部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁研究與分析

上海中技樁業(yè)股份有限公司高軍峰

　　1  引言

　　自法國工程師E·弗萊西奈用高強(qiáng)度鋼絲建成預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之后，預(yù)應(yīng)力混凝土迅速發(fā)展，而奧地利工程師F·安波哥(Fricz.Emperger)則開辟了部分預(yù)應(yīng)力的先河。部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件具有預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的共同優(yōu)點(diǎn)，即具有很好的力學(xué)性能，又具有良好的變形性能，因此具有較高的抗震能力，可在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)推廣應(yīng)用。此外，該類產(chǎn)品具有較好的抗水平力能力，可在基坑圍護(hù)、堤壩工程、邊坡工程中應(yīng)用。

　　到目前為止，國內(nèi)外很多專家學(xué)者在建筑各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ糠诸A(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行了全方位、多角度的研究和論證。

　　在國外，尤其是地震多發(fā)國家，部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件因其良好的抗震性能已得到廣泛應(yīng)用，比如在日本，有關(guān)建筑行業(yè)協(xié)會(huì)已就部分預(yù)應(yīng)力樁進(jìn)行了大量研究并開發(fā)出部分預(yù)應(yīng)力管樁即PRC樁，如圖1所示。

圖1 PRC樁配筋圖

　　長江拓也等人在日本建筑學(xué)會(huì)構(gòu)造系論文集“KFRZ杭の耐震性能に及ぼす軸方向異形鉄筋と橫補(bǔ)強(qiáng)筋の影響”一文中研究了橫向配筋對(duì)KFRZ樁抗震性能的影響，得出橫向配筋率的提高可提高樁體耐震性，增強(qiáng)樁體的破壞后性能^{[1、4、5]} 。

　　岸田慎司和青島一樹等學(xué)者分別在“KFRZ杭の曲げ性狀に及ぼす軸方向異形鉄筋量と橫補(bǔ)強(qiáng)量の影響”和“KFRZ杭の靱性付加方法に関する研究”中論述了通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)KFRZ樁進(jìn)行變形和力學(xué)性能的研究，并通過包絡(luò)線和吸收能量的角度分析了KFRZ的橫向補(bǔ)強(qiáng)筋和縱向非預(yù)應(yīng)力筋的作用，可以起到很好的借鑒作用^[2、3] 。

　　近年來，國內(nèi)部分科研院校及企業(yè)對(duì)部分預(yù)應(yīng)力管樁做了一些研究，比如浙江大學(xué)和浙東建材集團(tuán)有限公司等，并取得了相應(yīng)成果。

　　綜合國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，尤其是國外地震多發(fā)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，部分預(yù)應(yīng)力樁較之預(yù)應(yīng)力樁，具有較好的抗震性能，適合抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)使用，可為建筑物安全性、抗震性提供更充分的保障。

　　2  產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析

　　以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB 50010-2010）為基礎(chǔ)，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476-2008）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，引用材料力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)原理，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的研發(fā)設(shè)計(jì)理念對(duì)研發(fā)新樁型進(jìn)行力學(xué)、材料學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁等樁型設(shè)計(jì)。

圖2 部分預(yù)應(yīng)力空心方樁配筋圖

　　通過技術(shù)攻關(guān)，主要開發(fā)出外邊長為300mm、325mm、350mm、375mm、400mm、425mm、450mm、475mm、500mm等不同外變長的部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁型號(hào)及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在分析各相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、力學(xué)公式的基礎(chǔ)上，聯(lián)合軟件開發(fā)公司開發(fā)出部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁力學(xué)性能計(jì)算軟件，為研發(fā)新樁型奠定了基礎(chǔ)，界面如圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力離心空心方樁

　　3  產(chǎn)品測(cè)試與分析

　　為加強(qiáng)產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，我們委托國家水泥混凝土制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁進(jìn)行檢測(cè)。[Page]

　　試驗(yàn)樁型混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，預(yù)應(yīng)力PC鋼棒PCB-1420-35-HG符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》GB/T5223.3中規(guī)定，螺旋筋采用乙級(jí)冷拔鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)采用《混凝土制品用冷拔低碳鋼絲》JC/T540，非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB400螺紋鋼，直徑φ10和φ18，符合《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）有關(guān)規(guī)定并做了進(jìn)廠檢驗(yàn)。

