预应力混凝土管桩接头抗弯承载力试验.pdf

第2 5 卷2 0 1 1 年1 0 月江苏科技大学学报(自然科学版)J O U R N A LO FJ I A N G S UU N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N DT E C H N O I D G YV 0 1 2 5O c I 2 0 1l预应力混凝土管桩接头抗弯承载力试验黄广龙1，颜荣华t，周文苑1，陈巧2(1 南京工业大学交通学院，江苏南京2 1 0 0 0 9)(2 江苏建华管桩有限公司，江苏镇江2 1 2 4 1 3)摘要：预应力混凝土管桩大量用于桩基工程，其连接通常采用端板焊接方式，接头的抗弯性能能否满足桩身承栽要求是关键问题通过对预应力混凝土管桩焊接接头的抗弯承载力试验，研究其在弯矩作用下桩身变形及破坏特征，分析接头破坏的原因试验表明：加裁后端板与混凝土连接处开裂、主筋镦头断裂，受弯作用下接头具有脆性破坏的性质，常规焊接接头抗弯性能难以达到桩身强度要求预应力混凝土管桩须在接头处采取加强措施，以满足水平承栽务件下对管桩强度的要求关键词：预应力混凝土管桩；焊接接头；抗弯性能：试验研究中图分类号：T U 3 7 8文献标志码：A预应力混凝土管桩具有质量可靠、施工速度快、造价较低、工期短且环保等优点，成为桩基础的主要形式之一，近年来在深基坑支护工程中得到推广使用【l l，针对预应力混凝土支护桩的应用编制了相应的规程和图集1 2-3 由于基坑工程中管桩主要承受水平荷载，接头的抗弯承载力能否满足设计要求是设计人员必须考虑的问题已有很多专家认识到焊接接头的存在的问题，文献【4】统计了断裂的5 5 根预应力混凝土管桩，其中断裂在焊接头的共3 9 根，占7 0 9，说明焊接头的隐患不容忽视，并提出加强焊接接头的一些具体工程措施文献【5 研究了管桩水平断裂问题，文献 6 通过应力波在预制管桩接头处传播性能的研究，分析利用反射波信号综合反映接头处端头板接触面的接触情况和焊缝的焊接质量预应力混凝土管桩接头处材料的物理力学性质差别大，在水平荷载作用下受力比较复杂，对其抗弯性能的试验研究也相对较少l T-S 1 为研究水平承载作用下预应力混凝土管桩接头抗弯性能，对3 根预应力混凝土管桩接头抗弯承载力进行试验，研究其在弯矩作用下桩身变形及破坏特征，分析接头破坏的原因1 试验方案设计1 1 试件介绍本次试验选用外径5 0 0m m，内径3 0 0m m 的预应力混凝土管桩试件3 根，桩长均为1 0m 将3 根完整的预应力混凝土管桩试件从跨中部位断开，端头两两对焊，做成3 根接头构件，此时加荷区在原管桩端头，该部分基本完好无损试件具体参数见表1 表中极限弯矩理论值别按照混凝土结构设计规范(G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2)c 耳汁算1 2 试验方法预应力混凝土管桩接头抗弯试验参照先张法预应力混凝土管桩试验标准，采用简支梁对称加载1 7 l，如图1 所示，其中，a=0 5m，L=1 0m 垂直向下加载时，采用如下弯矩计算公式嗍表l 试验桩参数表收稿日期：2 0“0 8 1 5基金项目：江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目(B K 2 0 0 9 7 3 2)作者简介：黄广龙(1 9 6 7-)男。安徽广德人，博士，教授研究方向为岩土工程方面的教学与科研E m a i l：g l h u a n 9 6 7 1 0 1 6 3 t o n i“苏科技 m(自#科学m3 1=一I“盎”(I)式中，M 为抗弯弯矩单位为k N m；为管桩重量单位为k N；L 为管桩长度单他为m；P 为竖向荷驻(垂直加鼗应考虑加载设薪的盈盘【)，单位为k N根据式(I)，由抗裂弯矩及极限弯矩理论值反算，则可得到加载荷载P 根据计算结果，采用如下加载方式进行接头抗弯试验：1)接开裂弯矩的2 0 的级差由0 加载至开裂弯矩的8 0，每级菏载的持续时间为3r a i n；然后按开裂夸矩的1 0 的级差继续加载至开裂弯矩的1 0 0 每级荷载的持续时问为3m i n，观察是否右裂缝出现，测定井记录裂缝宽度2)如果加载至开裂弯矩的1 0 0 时未出现裂缝，则按开裂弯矩的5 的级差继续加载至裂缝出现每级荷载的持续时问为3m i l l，测定并记录裂缝宽度3)按极限弯矩的5 的级差继续加载至槛跟状态每级荷载的持续时间为3m i n，观察并记录各项读数，。，5、f7，】374一：一二、2n2L 0 M 一，I j“一，。