輸電塔高強混凝土管樁基礎問題分析

劉志偉，付建明，袁文璽

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.國家電網成都合源設計咨詢有限公司，成都610000）

輸電塔高強混凝土管樁基礎問題分析

劉志偉1，付建明1，袁文璽2

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.國家電網成都合源設計咨詢有限公司，成都610000）

根據預應力高強混凝土管樁（PHC管樁）及輸電塔基礎的特點對樁身抗拉強度、端板抗剪強度、樁的接頭方式、樁與承臺連接等進行計算和分析，指出存在的問題，并提出改進方案，希望為PHC管樁基礎在輸電線路工程中的應用和推廣提供參考。

PHC管樁；輸電線路；鐵塔基礎

1 概述

預應力高強混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）基礎具有樁身強度高、生產速度快、施工快捷、易保證成樁質量等優點，在國內外工民建工程中得到廣泛應用。國家建筑標準設計10G409《預應力混凝土管樁》［1］指出，PHC管樁主要適用于承壓樁，當承受水平荷載或者用作抗拔樁時，應根據工程實際情況適當加強樁與樁、樁與承臺的連接構造。由于鐵塔基礎長期承受上拉和下壓荷載的交替作用，故限制了PHC管樁在輸電線路鐵塔基礎中的應用。

對PHC管樁基礎進行抗拉驗算和分析，指出PHC管樁用作抗拔樁基礎時存在的問題，并提出改進方案。

2 PHC管樁的計算與改進

影響PHC管樁抗拉性能主要體現在樁身抗拉強度與端板抗剪強度的匹配、樁與樁之間的連接、樁與承臺之間的連接等方面，以預應力混凝土管樁［1］PHC 500 AB 100為例進行分析和計算，并提出改進方案。

為方便以后的計算，首先給出PHC 500 AB 100樁計算參數，見表1。表1中，ts為端板厚度；d1為端板預應力鋼筋錨固孔臺階下口直徑；d2為端板預應力鋼筋錨固孔臺階上口直徑；h1為端板預應力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離；h2為端板預應力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離。

2.1 樁身抗拉強度與端板抗剪強度的計算

2.1.1 樁身抗拉強度的計算

國內常用的管樁樁身豎向抗拉承載力計算方法有3種。

國家建筑標準設計《預應力混凝土管樁》計算公式為

式中：N為管樁樁身軸向拉力設計值，kN；fpy為預應力鋼筋的抗拉強度設計值，取值1 000 MPa；Ap為預應力鋼筋的面積，mm2；C為考慮預應力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響而取的折減系數，C=0.85。

故：0.85×1000×11×3.14×10.72／4≈840（kN）。

表1 PHC 500 AB 100樁部分參數

江蘇省標準DGJ32／TJ109—2010《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程》［2］計算公式為

式中：σpc為管樁混凝土有效預壓應力，取值6.59 MPa；f1為混凝土軸心抗拉強度設計值，取值2.22 MPa；A為管樁有效的橫截面面積，mm2。

故：

廣東省標準DBJ／T15-22—2008《錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程》［4］計算公式為

故：6.59×3.14×（5002-3002）／4≈828（kN）

由以上計算結果可知，國家建筑標準設計與廣東省標準計算結果相近，但與江蘇省標準相差達約32%。國家建筑標準設計按預應力鋼筋的抗拉強度為控制，并考慮預應力鋼筋鐓頭的折減系數；廣東省標準按樁身不出現拉應力為控制條件，只考慮了混凝土有效預壓應力；江蘇省標準按樁身不出現裂縫為控制條件，既考慮了混凝土有效預壓應力又考慮了混凝土的抗拉能力。從表面上看，江蘇省標準似乎更有道理，但是筆者認為江蘇省標準混淆了強度控制和裂縫控制的概念，強度控制是以荷載效應基本組合對應與材料強度的設計值，而裂縫控制是以荷載效應標準組合對應與材料強度的標準值。所以筆者認為樁身抗拉強度計算公式采取國家建筑標準或廣東省標準均可，為方便對比分析，采取國家建筑標準的計算方法。

