关于预应力混凝土桩抗压强度计算公式的商榷.pdf

1 2 0 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 O 期( 总第 1 9 6期) 关于预应力混凝土桩抗压强度计算公式的商榷 王常青 ( 黑龙江 四方建设工程设计院 。 哈尔滨1 5 0 0 01 ) 【 摘要】 从理论上对预应力混凝土轴心受压构件进行应力分析， 描绘出在施工、 使用阶段构件中预应力筋 和混凝土应力变化曲线， 进而推导出预应力混凝土轴心受压时强度计算公式和预应力混凝土桩抗压计算公式。 对在预应力管桩基础设计中确定桩身承载能力有重要意义。 【 关键词】 预应力； 管桩； 钻孔预制复合桩； 应力损失； 变形协调； 成桩工艺系数 【 中图分类号】 T U 4 7 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 2 0 0 3 近年来对预应力混凝土桩抗压强度计算 尚无统 一 方法 ， 国家标准图集中， 预应力空心方桩和预应力 空心管桩抗 压强度计算公 式截然 不 同， 国家桩 基础 设 计规范中也未明确提出预应力桩抗压强度计算方法。 这些都困扰着预应力混凝土桩的基础设计 。预应力 混凝土桩抗压强度计算公式不准确 ， 影响桩承载力有 效发挥 ， 造成很大浪费； 甚至有时还带来不安全因素。 目前结构工程师们急待能有明确、 合理计算方法。出 于此目的， 本文提出预应力混凝土桩抗压强度计算方 法及公式 ， 供工程师们参考。 1 预应力混凝土构件轴心抗压计算 1 1 施工 阶段应力分析 本文提的施工阶段是指先张法预应力混凝 土构 件在未受外力作用 的阶段 。 ( 1 ) 在固定的钢台座上张拉截面积为 A 。 的预 应力钢筋， 将钢筋张拉至控制应力 。 。 ， 这时钢筋总拉 力为 A 。 。 假定构件 中未配非预应力 钢筋 。 ( 2 ) 预应力钢筋完成第一批应力损失。 钢筋固 定在台座上， 锚具产生弹性压缩变形， 钢筋 内缩引起 预应力损失 ( 减少) ； 在 台座上浇 注混凝 土 ， 为缩 短 生产周期 ， 采 用蒸 汽养 护加速 混凝 土快 速硬 结。 这 时 受拉钢筋与承受拉力的固定 台座之间温差引起预应 力筋应力损失 d ； 在浇注混凝土和养护初期， 钢筋和 混凝土之间无粘结力， 预应力筋在长度不变和高应力 作用下产生塑性变形( 徐变)和松弛， 引起应力损失 。 。 ，、 计算公式可查混凝土结构设计规范和 混凝土结构教科书。 此时混凝土未受力， 预应力筋的 拉应力已降到 o n Or e ， ， 。 ，= 。 l+ e 3 + 。 ( 3 ) 当台座上的混凝土达到 7 5 以上设计强 度， 混凝土和预应力筋形成一个整体， 钢筋和混凝土 问具有粘结力 ， 这时放松预应力筋， 钢筋回缩 ， 混凝土 和预应力筋间的粘结力对混凝土施压， 使混凝土产生 压缩变形， 钢筋和混凝土产生相同压缩变形。 预应力 筋拉应力降低了 o r ， 混凝土开始产生压应力 Or 脚。 根 据钢筋和混凝土变形协调条件有： s。 。： p e E。 Or E。 ， E。 。 这时预应力筋应力为： ： 一 。 I E 根据构件内力平衡条件： A = A Or p , A = ( o o n 一 。 I O t E Or V ,e o ) A p ， 得 = 式中， A 为构件截面面积扣除钢筋后的纯混凝土 面积。 ( 4 ) 预应力筋完成第二批应力损失。 随着时间 的增长， 混凝土发生收缩变形， 并且在压力作用下产 生徐变使混凝土构件缩短， 预应力筋内缩， 造成预应 力损失 。 这时混凝土压应力降为 。 ， 混凝 土压应 力降了( 一 。 ) ， 钢筋拉应力降为： o r p e l= n 一 c l c r E p o 。 +0 c E ( Or p c o 一 I ) = con一 e Ot or p c I e Or d + t 5 根据构件内力平衡条件： Or 。 A = A 。 ， 有 ( 一Or eO t E p e 1 ) A p p c l A ， 得 = = = 为混凝土构件在未受外力作用前 ， 构件内预 应力筋作用( )产生的压应力 ， 称为有效预压应力。 A 。 为换算截面面积 ， A 。=A +a E A 。 1 2 使用阶段的应力分析 ( 1 ) 构件在外力 ( 压力)作用下， 构件混凝土 和预应力筋缩短， 混凝土压应力在 基础上增加了 N A 。：A or ， 预应力筋应力降低了O t E ( a Or ) 。 下面按 两种假设分析预应力筋和构件混凝土应力变化情况 ： 王常青 ： 关于预应力混凝土桩抗压 强度计 算公式 的商榷 l 2 l 第一种情况， 假定在外力 作用下预应力筋拉应力变 为零； 第二种情况 ， 假定外力作用下构件混凝土达到 抗压强度设计值 。 