王树峰 ， 张 日红 复合配筋预应力混凝土桩桩身性能的研究 工程应用 中受水平力作用时桩身的变形情况 ， 在宁 波某 高 层 建筑 采用 静 钻 根植 法 施 工 的桩 基 础 中 对 桩距 4 m( 可视作地质情况基本相同) ， 桩长为 6 4 m 下部 桩节 配 置桩 型相 同 ， 上 节分 别配 置 为 1 5 m 复合 配筋 桩 和 预应 力 混 凝 土 管桩 的基 桩 进 行 抗 水 平 力 测试。图 4为试验所测得水平荷载作用下 的位移曲 线 渣 荷载 k N 图 4 水平荷 载一 位移 曲线 图 从 图 4可以看 出， 随着水平荷载 的增大 ， 在桩 外径相 同情况下 ， 预应力混凝土管桩的位移量 明显 大于复合配筋桩 。在 3 0 0 k N相同荷载作用下 预应 力混凝土管桩位移量达到了 6 0 m m，复合配筋桩的 位移量只有 2 0 ra m。故当受到同等水平荷载作用时 ， 复合配筋桩基础的变形小 ， 桩基础 的变形对上部建 筑的影响作用也小 。 图 5为 0 8 0 0 m m预应力 管桩和 0 8 0 0 mm复合 配筋桩的水平荷载一位移梯度曲线图。 荷载 k N 图 5 水平荷载一位移梯度 曲线 图 由图 5可看 出 ， 在水平承载力作用下 。 复合配 筋桩 的位移梯度 比预应力混凝土管桩小 ， 且是随着 水平承载力不断的增加 ， 位移 的应变量基本成正 比 增加 ，当钢筋达到屈服 时才出现变量拐点 ，即在 3 5 0 k N达到 了基桩 的 临界荷 载 。预应力 混凝 土 管桩 基本呈抛物线状 的增加 临界荷载在 2 4 0 k N处。配 置非预应力 钢筋 可大 幅提高基桩抗水平作用 的临 界荷 载 ， 特 别 是 在 地 震 荷 载 作 用 时 。 基 桩 的变 形 梯 度小 ， 临界荷载高可承受的水平作用力 大 ， 可有效 的防止基桩受过大水平力作用时出现破坏或失效 。 4结论 ( 1 ) 配置非预应力钢筋作为主筋的复合配筋桩 ， 在正截面受弯承载力作用下 构件的受力性能与预 应力混凝土管桩有一定 的差异 ， 复合配筋桩正截面 受弯承载力计算采用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0规 范中附录 E中环形构件预应力混凝土构件 的计算方法更合 理 。 ( 2 ) 通过对复合配筋桩与预应力混凝土管桩抗 弯试验对 比， 发现复合配筋桩的开裂弯矩 和极限弯 矩都明显优于预应力混凝土管桩 ， 配置了非预应力 钢筋 ， 可有效的改善预应力混凝土管桩桩身受破坏 作用时表现 出的脆性 提 高桩身延性 ， 增加桩身对 于桩基受外力作用下能量的吸收能力 ， 可适用于抗 震设防烈度较高的地震区域。 ( 3 ) 上 节 桩 配置 同直 径 复 合 配 筋 桩 和 预应 力 混 凝土管桩的基桩抗水平承载力对 比试验表明， 复合 配 筋 桩 的抗 变 形 能 力及 临 界荷 载优 于 预应 力 混 凝 土管桩 ， 在受到地震 等水平荷载作用时 ， 可有效地 防止基桩受过大水平力作用时出现破坏或失效。 复合 配筋桩 的试验研究笔者 只进行 了一些初 步的试验及验算 ， 今后该类型桩在动荷载作用或抗 拔 、 抗水平要求高及地震设防烈度高的桩基础 中应 用 ， 需要更 进一步的详 细验算及试验验证 ， 特别是 地震 荷 载作用 下对 于抗 剪性 能还需 要深 入 的研究 。 参 考 文 献 ： 1 】 中华 人 民共 和 国住房 和城 乡建设部 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混 凝 土结 构设 计规 范 S 北京 ：中国建 筑工业 出版社 出版 ， 2 011 2 】 苏州 中材 建筑建材设 计研究 院 1 0 G 4 0 9预应力混凝 土管 桩 S ： 北京： 中国计划 出版社， 2 0 1 0 3 】 汤关祚 关 于预应力混凝 土管桩设计计算 方法 的探讨 【 J 1 混凝土与水泥制 品。 1 9 9 6 ( 1 ) ： 2 3 2 8 收稿 日期： 2 0 1 3 0 6 2 8 作者简介 ： 王树峰 ( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 工程师。 通讯地址 ： 宁波市鄞州 区邱 隘镇 盛莫路 4 2号 中淳高科 桩 业 股 份 有 限公 司 联系 电话 ： 1 3 6 4 6 6 4 5 3 5 5 E -ma i l ： p h r o e b e 2 0 0 2 1 6 3 c o m 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m