預應力混凝土管樁抗彎與抗剪性能的創新研究

嚴 杰

（上海建科檢驗有限公司，上海 201109）

預應力混凝土管樁是一種將預應力技術和離心成型工藝相結合的環形預制混凝土樁，其特點是豎向承載力高，耐久性好，樁身質量可靠。隨著我國土木工程建設的蓬勃發展，預應力混凝土管樁已廣泛應用于高層建筑和公共建筑，成為了我國最常選用的樁型之一。但在預應力混凝土管樁的實際應用中，尤其是在一些典型的工程事故中，管樁抗彎與抗剪性能差的問題就顯露出來了。當前，為了提高預應力混凝土管樁的抗彎、抗剪承載力，工程上主要采用灌注混凝土芯筒等措施，但這種方法耗時長、污染大，效果不甚理想。本文通過采用主筋（或箍筋）加強的方法，對普通預應力混凝土管樁進行了抗彎和抗剪承載力改進，研制出一種新型預應力混凝土管樁。本文通過對增加普通螺紋鋼筋（箍筋）結構的預應力混凝土管樁與普通性管樁在受力和破壞特性等方面進行原型試驗，對比分析了兩者之間的差異，證明了這種新型管樁在抗彎、抗剪性能方面的優越性。

1 試驗概括

本次抗彎與抗剪試驗是一種破壞型試驗，終止試驗的條件是試驗樁的完全斷裂破壞。其中內力（應力）分布、撓度變化、裂縫形成及斷裂行為是主要因素。

本次試驗樁數量總計9根，其中普通型管樁共4根，型號600（110）A和600（110）AB各2根；主筋加強型管樁共4根，型號600（110）A和600（110）AB各2根；主筋和箍筋同時加強型管樁1根，型號600（110）AB。以上9根預應力高強混凝土管樁（PHC）作為原型樁，進行現場原型試驗。試驗樁其生產制作和技術要求符合《先張法預應力混凝土管樁》（GB/T13479--2009）。

2 試驗裝置和試驗樁制備

本試驗臺參照國家有關標準和上海市有關規定制作。位移測量采用5cm型數字位移計測量變形，應變測量采用100mm×3mm電阻應變片測量變形，采集設備采用DH3815N分布式應變測量系統；裂縫寬度測量采用ZBL-F130型裂縫寬度測量儀，裂縫分布與發展記錄采用數字攝像裝置和毫米方格紙記錄。彎曲和剪切試驗的裝置也是類似的，區別只在于支架的間距和試驗元件的安裝位置。圖1所示為抗彎試驗裝置；圖2所示為抗剪試驗裝置，圖中試驗樁變截面位置作了一些調整。

圖1抗彎試驗裝置示意圖（a正面，b側面）

圖2抗剪試驗裝置示意圖（a正面，b側面）

試驗的加載方式根據《先張法預應力混凝土管樁》 （GB/T13479--2009）確定。在試驗過程中，研究了樁身的三種臨界狀態：開裂狀態，即樁身開裂；破壞（極限）狀態，即裂縫寬度達1.5mm或受拉鋼筋斷裂或受壓區混凝土破壞；斷裂狀態，即樁身完全斷裂，失去承載能力。

主筋加強型管樁與普通型管樁區別在于：采用相同數量的預應力鋼筋，然后在同一時間生產，兩者的生產工藝大致相同，但區別在于鋼筋籠的加工，主筋加強型管樁鋼筋骨架制作見圖3，其在預應力鋼筋處增加了7根直徑16mm普通螺紋鋼筋并同一截面均勻設置。

主筋箍筋同時加強型與主筋加強型管樁區別在于：螺旋箍筋加強結構（箍筋全加密布置，箍筋間距45mm）。

圖3 主筋加強型管樁鋼筋骨架的制作

3 試驗結果及分析

3.1 600（110）A普通型及主筋加強型管樁抗彎性能對比

研究發現，采用主筋加強型管樁在跨中約3m內裂縫分布均勻，豎向主裂縫19條，平均長度26cm，跨中長、兩端短分布；普通型管樁裂縫較少，主要集中在跨中2.4m內，平均長度39cm，裂縫長度明顯大于主筋加強型管樁。

