预应力混凝土空心管桩与填芯管桩抗剪承载力的试验研究与计算方法探讨.pdf

安徽建筑 2 0 1 4年第 4期( 总 1 9 8期 ) 预应力混凝土空心管桩与填芯管桩抗剪承载力的试验 T e s t St u d y a n d Ca l c u l a t i o n Me t h o d o f Sh e a r Ca p a c it y f o r 研究与计算方法探讨 Pr e s t r e s s e d Con c r e t e Ho l l o w Pi l e s a n d F i l le d Pi l e s 凌应轩 ( 安 徽 省 建 筑 科 学 研 究 设 计 院， 安 徽 合 肥 2 3 0 0 0 1 ) 摘要： 预应力混凝土管桩在工程中得到了广泛应用。在水平地震作 用下 ， 基础桩顶 受到剪力作 用， 空心管桩 的抗剪承栽 力比较 弱 ， 通常在 管桩上 部埋入钢 筋 ， 浇 注一段 混凝 土与承 台相 连 。 填 芯混凝 土改善 了 管桩的抗剪性能 。文章通过 试验 以及理论 分析给 出了环 形截 面的抗 剪 承载力计算公式， 为管桩及其他圆形截面的设计计算提供 了理论及试 验依据 。 关键词 ： 预应力混凝土管桩 ； 填芯混凝土； 抗剪承载力 中图分类号 ： T U 4 7 3 1 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 4 ) O 4 0 1 2 5 0 3 0 引 言 预应力混凝土管桩在工程中得到了非常广泛的应用， 随着 我国高层建筑的迅速发展为其提供了更加广阔应用空间【 1 1。工 程结构在地震水平力及风荷载的作用下， 桩顶会受到水平剪力 的作用 ， 空心管桩抗震性能比较差， 脆性明显， 因此通常在管桩 上部浇注一段混凝土与承台相连， 填芯混凝土可以改善管桩的 抗剪能力， 提高桩端延性。对于环形截面和与填芯混凝土组成 的组合截面， 目前规范尚无抗剪承载力的计算方法。 因此 ， 本文 进行了试验研究与理论分析 ， 提出了预应力管桩新的抗剪承载 力计算公式。 1 荷载试 验装置 试验装置如图 l 所示 ， 加载装置由 3 榀钢反力架组成。其 中 2 榀用于固定桩的承台， 起固定端的作用 ； 一榀用于加载端 ， 起加载的作用。 固定端的桩承台与钢梁间用 4台千斤顶加载固 定， 加载端用 2台千斤顶加载， 加载端的千斤顶下分别放有荷 载传感器， 桩头上下放置 2台位移计 ， 中间下置有 1台位移计。 为了保证试桩剪切破坏， 采用了超静定加载方案 ， 简支端荷载 为中间荷载的 0 3 8倍， 加载时按此比例 ， 可使剪切破坏前不发 生弯曲破坏， 保证试验达到预期 目的。 3 试 验过程及试验数据 3 1 试 验过程 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 1 8 作者简介： 凌应轩( 1 9 7 9 - ) ， 男， 安徽五河人， 毕业于合肥工业大学， 硕 士； 工程师， 主要从事建筑结构设计工作。 图 1 试 验装置 示意图 图 2 试件 1破坏后图 图 3 试件 2破坏后图 试验采用分级加载的方式加载，荷载分为 1 0级，每级 3 0 k N， 每级加载后停留2 ra i n 3 mi n ， 观察桩身有无裂缝， 承台是 否发生破坏等。2台千斤顶加载时， 使两边荷载同级按比例增 加，加载大小通过荷载传感器连接到 T D S 一 3 0 3数据采集仪控 制 。 试件 1 为空心管桩 ， 当加载至破坏荷载的 7 0 左右时 ， 仍 处于弹性工作状态， 跨中荷载位移曲线呈直线变化； 当荷载加 至破坏荷载的 8 0 左右时， 桩壁出现细微斜向裂缝； 随荷载的 增加 ， 斜向裂缝迅速扩展， 管桩中与斜裂缝相交的箍筋达到屈 服后随即拉断， 管桩出现脆性剪切破坏( 图2 ) 。 