l i p*，2-镕i 目；3 日老i -女m；5-#l 喙o 一#t*日2 H 目：，廿R*女自*女；8-T j*激目1 抗膏试冀 童田1 3 澍试内窖1 3 1 挠度测量由于管桩长达1 0m 为了求得管桩的真正挠度 至少需要布置7 个位移计在圈2 所不的A，B，c，D E F，G 7 个点上布置位移计1 32 应变测量为测试预应力混凝土管桩应变分布情况，需在跨中截面从上到下依次均匀布置应变片南于预应力混凝土管桩材牵 的非弹性性质桩截面的应力分布往往不理则为了求得拔面上应力分布规律和确定巾和轴的位置沿截面高度布置7 个测点另外可能端扳或焊缝处较为薄落，为弄清其受力状态，其两埘再布置2 组应变片如图2 所不豳2 接*#计#变片布量1 33 裂缝测鼓试验中需要测定裂缝的，F 展情况包括筇条出现的裂缝和宽度世大的裂缝，每级荷载下出现的裂缝均需在试件上标明，在裂缝尾部注明荷载值，裂缝发展时需在裂缝新的尾端注明相应的荷教2 接头破坏形式通过耐3 根预应力混凝土管桩接头抗弯承载力试验，发现封一j 试件达到开裂荷载以后，在端板与管桩接触处有明显的脱开井且在桩身周围出现少量裂缝，S J-I 试件最后由项J 直力钢筋镦头被拉断而破坏S J 一2 试件与鲥一3 试件破坏形态基本一致即在试验初始阶段试验桩跨中截面各点的位移变化非常小，基本处于弹性阶段，随着荷载的增加，试验桩的挠度变化不明显，即使达到理论的开裂弯矩管桩桩身也没有出现裂缝，但在端板与管桩接触处有明姓的脱开，如豳3 所示最后由于受压侧混凝土被局部压碎而破坏田3 女与桩女#m*3 试验结果分析由于管桩接头的破坏带有明显的脆性破坏时比较突然，而且接头的薄弱环节主要是在端板自I 桩身的连接处租难准确测定接头的开裂弯矩S J 一2试件在试验过程中应变片进到破坏，未能测得应变及挠度数据倥对S J 一1 试件及剐一3 试件实测数据整理分析根据试验结果，对剐一I 试件j 式验数据进行整理，褂到荷载、挠度、应变之间的关系曲线如隔4 0黄广龙，等：预应力混凝土管桩接头抗弯承载力试验2 1 1所示1lZ繇稼E型曩；Z善轼根中点挠度r a m图4 荷载挠度曲线图5 整跨挠度曲线应变“图6 荷载应变曲线j WNg瑙惶1黎弋j0 0 0 15 0 0 10 0 05 0 00嬲5一一q，l 1 k N l k N1 0 t Y k N翁+l C k 6 I d k。2 0 0 N一1 5 7 O k N图7 不同荷载下应变随高度变化曲线根据试验结果，对S J 一3 试件试验数据进行整理，得到荷载、挠度、应变之间的关系曲线如图8 一l l所示根据实测数据分析，荷载一挠度曲线上出现的拐点不是很明显，因此难以确定接头的抗裂弯矩根据整垮挠度曲线，加载到最后一级荷载时管桩接头中点挠度突然增大，发生脆性破坏由于接头处端板与混凝土容易发生脱离，在管桩破坏时，中点的挠度明显大于两侧，可以看到破坏时荷载一挠度曲线成一个非常尖的三角形根据应变实测数据分析，管桩在荷载较小的情况下应变沿高度表现出明显的线性分布，但当荷载稍微偏大，应变随高度就表现出明显的非线性，说明弯矩作用下管桩接头处应力应变关系更为复杂分析原因，主要是由于端板与管桩混凝土粘结不够牢固，在荷载较小的情况下就产生脱离，从而在端板与混凝土连接处产生很宽的主裂缝，造成管桩过早压碎另外，由于端板与混凝土之间的弹性模量相差一个数量级，二者的抗弯刚度不一致，在端板与混凝土连接处容易产生应力集中，从而时管桩产生局部压碎破坏3 根管桩的接头抗弯承载力试验结果如表2 所示由表中可以看出，一般焊接接头的抗弯性能比桩身强度低很多，且配筋率越高，试验2 5 02 0 0堇1 5 0搿稼1 0 05 00Ol OE越2 0嚣3 04 0l O2 03 04 0挠度彻图8 荷载挠度曲线位嚣，m图9 整跨挠度曲线应变雌图l O 荷载应变曲线2 1 2江苏科技大学学报(自然科学版)巡gg铡耀蕊孓。15 0 010 0 05 0 0u妒pl Ik一I5 2 3 k N-t 一19 0 6 k N2 0 0一2 2 9 O k N图1 1 不同荷载下应变随高度变化曲线值比理论值越小当管桩需要接桩时，接头问题成为一个较为薄弱的环节，应尽量减少接桩表2 管桩的接头抗弯性能试验结果4 结论1)通过对3 根预应力混凝土管桩接头试件的抗弯承载力试验，发现管桩接头具有脆性破坏的性质，主要是由于端板与混凝土抗弯刚度不一致，在弯矩作用下端板与混凝土连接部位产生应力集中，从而使得接头过早破坏2)接头的抗弯性能远低于管桩桩身的抗弯性能，当采用预应力混凝土管桩作为水平承载桩时，应尽量减少接桩，当必须接桩时，必须验算接头处的抗弯承载力，保证不因接头问题而使结构发生破坏3)根据试验结果，配筋率越高，接头抗弯承载力越低于桩身强度，脆性破坏的性质越明显，设计时不宜对配筋率过高的管桩进行接桩参考文献【1】黄广龙。李勇，宰金珉，等预应力混凝土管桩在深基坑管工程中的应用研究叨建筑施工，2 0 0 5，2 7(4)：1 2 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