當裂縫（荷載125kN）出現和破壞（荷載200kN，裂縫達到1.5mm）發生時，普通管樁的跨中撓度分別為4.59mm和15.55mm，而主筋加強型管樁的跨中撓度只有3.98mm和9.33mm，分別為普通型管樁的87%和60%。

兩種管樁的最大應力基本上都在跨中的純彎截面上，而在超出這一范圍的局部（如普通管樁的“8應變片”）上也會出現應力突然增加的現象，其主要原因是在加載過程中出現了較弱的質量或缺陷以及應力集中。結果表明，原來裂縫中間和樁間界面上的應力均較小。裂縫發生前跨中界面的應變基本符合平面截面假定，裂縫發生后中性軸上移，混凝土的應變明顯增大。

試驗采用的普通型管樁的抗彎性能明顯優于規范參考值。600（110）A普通螺紋鋼筋的加入明顯改善了管樁的抗彎承載力，相比普通型管樁，主筋加強型管樁的極限彎矩提高43%，抗裂彎矩提高44%。

3.2 600（110）AB普通型及主筋加強型管樁抗彎性能對比

鋼筋結構對600（110）AB型管樁抗彎性能的影響與600（110）A型管樁抗彎性能的影響比較接近。由于采用了增加普通螺紋鋼筋結構，在抗彎試驗中，管樁裂縫分布較廣，數量較多，但長度稍短。600（110）AB主筋加強型管樁在跨中兩側約1.5m處出現裂縫，斷裂時主要豎向裂縫為13條，平均長度為37cm，跨中附近裂縫寬度明顯大于兩端裂縫；普通型管樁產生裂縫8條，集中在跨中兩側約2.5m處，平均長度為43cm，跨中附近裂縫寬度明顯大于兩端裂縫。

當裂縫（荷載170kN）出現和破壞（荷載290kN，裂縫達到1.5mm）發生時，600（110）AB普通管樁的跨中撓度分別為4.91mm和25.25mm，而主筋加強型管樁的跨中撓度只有4.68和15.64mm，分別為普通型管樁的分別為95%和62%，跨中撓度下降的幅度小于600（110）A試驗的結果。

開裂前樁身各部位的應力基本呈線性變化，開裂后跨中附近應力發生突變。結果表明，裂縫出現前跨中界面的應變變化基本符合平截面假定，裂縫出現后中軸線明顯上移。

在PHC600（110）AB對比試驗中，相比普通型管樁，極限彎矩和抗裂彎矩分別提高31%和26%，抗彎承載力提高幅度小于600（110）A的試驗結果。

3.3 600（110）A普通型及主筋加強型管樁抗剪性能對比

600（110）A普通型混凝土管樁在剪切試驗后期加載過程中，混凝土上部邊沿在水平方向上呈45°方向分布，裂縫向外延伸約0.5m，在跨中右端約20cm處出現了垂直斷裂，基本上是彎斷斷裂的特征。主筋加強型管樁在剪切試驗后期加載過程中出現的裂縫比普通型管樁多，在跨中右端約1.5m處出現的裂縫大致是橫豎交錯的網狀，在此范圍外出現45°斜斷裂。在中軸高度水平方向和粗略方向的管樁斷裂中，觀察到其中一組預應力主筋和一組螺紋鋼筋處于斷裂的位置，表明主筋和混凝土的接觸面是一個薄弱部位。

在600（110）A普通型和主筋加強型管樁的樁身變形發展過程中，普通型管樁的跨中變形明顯大于兩端，破壞時跨中位移達10.87mm。而在主筋加強型管樁中，每根管樁的變形都是以向下的位移為主，呈現出明顯的“扁平化”趨勢，可見普通螺紋鋼筋的加入提高了樁身的整體剛度，在相同荷載下跨中變形明顯小于普通型管樁。在裂縫（加載至890kN）出現、破壞（加載至1215kN、裂縫達1.5mm）發生時，600（110）A普通型管樁的跨中變形分別為6.29和10.87mm，而在以上兩級荷載作用下，主筋加強型管樁的跨中變形僅為4.77mm和6.91mm，分別為普通型管樁的76%和64%。在抗剪試驗中，管樁的軸向應力主要集中在剪彎段中軸水平截面以下的部分。