2.1.2 端板結構抗剪強度的計算

圖1 端板與預應力鋼筋連接

端板與預應力鋼筋連接如圖1所示。根據表1和圖1，端板沉頭孔的抗剪強度計算公式為

式中：N為管樁樁身軸向拉力設計值，kN；n為預應力鋼筋數量；fv為端板抗剪強度設計值，N／mm2，端板材質為Q235B，取值120 N／mm2。

由以上計算可知，端板沉頭孔的抗剪強度值小于樁身的豎向抗拉承載力，故樁端板是PHC管樁發揮抗拉作用的“瓶頸”，需要增加其安全度。

2.1.3 端板結構的改進

由式（4）可知，影響端板抗剪承載力的兩個關鍵因素為端板的材質和厚度。

端板材質的影響。在《預應力混凝土管樁》圖集中，端板采用的材質為Q235B，抗剪強度設計值為120 N／mm2；假設端板采用Q345B鋼，那么材料的抗剪強度設計值將提高到180 N／mm2。與Q235B相比，端板抗剪強度增加了50%。

端板厚度的影響。假如將端板的厚度增至22 mm，按照式（4）計算得：

與20 mm的端板相比，端板抗剪強度增加了約16%。

故在輸電線路工程使用PHC管樁時，一定注意驗算樁身抗拉強度與端板抗剪強度是否匹配，并適當增加端板厚度或使用更高強度的材質，以提高端板的抗剪強度，增加安全儲備。

2.2 樁的接頭方式

民用建筑采用的PHC管樁基本上屬于承壓樁，若接頭質量不好，其危害一般不會馬上顯現出來；但是輸電塔的基礎長期承受上拔和下壓荷載的交替作用，尤其耐張塔的拉基礎長期處于上拔荷載的作用，如若接頭質量存在問題，很容易因斷樁而出現嚴重的事故，所以，抗拔樁的接頭質量至關重要。

目前工程中連接方式主要采取電焊焊接，此種焊接方式存在一定的安全隱患。首先輸電線路施工現場在荒郊野外，施工環境非常惡劣，由于條件限制，只能采取人工施焊，所以施工單位的管理水平及施工人員的水平差異造成焊接質量差異較大；其次工人焊接時一般先在坡口圓周上對稱點焊4～6點，待上下樁節固定拆除導向箍，再由兩名熟練焊工對稱施焊。焊接層數一般為3層，內層焊渣必須清除干凈后方可施焊外一層。每個接頭一般需要約20 min焊完，再等焊縫自然冷卻8 min后，才能繼續沉樁，浪費了大量的時間，影響施工的效率。同時許多施工人員不等焊縫冷卻就進行沉樁，以致形成接頭淬火，甚至出現脆裂，造成隱患。

由于電焊連接存在上述缺點，現介紹兩種機械連接方式（機械嚙合連接、機械連接卡連接），機械連接一般耗時1～2 min，即可繼續沉樁，相對焊接方法，工作效率提高80%以上，操作方便簡捷。

2.2.1 機械嚙合連接

機械嚙合連接技術，是在管樁樁端每個接頭的預埋鋼板上，均勻焊上一定數量的接樁用的連接槽，內藏鋼銷板和壓力彈簧，如圖2所示。

鋼銷板為帶齒牙向樁身的滑塊，用優質碳素鋼制成，后面以壓力彈簧緊固。管樁接駁時，首先把兩根接樁樁端預埋鋼板表面和鋼板上各個連接槽內填塞的聚苯乙烯泡塑等雜物清理干凈，然后將連接銷（絲牙部分）涂上防水膠，待接樁用扳手旋入各根連接銷（絲牙部分）擰緊，連接銷有一半長度外露，這時把待接樁吊起，清掃干凈連接銷，接著在連接槽內涂抹適量的防水膠，然后讓樁端的各個連接銷對準下部入土樁的連接槽后插入，從而使到連接槽內的空隙被防水膠溢滿，使兩根樁通過連接銷的機械嚙合作用而緊密地連接起來。

