復合配筋預應力混凝土管樁受彎與受剪性能試驗研究*

郭 楊，吳 平

(1.安徽省建筑科學研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031)

0 引言

預應力混凝土管樁具有豎向承載力高、經(jīng)濟性好及施工周期短等優(yōu)點，已被廣泛應用于建筑工程、基坑工程及邊坡工程等領(lǐng)域[1]；但PHC管樁側(cè)向承載力較差，在水平荷載作用下常因結(jié)構(gòu)受彎及受剪承載力不足而出現(xiàn)樁身開裂、傾斜及斷樁等質(zhì)量缺陷[2]，在基坑支護等工程中應用存在一定的局限性。為了提高PHC管樁的受彎和受剪承載力，常采取增大PHC管樁結(jié)構(gòu)尺寸(如直徑、壁厚等)[3]、配置填芯混凝土[4-5]、配置非預應力筋(普通鋼筋[6-11]、纖維材料復合筋[12-15])等措施；其中在PHC管樁中加入非預應力鋼筋，形成復合配筋預應力混凝土管樁[9-11]，逐步被應用于基坑工程、邊坡工程及高樁碼頭等領(lǐng)域。因此，復合配筋預應力混凝土管樁的受彎和受剪承載性能成為研究重點。

國內(nèi)對復合配筋預應力混凝土管樁的受彎和受剪承載性能研究已有部分研究成果，但存在的不足之處在于：復合配筋預應力混凝土管樁的受彎和受剪試驗數(shù)據(jù)不足，對不同配筋率的復合配筋預應力混凝土管樁受彎和受剪試驗性能與破壞過程研究較少；現(xiàn)有的受彎和受剪承載力計算公式較多。因此，本文對不同配筋率下2種常用規(guī)格的復合配筋預應力混凝土管樁進行受彎和受剪性能試驗研究，詳細分析2種規(guī)格復合配筋預應力混凝土管樁的受力特性和破壞過程，對比歸納現(xiàn)有復合配筋預應力混凝土管樁受彎和受剪承載力計算方法。試驗結(jié)果可為復合配筋預應力混凝土管樁在基坑支護、高樁碼頭和海岸支護等工程領(lǐng)域中應用提供依據(jù)。

1 試驗概況

試件采用PRC600AB-Ⅰ和PRC600AB-Ⅱ兩種樁型，每種樁型制作2根試驗樁，配筋完全相同，每根試件長度均為12.0m，分別進行受彎和受剪試驗；具體試驗樁幾何尺寸和配筋如圖1，表1所示。試驗樁的生產(chǎn)參照09YG101《混合配筋預應力混凝土管樁》[16]相關(guān)參數(shù)。

表1 試驗樁基本參數(shù)

圖1 樁身剖面

樁身混凝土強度等級為C60，制作試件時同時制作6個150mm×150mm×150mm標準立方體試塊，養(yǎng)護條件與試件相同，試驗當天測得的混凝土立方體抗壓強度平均值64.9MPa，如圖2a所示。預應力筋采用φT10.7低松弛預應力混凝土用螺旋槽鋼棒，取3根進行材料性能拉伸試驗(見圖2b)，測得抗拉強度平均值為1 442.1MPa，彈性模量平均值為195GPa。螺旋箍筋采用φb5甲級冷拔低碳鋼絲，選用同批次3根進行拉伸試驗，測得抗拉強度平均值為608.3MPa，彈性模量平均值為199GPa。非預應力鋼筋采用φ12 HRB400級螺旋鋼筋，測得抗拉強度平均值為442.6MPa。

圖2 材料性能試驗

2 試驗裝置及加載方案

試驗裝置參考GB 13476—2009《先張法預應力混凝土管樁》與DB 34/5005—2014《先張法預應力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[17-18]設(shè)計而成，分加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)兩部分；使用2 000kN液壓千斤頂和伺服控制液壓加載泵進行加載，如圖3所示。

