各省標準關于預應力管樁抗拔要求異同的思考

張感平,袁 鋒,鄭國良

(廣廈集團,浙江 杭州 310013)

預應力混凝土管樁(以下簡稱“預應力管樁”)由于其樁身強度高、質量穩定、施工快捷、造價較低等優勢,在廣東及長三角等沿海地區得到了廣泛的應用。預應力管樁作為抗拔樁的應用也占據相當大的比例。

關于預應力管樁作為抗拔樁的設計要求,各省市均有預應力管樁方面的規范、圖集。但各省標準多有不同。

1 工程概況

某小學項目位于杭州余杭區,委托上海某建筑設計公司設計。風雨操場設置在地下一層,操場地面標高為室外地面往下5.2 m,跨度為26.5 m×31 m,因此風雨操場區域需要考慮整體抗浮。設計采用預應力管樁抗壓兼作抗拔,樁型PHC-400AB95-13、12。管樁參數按《先張法預應力混凝土管樁(2010浙G22)》取值,填芯混凝土長度為4 m,填芯孔內的抗拉鋼筋為6Φ22。設計給出的單樁豎向抗拔承載力特征值為400 kN。對此筆者表示存疑。本文以此為例,通過比較各省標準關于樁身強度的驗算,提出設計和施工的控制要點,從中得出相關結論,供設計和施工人員參考。關于場地條件計算的單樁抗拔承載力并不在本文討論的范圍。

由于本項目位于浙江杭州,為海相沉積地區?？紤]地域性的因素,本文作對比的標準為以下5本：

《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程(DB33/1016—2004)》(以下簡稱“浙江標準”)，《錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程(DBJ/T 15—22—2008)》(以下簡稱“廣東標準”)，《預應力混凝土管樁基礎技術規程(DGJ32/TJ 109—2010)》(以下簡稱“江蘇標準”)，《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程(DBJ 13—2006)》(以下簡稱“福建標準”)，《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程(DB34 5005—2014)》(以下簡稱“安徽標準”)。

2 樁身強度驗算

2.1 樁身結構強度驗算

按裂縫要求進行樁身結構強度驗算,對此五省標準較為統一。相對而言,浙江標準和廣東標準更為嚴格,統一按腐蝕環境或嚴格要求不出現裂縫控制(不考慮混凝土的抗拉強度)。以浙江標準式(5.2.9-2a)計算如下：

Qc≤σpcA

=5.82×103×3.14×(0.42-0.212)÷4

=529.51 kN

式中：Qc為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向力設計值；

σpc為管樁混凝土有效預壓應力；

A為樁身橫截面面積。

若處于一般環境或一般要求不出現裂縫的預應力管樁,按江蘇、安徽、福建的標準,可考慮混凝土的抗拉強度,Qc會更大。

2.2 接樁處的焊縫強度驗算

除廣東標準外,其余四省標準均給出接樁處的焊縫強度計算公式。

2.2.1 浙江標準式(5.2.9-2b)計算

=3.14×(400-2+400-2×12)÷2×

0.75×12×170÷1.2

=1 549.35 kN

式中：Qc為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向力設計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,通常取d1=d-2;d2為焊縫內徑,通常取d2=d-2×12,d為管樁外徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75S(S為焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離,通常取12 mm)；

2.2.2 福建標準式(5.2.9-3)計算

=3.14×(400-2+400-2×12)÷2×

0.75×12×170

=1 859.22 kN

式中：Qct為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向抗拔承載力設計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,通常取d1=d-2；d2為焊縫內徑,通常取d2=d-2×12,d為管樁外徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75S(S為焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離,通常取12 mm)；