從圖4中可以看出，加入普通螺紋鋼筋后對混凝土管樁的抗剪承載力有一定的改善，破壞剪力和斷裂剪力分別提高了19.7%和23.4%，但抗剪性能的提高幅度遠小于抗彎性能的改善。因此普通螺紋鋼筋的配置對管樁的抗剪性能并沒有明顯改善。

圖4 600（110）A各類型管樁抗剪性能對比

3.4 600（110）AB普通型、主筋加強型和主筋箍筋同時加強型管樁抗剪性能對比

在600（110）AB普通型、主筋加強型和主筋箍筋同時加強型管樁中，裂縫分布有一定的相似性：受力部位和支座之間的剪切應力占主導地位的剪彎部分，內裂縫呈約45°方向，支座之間裂縫呈中軸高度附近的水平向裂縫，下部為一定數量的垂直裂縫。在600（110）A普通型和主筋加強型管樁中，其斷裂特征相似，從120cm的管樁跨中段下邊緣45°向上延伸至中軸，再沿中軸水平貫穿，多個螺旋箍筋被拉斷。在600（110）AB主筋箍筋同時加強型管樁破壞時，出現了大約為30°左右的剪切破碎帶，其寬度約為10 cm。結果表明明顯的箍筋加密形式限制了管樁的“扁化”傾向，管樁的破壞表現為標準的斜剪破壞特征。

通過對600（110）AB普通型、主筋加強型和主筋箍筋同時加強型管樁進行變形位移發展分析，發現600（110）AB普通型管樁在破壞時，跨中變形量為12.22mm，而該級主筋加強型和主筋箍筋同時加強型管樁的跨中變形量僅為8.33mm和4.24mm，分別減少32%和65%，表明螺紋箍筋加密結構可以大大降低剪切荷載作用下的位移，提高了預應力混凝土管樁的抗變形能力。

在抗剪試驗中，管樁的應力發展過程表明軸向應力主要集中在剪切彎段的中軸水平截面以下，而主筋箍筋同時加強型管樁的環向應力是拉應力，且明顯大于同一位置的軸向應力，表明主應力方向更接近于環向，導致裂縫應更接近于水平方向，這與試驗中裂縫和剪碎帶大致呈30°左右的結果比較一致。

從圖5可以看出，對于600（110）AB管樁，采用更多螺旋箍筋對其進行加密處理，并不能提高管樁的抗剪承載力（包括抗裂剪力、破壞剪力和斷裂剪力）。

圖5 600（110）AB各類型管樁抗剪性能對比

4 結語

對新型預應力混凝土管樁進行了一系列現場原型試驗，并對其抗彎與抗剪性能進行了對比研究。

1）采用普通螺紋鋼筋加強結構，能大幅度提高預應力混凝土管樁的抗彎性能。在相應荷載作用下，PHC600（110）A型管樁的極限彎矩和抗裂彎矩分別提高43%和44%，跨中彎矩分別降低13%和40%；PHC600（110）AB型管樁的極限彎矩和抗裂彎矩分別提高31%和26%，跨中彎矩分別降低5%和38%。

2）加入普通螺紋鋼筋使得樁身裂縫的長度和平均寬度明顯減少，但裂縫的分布范圍和數量有所增加；樁身的主要應力分布在跨中純彎段，裂縫出現前跨中界面應變基本符合平截面假定，裂縫出現后中性軸上移。

3）普通螺紋鋼筋的配置大大降低了管樁在剪力作用下的變形量，提高管樁的抗變形能力。PHC600（110）A型管樁在裂縫發生和破壞發生時荷載作用下的最大變形量分別減少24%和36%；主筋箍筋同時加強型的PHC600（110）AB型管樁在破壞時跨中的最大變形量大幅減少65%，說明螺旋箍筋的全加密結構能進一步提高管樁的抗變形能力。

4）采用普通螺紋鋼筋（或箍筋）加強組合時，預應力混凝土管樁的抗剪承載力沒有明顯提高，但改變了樁身的應力、裂縫分布規律及斷裂特性。