圖3 試驗裝置示意

采用5cm數(shù)字位移計測量試件變形撓度(見圖3a中A～I和圖3b中A～G)；試件表面混凝土應變測量采用100mm×3mm電阻應變片，使用DH3816靜態(tài)應變測試系統(tǒng)采集記錄應變量。裂縫寬度測量采用裂縫測寬儀，裂縫分布及發(fā)展記錄采用數(shù)碼攝像裝置。受彎和受剪試驗裝置的主要區(qū)別在于支座、位移計及應變測點位置不同。試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 試驗現(xiàn)場

受彎和受剪試驗按GB 13476—2009《先張法預應力混凝土管樁》相關(guān)要求進行加載。受彎試驗的加載方式為：①按抗裂彎矩20%(0.2)的級差由0加載至80%(0.8)，每級荷載的持續(xù)時間3min；②按10%(0.1)的級差繼續(xù)加載至100%(1)，每級荷載的持續(xù)時間3min，并觀察是否有裂縫出現(xiàn)，若出現(xiàn)裂縫，測定并記錄裂縫寬度；③按極限彎矩5%(0.05)的級差繼續(xù)加載至試驗樁破壞，測定和記錄每級荷載下的裂縫寬度。試驗終止條件為：受拉區(qū)混凝土最大裂縫寬度達1.5mm，受拉鋼筋拉斷或受壓區(qū)混凝土被壓碎。

受剪試驗的加載方式為：①按抗裂剪力20%(0.2)的級差由0加載至80%(0.8)，每級荷載的持續(xù)時間為3min；②按10%(0.1)的級差繼續(xù)加載至100%(1)，每級荷載的持續(xù)時間為3min，觀察是否有裂縫出現(xiàn)，若出現(xiàn)裂縫，測定并記錄裂縫寬度；③如果加載至100%(1)時未出現(xiàn)裂縫，按5%(0.05)的級差繼續(xù)加載至裂縫出現(xiàn)，每級荷載的持續(xù)時間為3min，測定并記錄裂縫寬度。試驗終止條件為：最大剪切裂縫寬度達6mm或受壓區(qū)混凝土破碎。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 受彎性能試驗

對2種常用規(guī)格2根復合配筋預應力混凝土管樁進行了受彎試驗，試件F1和F2的不同之處在于非預應力筋配置數(shù)量不同，其他如預應力筋數(shù)量、預應力水平、箍筋間距等配置均相同。

3.1.1試驗現(xiàn)象

2種規(guī)格試件的彎矩-跨中撓度曲線如圖5所示。

圖5 彎矩-跨中撓度曲線

由圖5可看出，F(xiàn)1和F2復合配筋預應力混凝土管樁的彎矩-跨中撓度曲線類似，可分為彈性變形、裂縫逐步發(fā)展、破壞和卸載4個階段。裂縫出現(xiàn)前，2根樁跨中撓度隨著荷載的增加呈線性增大，曲線斜率基本一致；開裂后，2根樁的曲線斜率變緩，說明隨著荷載的增加撓度發(fā)展更快，其中F1號樁的斜率大于F2號樁；最終破壞時，F(xiàn)1號樁的跨中撓度和彎矩均大于F2號樁。當荷載卸載至0時，F(xiàn)1號樁殘余撓度明顯大于F2號樁，整個加載過程中F1號樁的彈性變形明顯小于F2號樁。