试件 2为填芯管桩， 当荷载加至破坏荷载的7 0 时， 桩壁 开裂， 其开裂荷载略大于空心管桩； 开裂后继续加载， 斜向裂缝 随荷载的增加宽度逐渐变大，裂缝在原有基础上不断扩张， 基 本没有新的裂缝出现 ， 但其扩展速度较空心管桩为慢， 随着裂 缝宽度和跨中位移的增加， 填芯混凝土承担了部分剪力 ， 其极 限抗剪承载力较空心管桩提高约 2 0 。填芯管桩也为脆性破 坏， 但其脆性性质得到较大改善( 图3 ) 。 茺 土 工 程 与 基 础 处 理 安 徽 建 筑 一 重 2 0 1 4年第 4期( 总 1 9 8期 ) 安徽建筑 岩 土 工 程 与 基 础 处 理 安 徽 建 筑 Z 挺 一 _ _ _ 一 爪 ， 一 ， 35 0 3 0 0 2 5 0 Z 2 0 0 囊l 5 o 1 0 0 5 O 0 0 2 3 4 5 6 位移 m m f - if ， ， ， ： I O 0 O 2 3 5 0 I 3 0 o I I 2 5 o I 蚕 2 0 0 I 鬟 l 5 o j 1 0 0 I I 5 0 I 1 0 0 3 5 0 3 00 2 5 0 童2 0 0 鬟1 5 o l o 0 5 O 0 2 3 4 5 6 位移 mm l 一 ， ， 、 ， f 00 4 00 6 0 0 8 O 1 0 转 角 r a d 图 4空心管桩荷载 一转 角曲线 3 - 2实验数据 试验数据( 开裂荷载； 极限荷载； 极限位移 ) 及破坏形态见 表 1 所列。荷载 一位移曲线 、 荷载 一转角曲线分别如图4 、 5所D 示 。 试验数据( 荷载均取左侧剪力 ) 表 1 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 08 0 1 转 角 t a d 图5 填芯管桩荷载 一 转角曲线 4 理论分析及计算公式 A 4 1空心管桩抗 剪承载力的计算分 析 对于预应力混凝土管桩， 其抗剪承载力由二部分组成， 即混 凝土项和箍筋项， 我们分别对其进行分析。 对于混凝土环形截 面 ： 由材料力学可导 出管桩抗剪承载力 的表达式 ： Vc = o 0 式中： 卜 管桩壁厚( m m) 卜 混凝土截面相对中心轴的惯性矩 ( mm ) ， = ， 4( r 0 一 r 4 ) 一 外半径( m m) r 一内半径( m m) s _ 相对 中心轴 以上截 面 中心 截面 静矩 ( m m ) ， S o = 2 3 _ r 3 ) a l b ) Dr r 4 t b 图 6 箍筋对抗剪强度的贡献 Jr 一产生斜拉裂缝时剪切应力 对混凝土取单元体， 如图 6所示 ， 混凝土发生剪切破坏产 生斜裂缝时， 主拉应力等于混凝土的抗拉强度， 即 I = 。由材 料力学分析可知( 其中应力拉为正， 压为负) ： +、 ( ， 2 ) ： + 可 导 出 ： r = 、 ( ) 一 则预压混凝土项的抗剪承载力： V c = r = 、 ( + ) 一 。 ( 1 ) 对于箍筋项 ： 环型的 表达式可以由桁架模型3 1 推导而 得， 如图所示， 假定： 斜裂缝与圆环纵轴的夹角为4 5 。 ； 虽 厂 安徽建筑 2 0 1 4年第 4期 ( 总 1 9 8期 ) 与斜裂缝相交的箍筋在极限状态下全达到屈服； 箍筋的间距 S与箍筋中心线所围成的圆周直径比较相 对较小 。 将与斜裂缝相交的箍筋拉力全部投影到平面上， 则所有拉 力在竖直方向的投影之和就是极限状态下箍筋所承受的剪力 ： 、 1 产 A n 上式中的0 计算起来非常复杂， 作如下简化处理： 当 S较 小时， 弧长 Js ，o点处竖向分布力 q o A ； 6点处的竖 向 分布力 口 0 ； 假想将 1 ， 4圆周 弧拉直并假定 之间竖向分 布力按线性分布， 则有： ：一 1 堕 2 4 对整个圆周有 ： D 对于螺旋箍筋， 考虑其只是在纵向承受剪力， 则： ： 舢 式中： 箍筋中心线所围成的圆周直径 A 单根箍筋的截面积 可行 的。 