由第一种假定 ， 这时预应力筋应力 表达式 为 ： 一 。 一 O L E O p c 1 一 E ( t o - 1 )=0 由上式得 ： 。： l_ 二 ( 。 一 。) ( 一 争 ) 这 时混 凝 土 压 应 力 为 ： o r lx 2= o r + t o 。 l= A p 一 ( 麦 一 象 ) = 显然这时 远大于 值， 说明预应力筋拉应力 不可能变为零 ， 当拉应 力 降至零 之前混凝 土压应力 已 达到 值 。 由第二种假定， l + 。 l = ， t o - 。 l =N A 0 = 一 。 ，最后N： 一 。 ) A 。 ， 这时预应力筋拉应力降为： 。 一 。 一 E p c I o t g ( 一o r p c t ) c o n 一 。 一 a 此处 为构件受到总外力。 根据承载力极限状态设 计理论， 预应力混凝土构件轴心抗压强度计算表达式为： N0 9 ( 一 1 ) A 0 此处 。 构件混凝土有效预压应力。 2 预应 力混 凝土构 件轴心受压 时预应 力筋和混凝 土 应力变化轨迹 ( 1 ) 由以上应力分析知， 预应力筋应力由 ( 一 。 I ) ( 一 。 I E p c o ) ( 一o r 。 一 。) 一 ( 一 。 一 ) ， 预应力筋拉应力由大逐渐 变小， 变到( 。 一a ) 时 ， 构件混凝土压应力值 为 ( 图 1 ) 。 口 l l 0 枷 N- - a _ 2 、 ； T ( 时 闯 0 N N + N ( 外力 ) J l 一 ( 时间 ) D Nf+ N N t 力 ) 图1 预应力筋应力变化轨迹 圈2 混凝土应力变化轨迹 ( 2 ) 混凝 土的应 力 由 一 。 一 ， 在未施加 外力之 前， 混凝 土受 到 的压应力 由大 ( 。 )变小 ( ) ， 施加外力后由小( P d )变大 ， 直到 ( 图2 ) 。 ( 3 ) 由以上分析及图 1 、 图 2可知 ， 施工阶段构 件混凝土压应力逐渐下降， 到预应力筋完成第二批应 力损失为止， 此时混凝土压应力为 。 ， 在使用阶段构 件混凝土压应力由 。 逐渐增至厂 c 。 施工阶段和使用 阶段构件中预应力筋拉应力逐渐下降 ， 当构件混凝土 压应力即将增至 时， 预应力筋仍然处于受拉状态。 由 预应力管桩设计经验知， 预应力筋完成第二批应力损 失后总的预应力损失 为控制应力 的 1 0 一 2 0 。 由此计算知 ， 当外力 ( 压力 ) 作用下构件混凝土 压应力达到厂 c 时， 预应力筋拉应力 为控制应力 的 6 0 一7 0 。 3 预应力管桩抗压强度计算 预 应力混凝土管桩在施 压 时常 出现裂缝 ， 预 应力 管 中预应力钢筋混凝 土保护层 过小 ， 在 潮 湿的 土层 中 易锈蚀 。 考虑到施工和耐久性因素， 在抗压强度计算 时， 在表达式前冠以系数 。 根据有关技术文献和桩基 础设计规范规定 ， 取 0 8 5 。 最后表达式为： ( 一 。 ) A 0 式中， ， 为预应力混凝土管的有效预压应力， ，值在预应力混凝土管桩图集中可查到， 也可由前 面公式计算。 此处 为结构荷载效应基本组合时的作 用在桩顶竖向力设计值。 4 钻孔预制复合桩抗压强度计算 该 桩成桩工 艺为 ： 首 先机 械钻 孑 L 到 设计 土 层 中， 提钻前由钻杆中心向孔内压力注水泥浆 ， 边注浆边提 钻， 浆注到孔壁不塌的位置时钻提 出地面 ， 形成水泥 浆护壁的桩孔； 其次将比孔直径小 1 0 0 ra m的预应力空 心管插入充满水泥浆的孔中， 直接插到孔底部； 最后 在孔壁与预制管外壁 间插入两根 注浆管 ， 向环 型孔 内 压力补注水泥浆 ， 形成 由水泥浆 包裹住 预应力 混凝 土 芯管的钻孔预制复合桩。 为了使水泥浆与芯管间粘结 牢固， 芯管外壁预留水平凹槽。 工程实践证明， 水泥浆 层和芯管共同承受外力。 抗压强度计算公式为 ： 、 r H l m 厂 c H A H+( 一 I ) A o 由于成孔工艺及施工质量造成桩身强度和截面 变异优于干作业非挤土灌注桩 ， 。 取 0 9 ； 根据 混凝 土结构加固设计规范， m为水泥浆包裹层与芯管问 共同受力时工作条件系数 ， 取 m =0 8 是水泥浆 包裹层抗 压强 度设计值 ， 当水灰 比为 0 5 5 、 0 6时 值分别为 1 1 9 , 9 5 MP a ； A 为环型包裹层截面面积。 5结语 由以上理论研究及管桩基础设计实践可知， 当预应 力管桩混凝土在轴心受压条件下， 混凝土强度达到抗压 强度设计值 时， 预应力筋拉应力仍维持在 6 o 一 7 0 的控制拉应力。