F1號樁最終破壞時裂縫分布如圖6所示，結(jié)合圖5可見，當荷載增加至0.45Mu(極限彎矩Mu=600.6kN·m)時，在純彎段受拉區(qū)位置首先出現(xiàn)2條對稱豎向裂縫1，2，此時跨中撓度為8.90mm，管樁進入帶裂縫工作階段；隨著荷載的增加，豎向裂縫繼續(xù)發(fā)展，當荷載增加到0.50Mu時，分別在加載點位置處產(chǎn)生新的裂縫3，4；剪彎段產(chǎn)生新的裂縫5，6，跨中撓度隨之增加；當荷載增加至0.54Mu時，純彎段已有裂縫1，2，3號之間產(chǎn)生豎向裂縫1-2號和1-3號；繼續(xù)增加至0.59Mu時，裂縫開展至距跨中左、右各1.3m范圍，剪彎段對稱產(chǎn)生新的裂縫7，8號，剪彎段6號裂縫和加載點位置處豎向裂縫3號萌生新的裂縫3-6號；當荷載增加至0.63Mu時，剪彎段向支座方向?qū)ΨQ產(chǎn)生斜裂縫9，10號，并在斜裂縫5，8號間產(chǎn)生新的裂縫5-8號；繼續(xù)增加至0.68Mu時，剪彎段向左支座方向產(chǎn)生11號裂縫，且在裂縫8，9號之間產(chǎn)生8-9號裂縫；荷載繼續(xù)增加至0.73Mu時，剪彎段向右支座方向萌生12號裂縫，且分別在豎向裂縫2，4號和彎曲裂縫5號之間產(chǎn)生裂縫2-4號和4-5號；隨著荷載增加至0.86Mu時，剪彎段向支座方向繼續(xù)萌生裂縫13，14，15號，此時跨中最大撓度達45.71mm，其中5號裂縫高達42cm(豎向截面高)；當荷載增加至0.91Mu時，剪彎段12號和15號裂縫間萌生12-15號裂縫，1號裂縫寬度達1mm；繼續(xù)增加荷載至0.95Mu時，無新的裂縫萌生，裂縫不斷發(fā)展，1號裂縫寬度達1.2mm，加載點間的混凝土開裂，此時跨中撓度達60.40mm；繼續(xù)增加荷載至Mu時，加載點間的混凝土破碎，此時1號裂縫寬度>1.5mm，跨中最大撓度達69.46mm，根據(jù)行業(yè)標準[19]判定F1號試樣破壞。

F2號樁最終破壞時裂縫分布如圖7所示。結(jié)合彎矩-跨中撓度曲線綜合分析得：當荷載增加至0.46Mu(極限彎矩Mu=527.7kN·m)時，在純彎段受拉區(qū)出現(xiàn)豎向裂縫1號，此時跨中撓度為7.61mm，管樁進入帶裂縫工作階段；當荷載增加至0.51Mu時，分別在加載點位置處產(chǎn)生新的裂縫2，3號，跨中撓度隨之增加；當荷載增加至0.56Mu時，剪彎段產(chǎn)生裂縫4，5號，純彎段已有裂縫1，3號之間產(chǎn)生豎向裂縫1-3號；繼續(xù)增加至0.61Mu時，向支座方向?qū)ΨQ萌生新的裂縫6，7號，剪彎段已有裂縫4，6號之間萌生新的裂縫4-6號；當荷載增加至0.66Mu時，剪彎段向右支座方向產(chǎn)生斜裂縫8號，并在加載點位置處裂縫2，4號間產(chǎn)生新的裂縫2-4號；繼續(xù)增加至0.76Mu時，剪彎段向支座方向?qū)ΨQ產(chǎn)生裂縫9，10號與11，12號；荷載繼續(xù)增加至0.85Mu時，剪彎段向支座方向?qū)ΨQ萌生裂縫13，14號，在豎向裂縫1-3號和3號之間產(chǎn)生裂縫1-3-3號，剪彎段7號裂縫往加載點方向擴展時萌生新的裂縫5-7號，此時裂縫開展至跨中左、右1.8m；隨著荷載增加至0.90Mu時，在豎向裂縫1-3號和2號之間萌生1-3-2號裂縫，此時跨中最大撓度達49.85mm；當荷載增加至0.95Mu時，剪彎段無新裂縫萌生，3號裂縫寬度達1.2mm；繼續(xù)增加荷載至Mu時，裂縫不斷發(fā)展，3號裂縫寬度達1.5mm而判定試樣破壞，此時跨中撓度達66.48mm。

圖7 F2號樁裂縫分布與破壞形態(tài)

由圖6，7對比可見，2根樁的破壞特征、裂縫數(shù)及裂縫分布跨度有較大差別：破壞時F1號樁受壓區(qū)混凝土破碎且受拉區(qū)最大裂縫寬度達1.5mm，而F2號樁僅因受拉區(qū)最大裂縫寬度達1.5mm而破壞；與F2號樁相比，F(xiàn)1號樁破壞時裂縫分布跨度更大，裂縫數(shù)量更多且分布更均勻。