該連接方式要求連接銷抗拉能力大于樁身的抗拉能力。

圖2 嚙合連接

2.2.2 機械連接卡連接

機械連接卡連接技術是由3個相同的、弧度為120°的“［”型連接卡組成，每個連接卡上設有一定數量的螺栓孔，均勻分布，通過螺絲將連接卡與端板進行固定，連接見圖3。該連接方式要求連接卡的抗剪能力及連接螺栓的抗剪能力均應大于樁身的抗拉能力。

圖3 樁間連接

2.3 樁身與承臺連接

管樁與承臺連接的主要方式為微膨脹混凝土填芯并內插鋼筋，填芯的高度和插筋應進行截面抗拉承載力驗算。但是，在實際運用中，由于管樁內壁不可避免有離心浮漿層的存在，且因施工問題造成填芯的施工質量不一，都對填芯的整體抗拉強度造成干擾。因而，應對連接方式進行改進，根據實際情況提出兩種連接方式。

2.3.1 不截樁與承臺連接

抗拔力由樁身外部鋼筋和填芯混凝土內插鋼筋共同承擔。樁頂與承臺連接方式如圖4所示。圖4中，①號鋼筋為樁身外部鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔樁與承臺之間抗拔承載力。采用本連接方式時，①號鋼筋與樁身通過連接套管來實現。

圖4 不截樁樁頂與承臺連接

2.3.2 截樁與承臺連接

此種連接方式的抗拔力由預應力鋼筋和填芯混凝土內插鋼筋共同承擔。樁頂與承臺連接方式如圖5所示。圖5中，①號鋼筋為抗拔管樁樁身預應力鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔樁與承臺之間抗拔承載力。采用本連接方式時，保留端板，并應采取有效措施保證截樁后抗拔管樁的質量，嚴禁野蠻施工。

圖5 截樁樁頂與承臺連接

以上兩種抗拔管樁與承臺連接的措施均能有效加強抗拔節點的能力，以很小的經濟成本為代價，極大地增強了關鍵節點的安全儲備。

3 結語

通過計算分析，并對PHC管樁一些關鍵節點提出了改進建議。PHC管樁經改進后，能夠較好地發揮樁身的抗拉強度，可用作輸電塔的一種基礎型式。在使用PHC管樁時，一定要對圖集中各關鍵節點進行驗算，以期各部件的強度能夠完好的匹配，避免“瓶頸”的出現。通過對樁與樁連接方式的改進，能夠大幅地提高施工效率，減小施工難度。

［1］中國建筑標準設計研究院.10G409預應力混凝土管樁［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［2］DGJ32／TJ109—2010先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程［S］.南京：江蘇科學技術出版社，2010.

［3］DBJ15-63—2008預應力混凝土管樁機械嚙合接頭技術規程［S］.廣州：廣東省工程建設標準化協會出版社，2008.

［4］DBJ／T15-22—2008錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程［S］.北京：中國建筑標工業出版社，2008.

［5］王離.抗拔管樁的承載力及結構構造［J］.混凝土與水泥制品，2008（4）：32-36.

Basic Problems of High Strength Concrete Piles in Transmission Towers

LIU Zhiwei1，FU Jianming1，YUAN Wenxi2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute co.，Ltd，Jinan 250013，China；2.ChengduHeyuan Design&Consulting co.，Ltd，Chengdu 610000，China）

According to the characteristics of high-strength prestressed concrete pipe pile and transmission tower foundation，the tensile strength of pile body，the shear strength of end plate，the connection style of piles，and the connection between piles and pile caps are calculated and analyzed.Some problems are pointed out and solutions to deal with those problems are suggested，which are believed to provide references for the application of high-strength prestressed concrete pipe pile in transmission lines.

prestress high concrete；pipe pile；transmission lines；transmission tower foundation

TM753；TU753

B

1007－9904（2015）05－0058－04

2014-12-15

劉志偉（1981），男，工程師，主要從事輸電線路設計方面的工作。