管桩中的预应力在管的堆放、 运输、 1 2 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 O期 ( 总第 1 9 6期) 泰 州地 区软土路基搅拌桩施工监测研 究 蒋波 ， 黄铭 ( 1 江苏泰州大桥有 限公司 。 江苏泰州2 2 5 3 2 1 ； 2 泰州市公路管理处 江苏泰州2 2 5 3 0 9 【 摘要】 针对泰州地区某软土路基加固工程中搅拌桩下沉的情况， 开展了一系列现场监测试验， 研究了该 地区水泥土搅拌桩施工过程对于周围土体扰动影响。监测了搅拌桩施工时， 搅拌桩周围土体中土压力和超孔隙 水压力的变化情况。通过试验， 得到土压力和孔隙水压力随搅拌桩距离和钻人深度的变化关系； 得到其峰值增量 随距离的拟合函数关系式； 确定了由于大面积连续搅拌桩作业对周围土体扰动的累积作用。 【 关键词】 搅拌桩施工； 土压力； 超孔隙水压力； 施工扰动 【 中图分类号】 T U 4 7 1 8 【 文献标识码l B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 2 2 0 3 水泥土搅拌桩是用水泥作固化剂， 通过深层搅拌 机械与软土地基强制搅拌形成的水泥土桩体， 与周围 土体形成复合地基， 对地基进行加固， 广泛应用于软 土地基加 固处理 中。 由于搅拌桩按复合地基进行设计 ， 工程中一般只 考虑桩身强度， 而忽略了桩周土强度的变化， 所 以搅 拌桩施工对周围土体的扰 动影响往往被忽略 。而 实际上在水泥搅拌桩施工过程中， 固化剂的注入与叶 片的搅拌作用不可避免地会扰动周围土体， 破坏土体 原有的结构， 使其发生挤压和劈裂作用 ， 改变土体的 应力场 ， 在桩周土体中产生超孔隙水压力。施工结束 后超孔隙水压力的消散将引起土体的再固结， 还会造 成地表隆起和一定范围内地基侧向位移， 可能造成临 近建筑物不均匀沉降 。因此， 有必要对搅拌桩的扰 动效应作全面 系统 的研究 。 本文针对泰州地区某软土路基施工现场搅拌桩 下沉的情况 ， 以此区域为试验场地。对搅拌桩施工过 程中的周围土体中土压力和超孔隙水压力的变化情 况进行 了现 场监 测 。为 该 地 区避免再 次发 生类 似事 故提供指导性意见。 1 施工监测试验设计 1 1 现场情况 润扬 大桥北接线、 泰州大 桥北 接线 和宁靖盐 高速 公路泰州段均出现了搅拌桩下沉的现象。泰州大桥 北接线软基搅拌桩下沉的段落主要在 D匝道( D K 0+ 2 2 7 2 5 2 ) 和北引桥处( K 1 2 +7 7 0 8 4 0 ) ， 搅拌桩下沉 现象如 图 1 所示 。 图1 泰州大桥北接线搅拌桩下沉现象 该区域的路基软土主要以为海相沉积淤泥质粉 土和淤 泥质 粉质土 ， 在搅拌 桩施 工过 程 中 ， 产生 超孔 隙水压力极易大于土压力 ， 即土的有效重应力 ， 使土 0 o0 00 0O 0o o0 00 o o 0o o0 00 o 0o o 0o o0 o O o0 oo o 0 o0 00 0o oo o o 0o oo 0 0 oo o0 oo 0o 。 oo 00 00 o0 00 o o 0o 00 oo o O 0o oo oo 0 O 0 吊装时起着提高管的混凝土抗裂度、 增加管的抗弯刚 度等的积极作用， 在轴压状态下使用预应力混凝土构 件时很不经济的。预应力管桩在使用 阶段未加外力 前混凝土就存在有效预压应力 ， 预压应力占混凝土抗 压强度设计值 的 1 0 2 0 。因此， 在使用阶段构 件抗压强度计算就应考虑预应力筋在施工阶段对混 凝土管已施压影响。 参考文献 1 天津大学， 同济大学， 清华大学， 东南大学， 混凝土结构( 上 册) M 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 3 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s 4 J G J 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范 s 5 国家标准图集 1 0 G 4 0 9 ( 预应力混凝土管桩) z 6 国家标准图集 0 8 S G 3 6 0 ( 预应力混凝土空心方桩) z 7 汤关祚， 匡红杰 预应力混凝土桩轴心受压承载力计算方法 的探讨( 第二届管桩年会) z 收稿 日 期 2 0 1 4 一 o 6 1 1 作者简介 王常青( 1 9 4 5一 ) ， 男， 山东牟平人， 研究员级高级 工程 师 ， 从事建筑结梅设计及结构工程改造 加固 设 计工作 。