3.1.2撓度發(fā)展

F1號和F2號樁受彎試驗撓度發(fā)展情況如圖8所示。結(jié)合圖5可看出，開裂前2根樁的彎矩-跨中撓度曲線均呈線性關(guān)系，且撓度值較小，2根樁曲線斜率基本一致，說明開裂前主要由混凝土和預應力筋承受荷載作用；開裂后2根樁的曲線斜率均減小，但F1號樁的曲線斜率大于F2號樁，撓度增長速度逐步加快；卸載后F1號樁的跨中撓度明顯小于F2號樁，前者的彈性變形小于后者。整體看來，相較于F1號樁，開裂后F2號樁撓度發(fā)展曲線更加平滑。

圖8 受彎試驗構(gòu)件撓度曲線

3.1.3受彎承載力

目前國內(nèi)對復合配筋(混合配筋)預應力混凝土管樁受彎承載力計算主要采用以下方法。

1)方法1 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[20]中普通鋼筋和預應力鋼棒對混凝土構(gòu)件提供的受彎承載力進行疊加后，得到復合配筋預應力混凝土管樁受彎承載力極限值計算公式。

2)方法2 JGJ/T 406—2017《預應力混凝土管樁技術(shù)標準》[19]中考慮管樁實際制作上的誤差及保證率，在按方法1計算受彎承載力極限值后乘以折減系數(shù)(取0.95)。

3)方法3 文獻[9]提出參考GB 50010—2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[20]中預應力和鋼筋混凝土環(huán)形截面受彎承載力的計算公式，考慮非預應力鋼筋的作用。該計算方式與09YG101《混合配筋預應力混凝土管樁》[16]中第7.4條PRC管樁正截面受彎極限承載力計算公式一致。

4)方法4 國內(nèi)也有學者考慮預應力筋與非預應力筋在受力過程中的協(xié)同作用，提出復合配筋預應力混凝土管樁正截面受彎承載力極限值計算公式。

根據(jù)4種方法對試驗樁受彎承載力進行計算，并與試驗值對比，如表2所示。從表2中可明顯看出，F(xiàn)1號樁的開裂彎矩和極限彎矩試驗值分別是F2號樁的1.1倍和1.14倍，說明非預應力筋配筋率(數(shù)量)對開裂彎矩和極限彎矩略有影響。4種計算方法對2種規(guī)格的復合配筋預應力混凝土管樁受彎承載力的計算值與試驗值的比值均處于1.0～1.20，其中方法1計算值與試驗值最接近；若考慮綜合折減系數(shù)，方式2計算值更加保守，偏于安全；因此可用JGJ/T 406—2017《預應力混凝土管樁技術(shù)標準》[19]中的計算方法對復合配筋預應力混凝土管樁進行設(shè)計計算。

表2 F1，F(xiàn)2號樁試驗數(shù)據(jù)與計算值

選取與試驗樁相同外徑、壁厚、預應力大小和預應力鋼棒數(shù)量等基本參數(shù)相同的PHC600-AB-110型管樁的受彎性能推薦值(GB 13476—2009[17])進行對比如圖9所示。可明顯看出，非預應力鋼筋的配置可以提高PHC管樁的受彎性能；與PHC管樁相比(規(guī)范參考值)，F(xiàn)1號樁和F2號樁的開裂彎矩分別是GB 13476—2009 參考值的1.2倍和1.1倍；其極限彎矩分別是GB 13476—2009參考值的1.6倍和1.4倍。

