大直徑預應力樁彎剪性能試驗研究

忻俊杰

(浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州 310000)

1 概述

隨著經濟社會的發展，建筑行業也在飛速的發展。隨著建筑高度的不斷提升，無論是由風荷載、地震荷載引起的水平荷載還是基坑支護工程中土體等造成的水平荷載都對預應力混凝土樁的抗彎抗剪性能有了更高的要求[1-5]。通過足尺試驗分析了預應力樁與普通樁抗彎抗剪性能的差異，主要對預應力樁抗彎抗剪承載力、裂縫分布以及應變發展進行了分析。

2 試驗方案

2.1 試驗用預應力樁

對4根混凝土樁進行抗彎抗剪試驗，其中試驗樁編號KW10A(未施加預應力)和KW10B(施加預應力)用于測試大直徑樁的抗彎特性，而編號為KJ6A(未施加預應力)和KJ6B(施加預應力)用于檢測樁體的抗剪特性。試驗用預應力樁的基本幾何參數如表1,表2所示，其配筋情況如圖1所示。需要說明的是，實驗使用的預應力鋼絞線的直徑為15.2 mm，其張拉控制應力取鋼絞線抗拉強度標準值fy=1 860 kPa的0.7倍。

表1 抗彎試驗預應力樁參數

表2 抗剪試驗預應力樁參數

2.2 試驗裝置

試驗采用杭州邦威機電控制工程有限公司生產的電液伺服加載系統，如圖2所示。其單組的加載能力為1 000 kN，每組試驗采用兩組伺服器進行加載。

圖3,圖4為試驗過程中應變片、位移計以及加載點的布置情況。

2.3 試驗過程

對于樁的受彎性能試驗，采用單調分級加載方式，每級加載時間間隔為15 min。為檢查儀器儀表讀數是否正常，在正式加載前需要測試加載，測試加載所用的荷載為分級荷載的前2級。

開始試驗后，首先進行測試加載，為防止樁在測試加載期間產生裂縫，該階段的荷載量控制在樁受彎開裂荷載的70%以內，分3級加載，每級穩定時間為1 min，繼而分級卸載。測試加載中需要檢查各個儀表讀數的工作狀況是否良好，測試結束后，重新調整讀數并記錄初始數據。

3 抗彎試驗結果分析

3.1 抗彎承載力

圖5為各試件荷載—跨中撓度曲線，表3給出了2個試件極限彎矩Mu的試驗結果和承載力計算結果。從圖中可知，在加載開始時，預應力混凝土實心圓樁試件因采用預應力技術的原因，其剛度略大于傳統(未施加預應力)混凝土實心圓樁試件，隨著跨中位移的增大，兩個試件的剛度差距變大，極限彎矩相差約11.6%。表3給出了兩個試件試驗結果和規范公式計算結果的對比。施加預應力試件的極限荷載試驗值與規范中公式所得參考值略大，而預應力試件的試驗值比參考值增大了約15%。同時施加預應力混凝土實心圓樁的剛度明顯大于未施加預應力的混凝土構件，其極限彎矩也比未施加預應力的構建增大了約10%。以上分析數據均能說明新型樁在抗彎承載力方面符合設計要求，并優于傳統的混凝土實心圓樁試件。

表3 抗彎承載力規范公式計算結果與試驗結果對比 kN/m

在加載初期，試件均處于彈性變形階段，跨中撓度與荷載值呈現線性關系。當荷載加載至純彎段時，試件產生首條裂縫，同時其抗彎剛度開始逐漸下降。相比較而言，試件KW10A的剛度退化更加明顯。隨著荷載的繼續增大，試件豎向裂縫數目繼續增多，同時裂縫的尺寸也不斷增大。當純彎段的主裂縫寬度達到1.5 mm后，停止加載并結束試驗。

3.2 裂縫分布

圖6給出了試件KW10A和試件KW10B豎向裂縫的產生和發育分布圖。當荷載加載至124 kN時，KW10A試件出現第一條裂縫，隨著荷載的增加，裂縫數量逐漸增加。當加載至392 kN時，跨中附近的裂縫寬度達到1.5 mm，此時試件裂縫分布于跨中兩側約-1 500 mm～1 300 mm之間。觀察裂縫分布可得，試件樁身裂縫分布稀疏且間距較為均勻，同時裂縫豎向發展的分叉較多，截至試驗結束，樁身主要裂縫發展數目為4條。對于KW10B試件而言，當荷載加載至201 kN時，試件出現第一條裂縫，進而在加載至439.8 kN時跨中附近裂縫寬度達到1.5 mm，試件裂縫分布于跨中兩側約-1 000 mm～1 000 mm之間。裂縫分布稀疏且間距較為均勻，裂縫豎向發展的分叉較KW10A試件更少，主要裂縫發展數目為3條。

由于樁身尺寸過大，試驗以圓樁試件樁身混凝土產生的主裂縫寬度達到1.5 mm即作為加載終止條件。當試驗結束后，對比裂縫分布圖容易得到，與傳統(未施加預應力)混凝土圓樁試件相比，預應力圓樁試件的裂縫數目更少，其裂縫分布范圍更小且產生的間隔更均勻。因此施加預應力提升了圓樁抗裂彎矩并顯著增強了其抗裂性能。當裂縫寬度達到1.5 mm后，兩個試件都還具有很高的強度。