2.2.3 江蘇標準式(3.6.4-3)計算

=2 132 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設計值；

D1為焊縫外徑，mm；

D2為焊縫內徑，mm；

D為管樁端板外徑，mm；

2.2.4 安徽標準式(5.2.9-2b)計算

=0.8×3.14×(400-2+400-2×12)÷

2×0.75×12×170

=1 487.38 kN

式中：Qt為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向上拔力設計值；

lw為焊縫長度,lw=π(d1+d2)/2(d1為焊縫外徑,d2為焊縫內徑)；

he為焊縫計算厚度,he=0.75la(la為焊縫坡口根部至焊縫表面的最小距離)；

從以上各標準的焊縫強度驗算結果來看,安徽標準的計算值最小。但安徽標準和浙江標準實質上是一樣的,只是系數取值略有不同,安徽標準更為保守。關于焊縫抗拉強度和系數取值,浙江標準條文說明第5.2.9條給出如下說明：由于焊縫是采用未焊透的對接焊,且考慮現場焊縫質量達不到二級要求和端板受力偏心的影響,本規程焊縫抗拉強度的設計值取為170 N/mm2和取1.2系數是為了確保安全。

2.3 端板孔口抗剪強度驗算

僅江蘇標準給出計算公式,按江蘇標準式(3.6.4-4)計算如下：

=506.42 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設計值；

n為預應力鋼筋數量(根)；

d1為端板上預應力鋼筋錨固孔臺階上口直徑，mm；

d2為端板上預應力鋼筋錨固孔臺階下口直徑，mm；

h1為端板上預應力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離，mm；

h2為端板上預應力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離，mm；

fv為端板抗剪強度設計值,取120 MPa；

ts為端板厚度。

2.4 預應力鋼棒鐓頭抗拉強度

僅江蘇標準給出計算公式,按江蘇標準式(3.6.4-5)計算如下：

N1≤0.90fpyAp

=0.9×1 000×3.14×10.72÷4×7

=566.21 kN

2.5 填芯混凝土粘結力驗算

除浙江標準外,其余四省標準均給出填芯混凝土粘結力驗算公式和要求。

2.5.1 廣東標準5.3.2條

Qt≤LafnUpn

=4×0.3×3.14×210

=791.28 kN

Qt≤Asfy

=2 281×360

=821.16 kN

式中：La為樁頂填芯混凝土深度(mm),不應少于2 m；

As為管樁內孔連接鋼筋總公稱截面面積，mm2；

Qt為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向拔力設計值，N；

fn為填芯混凝土與管樁內壁的粘結強度設計值,宜由現場試驗確定。當缺乏試驗資料時,C30的摻微膨脹劑的填芯混凝土fn可取0.30～0.35 N/mm2；

Upn為管樁內孔圓周長，mm；

fy為鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2。

2.5.2 安徽標準5.3.3條

安徽標準和廣東標準的公式和相關要求一模一樣,本文不再贅述。

2.5.3 福建標準5.2.9.2-3條

Qct≤LafnUm

=4×0.3×3.14×210

=791.28 kN

Qct≤Asfy

=2 281×360

=821.16 kN

式中：La為填芯混凝土的長度(mm),不應少于3 m,且采用微膨脹混凝土；

Qct為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向抗拔承載力設計值，N；

fn為填芯混凝土與管樁內壁的粘結強度設計值,宜由現場試驗確定。當缺乏試驗資料時,C30的微膨脹混凝土fn可取0.30 MPa；

Um為管樁內孔圓周長度；

As為管樁內孔受拉鋼筋面積；

fy為拉鋼的抗拉強度設計值。

2.5.4 江蘇標準式(3.6.4-6)計算

Nl≤K1πd1lfn

=0.8×3.14×210×4×0.3

=633.02 kN

式中：Nl為管樁單樁上拔力設計值；

K1為經驗系數,取0.8；

d1為填芯混凝土直徑(管樁內徑,mm)；

l為填芯混凝土長度，mm；

fn為填芯混凝土與管樁內壁之間的粘結強度設計值,宜由現場試驗確定。當缺乏試驗時,取C40微膨脹混凝土為0.2～0.4 MPa。

2.5.5 小 結

各省標準均建議填芯混凝土與管樁內壁之間的粘結強度設計值宜由現場試驗確定。但由于各方面的原因,一般不會進行現場試驗。設計往往都按規范建議值。

對比各省標準,填芯粘結力計算的差異主要是在填芯混凝土與管樁內壁之間的粘結強度的取值不同。廣東標準取0.30～0.35 N/mm2,江蘇標準相當于取0.24 N/mm2。