圖9 管樁受彎性能

3.2 受剪性能試驗

3.2.1試驗現(xiàn)象

S1,S2號樁的荷載-跨中撓度曲線如圖10所示，受剪試驗數(shù)據(jù)如表3所示。從圖10和表3可看出，荷載較小時(200kN以下)，S1號和S2號樁的跨中撓度隨著荷載的增加而線性增加，且跨中撓度很小，2條曲線的斜率基本一致；隨著荷載繼續(xù)增加，S2號樁的斜率大于S1號；當加載至705.4kN時(對應剪力352.7kN)S2號樁出現(xiàn)裂縫，此時跨中撓度3.45mm；當荷載加載至822.0kN(對應剪力411.0 kN)，S1號樁樁身出現(xiàn)裂縫，此時跨中撓度5.38mm。開裂后，S1號和S2號樁的曲線斜率均隨著荷載的增加而變小，撓度發(fā)展速度逐步增大；其中對于S2號樁，繼續(xù)加載至1 229.0kN時，試件主裂縫寬度達到17.0mm而破壞，此時跨中撓度7.75mm；對于S1號樁，繼續(xù)加載至1 471.8kN，試件箍筋陸續(xù)斷裂、主裂縫寬度達5.37mm而破壞，此時跨中撓度為12.18mm。

圖10 荷載-跨中撓度曲線對比

表3 S1，S2號樁受剪試驗數(shù)據(jù)

樁身撓度隨荷載的增加而不斷變化情況如圖11所示。可見S1，S2號樁的跨中變形量均略大于兩端，曲線形狀為“凸”形；開裂時S1，S2號樁的跨中撓度分別為5.38mm和3.45mm，破壞時跨中撓度分別為12.18mm和7.75mm。與S2號樁相比，S1號樁的整體變形較大，曲線更加“平緩”，說明每級荷載下跨中撓度變形量大于剪彎段各測點的撓度變形量。考慮到位移計安全性，荷載增加到1 417.5kN時，只保留跨中最大撓度位置位移計。

圖11 受剪試驗構(gòu)件撓度曲線

3.2.2破壞形態(tài)

對于S1號樁，隨著荷載的增加，在加載點至左支座之間剪彎段首先出現(xiàn)裂縫1號(見圖12)，裂縫與縱軸線夾角約17.4°；隨后在下一級荷載作用下，在與1號裂縫對應位置出現(xiàn)裂縫2號，裂縫與縱軸線夾角約20.7°。隨著荷載繼續(xù)增加，主裂縫1號和2號往跨中水平擴展延伸、貫通；當荷載繼續(xù)增加，在支座和加載點之間產(chǎn)生剪切裂縫4號和5號、水平裂縫6號。荷載繼續(xù)增加，裂縫4號和6號一方面向跨中貫通，形成裂縫9號，另一方面不斷向支座外發(fā)展延伸，沒有新裂縫產(chǎn)生；其中1號裂縫寬度達1.0mm。當荷載繼續(xù)增加至0.89Qu時，主裂縫1號和4號連接貫通，其中裂縫1號寬度達1.5mm；跨中徑向產(chǎn)生彎曲裂縫13號。隨著荷載繼續(xù)增加至0.94Qu時，斜裂縫4，9，6號分別向支座外分叉為多條裂縫，分別為4-1，4-2，12，6-2，11號；其中4-1號和4-2號呈“八”字形向支座外開展，而12號和11號朝著管樁上表面裂縫延伸；此時裂縫1號寬度達2.0mm。繼續(xù)增加荷載至0.97Qu時，已有裂縫繼續(xù)發(fā)散式擴展，主裂縫1號寬度不斷增大，左、右加載點處產(chǎn)生傾角約45°的斜裂縫10號和14號；當荷載增大至Qu時，試件因主裂縫寬度達5.37mm而破壞。另外，試件破壞時沿著加載點水平方向也出現(xiàn)裂縫。

圖12 S1號樁裂縫分布與破壞形態(tài)

與S1號樁破壞過程類似，S2號樁也是在加載點與支座之間的以剪應力為主的剪彎段內(nèi)優(yōu)先出現(xiàn)裂縫(見圖13)，以大致20°方向為主，支座之間裂縫以中軸高度附近的水平向裂縫為主，形成貫通面；主裂縫向支座外發(fā)散式萌生新的裂縫，并向管樁上、下表面延伸擴展，呈“八”字形。與S1號樁不同的是，S2號樁破壞時主裂縫寬度達17mm，支座間出現(xiàn)多條豎向彎曲裂縫。受剪試驗中管樁的應力發(fā)展情況說明軸向應力主要集中在剪彎段內(nèi)中軸水平截面以下部分；管樁的各處環(huán)向應力均為拉應力，且明顯大于相同位置處的軸向應力，說明主應力的方向更加接近環(huán)向，導致裂縫的方向更接近于水平方向。