3.3 應變發展

圖7為KW10A試件和KW10B試件跨中界面應變隨荷載的發展變化。在加載初期即裂縫出現之前，兩根圓樁跨中截面的應變增長均較為緩慢，隨著加載的進行，應變水平均呈現線性變化。通過觀察兩者的應變變化過程得出，圓樁試件在裂縫出現前，其截面應變符合平截面的假設。隨著后續荷載的增加，圓樁試件開始產生裂縫。在裂縫產生后，樁身跨中受拉區部分應變快速增加。在本次實驗中，部分應變片受量程所限以及受拉破壞而無法進行后續測量工作，導致本次實驗部分測量數據無法觀測。隨著荷載的繼續增加，截面中性軸不斷上移，樁身原有裂縫繼續發展并產生新的裂縫，同時裂縫尺寸(寬度、長度)增加，并出現分叉。部分受拉區測點應變由于超過量程等原因出現失真情況，而受壓區混凝土應變保持穩定增長，其受到豎向裂縫的影響較小。直至試件主裂縫寬度達到1.5 mm時，停止加載并結束試驗。

對于試件受拉區的應變測點，大約有一半應變值都在豎向裂縫產生后快速增長或由于斷裂破壞而失效，從未斷裂的應變片采集得到的數據可知，這些測點對裂縫產生與發展較為敏感，但是也存在個別測點應變值變化緩慢或基本不變化。相較于受拉區應變的劇烈變化，受壓區混凝土應變測點受裂縫開展影響較小，測得的壓應變較為穩定，普遍能達到0.000 5。

4 抗剪試驗結果分析

4.1 抗剪承載力

圖8為各試件荷載—跨中撓度曲線，表4給出了兩個試件斜截面開裂剪力Vcr和極限抗剪承載力Vu的試驗結果和公式計算結果。

表4 抗剪承載力試驗結果與規范公式計算結果對比 kN/m

從圖8中可知，隨著跨中位移的增大，預應力混凝土實心圓樁試件的剛度與傳統構件相比略有增強。而從表4可得，與抗彎承載力類似的，未施加預應力試件的開裂剪力試驗值與規范中公式所得參考值略大，而預應力試件的試驗值比參考值增大了約25.5%。以上分析數據均能說明新型樁在斜截面抗剪承載力方面符合設計要求，并優于傳統配筋的混凝土實心圓樁試件。

在加載初期，試件均處于彈性變形階段，荷載與跨中撓度基本呈現線性變化。隨著荷載的繼續增大，試件KJ6A出現第一條裂縫，其抵抗變形剛度開始逐步降低。直至試驗停止加載，試件KJ6B仍未出現斜裂縫。因此表明兩樁的抗剪承載力均符合設計，使用預應力技術的混凝土實心圓樁的剛度略高于普通混凝土實心圓樁，且預應力圓樁抗剪性能有顯著提高。

4.2 裂縫分布

圖9給出了試件KJ6A和KJ6B的裂縫分布示意圖。從圖9可知，在荷載加載至633 kN時，試件KJ6A出現第一條裂縫，隨著荷載的增加隨后又出現了2條裂縫并最終達到1 mm的寬度。而試件KJ6B直至荷載達到981 kN時在跨中位置出現第一條裂縫。

4.3 應變發展

從混凝土應變發展變化(如圖10所示)中可以看出，裂縫出現之前，各截面應變測點的混凝土應變均呈現緩慢線性增長，同時應變水平較低。隨著荷載的增加，應變增量也逐漸變大，當KJ6A試件裂縫出現后，其2號、3號應變片的應變急劇增長。從圖10可知，預應力混凝土實心圓樁彎剪段所受的最大壓應變遠小于普通混凝土實心圓樁，可以推測，相比未施加預應力混凝土實心圓樁試件，預應力混凝土實心圓樁試件開裂剪力更大，裂縫寬度發展更慢。因此，施加預應力顯著提高了實心圓樁的抗裂性能。

5 結論

通過對采用大直徑預應力混凝土實心圓樁與均勻配置鋼筋的混凝土實心圓樁進行足尺寸抗彎抗剪性能試驗，通過對兩種類型混凝土實心圓樁試件進行對比研究，得出結論如下：1)較傳統的(未施加預應力)混凝土圓樁試件，新型混凝土實心圓樁(施加預應力)產生的裂縫數目更少且裂縫間距較為均勻，裂縫豎向發展的較為垂直。利用鋼絞線施加預應力提高了圓樁的抗裂性能。2)大直徑預應力混凝土實心圓樁試件的極限抗彎承載力試驗值與未施加預應力試件的極限抗彎承載力相比，增大了約10%。施加預應力使其抗彎能力有所提升。3)未施加預應力試件的開裂剪力試驗值比規范中公式所得參考值略大，而預應力試件的試驗值比參考值增大了約25.5%。新型預應力樁在斜截面抗剪承載力方面符合設計要求，并優于傳統配筋的混凝土實心圓樁試件，其抗剪承載力有所提高。