文獻[1]提出工程中填芯混凝土與管樁內壁的粘結極限承載力計算公式：

N1=ψLaftUpn

式中：Nl為填芯粘結極限承載力；

ft為填芯混凝土抗拉強度設計值；

ψ為粘結界面粗糙系數,建議取0.60。

仍以本工程樁為例,Nl=0.6×3.14×210×4×1.43=2 263.06 kN。特征值為1131.53 kN。

文獻[2]中ψ值建議取0.52。填芯粘結承載力特征值為980.66 kN。

從計算結果可知,文獻[3]的計算結果遠大于各省標準的計算結果?？梢娨幏锻扑]的驗算方法是留有足夠的安全度。

3 計算結果分析

上文對各省標準關于預應力管樁作為抗拔樁時的樁身結構強度驗算進行梳理,現總結如下，見表1。

表1 樁身結構各強度驗算

注：設計值/特征值=1.35。

對計算結果分析結論如下：

1)端板錨固孔與預應力鋼棒墩頭的連接是抗拔樁的薄弱環節。

2)按江蘇標準計算的PHC-400AB95單樁豎向抗拔承載力特征值為375.13 kN<400 kN。說明設計給出的值不符合規范要求。

3)填芯混凝土粘結力586.13 kN,超出400 kN近50%。說明填芯混凝土長度和填芯孔內的抗拉鋼筋均有優化空間。

4 浙江省預應力管樁抗拉試驗研究

文獻[4]是預應力管樁抗拉性能試驗的研究成果(為浙江標準編制提供依據)。試驗樁型為PC500(100)AB型,根據2002浙G22圖集制作。即管樁外徑Φ500 mm,壁厚100 mm,預應力鋼棒10Φ10.7,混凝土設計強度等級C60。試件分單樁、接頭焊縫、內孔填芯等三種類型。從單樁結構強度、焊縫、填芯等方面進行了拉伸破壞性試驗,見表2。

表2 預應力管樁結構抗拉試驗

11個試件三種型式(單樁、接頭焊縫、填芯混凝土)的開裂形態均為樁身先出現環向裂縫,最先一般都是接頭鋼套箍邊緣混凝土先環裂,然后樁身環裂。三種試件類型中,單樁和接頭焊縫試驗均無一例外的是由于預應力鋼筋鐓頭斷裂致使端板或端板及套箍拉脫而破壞；管樁填芯拉伸破壞則由鐓頭斷裂引起,但更多的是樁身混凝土裂縫擴大至樁身喪失承載能力引起。由此可以看出,試驗荷載作用點對管樁的破壞形態有一定影響。實際工程中單節樁破壞形態與填芯混凝土類型破壞形態接近,多節樁破壞形態與接頭焊縫類型破壞形態接近。但不管哪一種破壞形態,管樁拉伸破壞荷載最終由預應力鋼筋承受,而端板錨固孔與預應力鋼棒鐓頭連接是預應力鋼筋中的薄弱環節。這也與理論計算結果相吻合。

5 結 語

1)預應力管樁作為抗拔樁不應只計算場地條件下的抗拔承載力,而忽略樁身強度的驗算。

2)預應力管樁樁身結構強度的確定,建議采用浙江標準和廣東標準。即只考慮了混凝土的有效預壓應力,不考慮混凝土的抗拉強度。

3)端板錨固孔與預應力鋼棒墩頭的連接是抗拔樁的薄弱環節,往往容易忽略,應引起重視。

4)接樁處的焊縫強度從設計上來說完全能滿足抗拔承載力要求。重點是保證焊縫的施工質量。

5)本文主要對預應力管樁作抗拔樁時的樁身強度驗算方面進行分析,但是對于工程中材料驗收、施工質量引起的諸多問題更應引起重視,本文在此不作探討。