圖13 S2號樁裂縫分布與破壞形態(tài)

3.2.3受剪承載力

1)方法1 根據(jù)10G409[21]對管樁受剪承載力進行計算。

2)方法2 僅考慮混凝土和預應力的貢獻。JGJ/T 406—2017 《預應力混凝土管樁技術(shù)標準》[19]在此基礎(chǔ)上考慮箍筋的作用，提出管樁受剪承載力計算方法。

3)方法3 文獻[15]同樣考慮了管樁箍筋對樁身受剪承載力的貢獻，假設(shè)斜裂縫與圓環(huán)縱軸的夾角為45°且與斜裂縫相交的箍筋均在極限狀態(tài)下屈服，推導出未考慮混凝土抗拉強度變異性的樁身斜截面受剪承載力計算方法。

4)方法4 09YG101《混合配筋預應力混凝土管樁》將管樁環(huán)形截面按第二圓形截面等效成矩形截面，按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)有關(guān)規(guī)定計算。

5)方法5 文獻[11]基于方法4，考慮縱向配筋率、剪跨比和軸向壓力分別對每部分的受剪承載力貢獻值進行修正。

采用5種方法對2種規(guī)格復合配筋預應力混凝土管樁受剪承載力進行計算，并與試驗值進行比較(見表4)。

表4 不同方法計算值與試驗值

由表4可看出，方法5計算結(jié)果最接近試驗值，說明非預應力筋對復合配筋預應力混凝土管樁受剪承載力有一定的貢獻。文獻[11]中通過試驗和計算值對比，發(fā)現(xiàn)同等加載條件下，采用方法3計算復合配筋預應力混凝土管樁的受剪承載力計算值小于普通PHC管樁，與試驗值不符，不建議設(shè)計時采用。可采用JGJ/T 406—2017中計算方法對復合配筋預應力混凝土管樁受剪承載力進行設(shè)計計算，且計算結(jié)果具有一定的安全儲備。

4 結(jié)語

通過開展復合配筋預應力混凝土管樁受彎和受剪性能試驗，并與規(guī)范對比，得到如下結(jié)論。

1)配置非預應力筋可改善PHC管樁的受彎和受剪性能，是提高PHC管樁結(jié)構(gòu)承載性能的有效方法。

2)非預應力筋配筋率的增加可提高復合配筋預應力混凝土管樁的受彎承載性能；F1號樁的開裂彎矩和極限彎矩試驗值分別是F2號樁的1.1倍和1.14倍；F1號樁和F2號樁的開裂彎矩分別是 GB 13476—2009參考值的1.2倍和1.1倍；其極限彎矩分別是GB 13476—2009參考值的1.6倍和1.4倍。

3)非預應力筋配筋率對復合配筋預應力混凝土管樁受彎時的破壞特征、裂縫數(shù)及裂縫分布跨度有一定的影響：破壞時F1號樁受壓區(qū)混凝土破碎且受拉區(qū)最大裂縫寬度達1.5mm，而F2號樁僅因受拉區(qū)最大裂縫寬度達1.5mm而破壞；與F2號樁相比，F(xiàn)1號樁破壞時裂縫分布跨度更大，裂縫數(shù)量更多且分布更均勻。

4)受剪試驗表明，非預應力筋配筋率對復合配筋預應力混凝土管樁的破壞形態(tài)影響較小；2根試驗樁均從加載點與支座之間剪彎段優(yōu)先出現(xiàn)主裂縫，與樁長方向大致呈20°夾角向跨中水平延伸，形成貫通面；主裂縫向支座外發(fā)散式萌生裂縫，向管樁上、下表面延伸擴展，呈“八”字形。

5)可采用JGJ/T 406—2017對復合配筋預應力混凝土管樁的受彎和受剪承載力進行設(shè)計，具有一定的安全儲備。