本文推荐公式的计算值与试验值的比较( 前 4组构件) 表 2 ( 2 ) 6 结论 箍筋与环形截面中心线的夹角 综合以上分析可得环形截面抗剪承载力公式： = + 肌 胁( 3 ) 4 - 2 填芯混凝土管桩抗剪承载力的计算 对于填芯部分混凝土的抗剪 ， 按我国 混凝土结构设计规 范 圆形截面公式 ： 箐 争 。 式 中 ： b = 1 7 6 r ； h 0 = 1 6 r ； A=5 0 0 2 7 0=1 8 5 ； r = 1 3 5 求得抗剪承载力 = l 1 1 7 2 k N， 如不考虑箍筋项 ， 则可得 到 =7 7 5 2 k N 。管桩与填芯混凝土抗剪承载力之和为 V = 2 2 8 5 4 + 7 7 5 2 = 3 0 6 0 6 k N， 实测结果为 3 1 2 6 k N 。填芯混凝土对管桩 抗剪承载力的影响，可以认为管桩达到极限承载力的同时 ， 由 于管桩的约束作用使得填芯变形比较小， 仅填芯部分的混凝土 发挥了强度 ， 箍筋部分强度并未充分发挥 ， 因此在计算其抗剪 承载力的时候可以仅考虑混凝土项 ， 则： = + D sin ot+ 4 ) 式中： A为填芯部分的剪跨比，由于内部的混凝土受到约 束， 计算 A时的h 。 取全高。 5 理论计算与试验结果比较 将本文所提出的抗剪承载力公式计算文献【 5 】 试验构件 ， 以 上述公式计算结果与试验结果相比较见表 2 。结果对于文献【 5 V V ， = 0 7 1 4 ， = 0 2 6 8 。本文 公式 V ，其 = 0 8 4 6 ， c r = 0 1 9 4 。可见， 本文推荐的理论公式更接近试验结果 ， 证明是 本文的公式是在理论分析的基础上得出的， 分别反映了 混凝土项和箍筋项以及混凝土的有效预应力对承载力的贡献。 本文提出的公式不仅适用于预应力管桩的抗剪承载力 计算 ， 而且对一般混凝土环形截面梁柱也是适用的， 由表 2的 结果比较可以看出，公式计算结果与试验值吻合的比较好， 说 明了公式 的可行性 。 公式应用中 ， 对于非预应力混凝土 取为 0。 填芯混凝土对管桩抗剪承载力的影响。 管桩达到极限承 载力的同时， 仅填芯部分的混凝土发挥了强度， 箍筋部分强度 并未充分发挥。在管桩破坏以后， 填芯的承载力大大超过计算 值 ， 组合截面有了较大变形后仍然有一定的承载能力 ， 表现出 了一定的延性 ， 其原因主要可能是因为管桩对填芯混凝土的约 束作用。 参考文献 【 1 】 邓友生， 孙宝俊 预应力混凝土管桩 的应用研究及发展前景 J 建筑 技术 ， 2 0 0 3 ( 4) 徐至均， 李智宇 预应力混凝土管桩基础设计与施工 M 北京 ： 机械 工业 出版社 。 2 0 0 5 顾祥林 地震作用 下钢筋混凝土圆形截 面柱 的抗剪强度 J _ 结构工 程师 ， 1 9 9 4 ( 4) GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混 凝土结构设计规范【 s 】 北京 ： 中国建筑 工业出版 社 ， 2 0 1 0 吕志涛， 石平府， 等 圆形、 环形截面钢筋混凝土构件抗剪承载力的 试验研究【 J 】 建筑结构学报， 1 9 9 5 ( 3 ) 阮起楠 地震区预应力混凝土管桩设计探讨 J 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 0 ( 4 ) 富文权 预应力混凝土管桩的抗震问题 J 混凝土与水泥制品， 1 9 9 5 ( 1 ) 岩 土 工 程 与 基 础 处 理 重 筑 _ 网 嗍