　　試驗(yàn)主要測(cè)定部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎性能，并對(duì)其變形性能進(jìn)行綜合的測(cè)定，在此基礎(chǔ)上分析其抗震及抵御不可抗力作用的能力。試驗(yàn)按照《預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁》JG197-2006推薦檢測(cè)方法進(jìn)行抗彎檢測(cè)，對(duì)我們研發(fā)的邊長為300mm、400mm、500mm的新樁型進(jìn)行抗彎檢測(cè)。

　　試驗(yàn)中部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁表現(xiàn)出極好的變形能力，主要體現(xiàn)為撓度的改變，和裂縫條數(shù)增加及均勻擴(kuò)展，具體詳見表1、及圖5、圖6。

　　與此同時(shí)，在試驗(yàn)過程中測(cè)得部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在裂縫開展范圍上有較大不同，預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁方位一般為中心點(diǎn)向外1000mm左右，而部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁裂紋范圍最高可達(dá)到2400mm，進(jìn)一步證明了其良好的變形性能。

　　為進(jìn)一步分析部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗震性能，結(jié)合力學(xué)和變形特征，分析樁體在破壞力作用下吸收能量的能力，繪制力-撓度曲線，曲線和橫軸包圍面積即為樁體在破壞力作用下吸收能量，詳見圖7。

　　另外，試驗(yàn)樁達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度后繼續(xù)加載直至破壞，主要破壞形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋斷裂，破壞后因變形回彈，荷載降低，穩(wěn)定后繼續(xù)加載，測(cè)得該產(chǎn)品殘余強(qiáng)度較高，破壞后抗彎能力可達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度的85%左右，具有較好抵御再破壞能力。

　　經(jīng)試驗(yàn)分析，部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁在抗震、變形、力學(xué)性能上優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

　　1）抗震能力：主要表現(xiàn)為可吸收更多的地震能（即破壞能），以對(duì)比樁為例，可達(dá)到原來樁型的3～4倍；

　　2）變形性能：主要體現(xiàn)在裂縫和撓度兩個(gè)方面，部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁在裂縫數(shù)量和裂縫開展方面都具有良好的性能，增加裂縫數(shù)量從而延緩裂縫寬度的和縱向的開展；撓度方面，依據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，在非預(yù)應(yīng)力比例較小情況下，最大撓度得到較為明顯的提高，非預(yù)應(yīng)力比例加大，構(gòu)件抗彎剛度得到大幅度提高，撓度相對(duì)減小；

　　3）力學(xué)性能：計(jì)算和試驗(yàn)表明配有HRB400φ10的400(240)A-10-12極限彎矩為原來樁型的139.8%，配有HRB400φ18的400(240)A-18-12極限彎矩為原來樁型的222.3%，提高幅度較為明顯。[Page]

　　4  制作工藝

　　部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁和部分預(yù)應(yīng)力管樁均采用原預(yù)應(yīng)力樁生產(chǎn)線，在生產(chǎn)過程中積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上調(diào)整了部分工藝并對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了局部改造，主要為滾焊工藝的改造，增加了非預(yù)應(yīng)力筋滾焊工藝，提高了生產(chǎn)效率，如圖8所示。

　　5  應(yīng)用與推廣

　　我們開發(fā)出的部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁理論依據(jù)合理，試驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證充分，該類型產(chǎn)品具有較好的抗震、變形和力學(xué)性能，可在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)推廣使用，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

　　部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁進(jìn)行了一些工程應(yīng)用，取得了良好的效果，企業(yè)也獲得了相應(yīng)的效益。

　　目前，在一些地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在適用范圍進(jìn)行了一定調(diào)整，應(yīng)用區(qū)域受到一定限制（如抗拔樁和一些抗震地區(qū)），且整個(gè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，企業(yè)必須通過加強(qiáng)市場(chǎng)開拓提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，在這個(gè)條件下，部分預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁的開發(fā)是個(gè)不錯(cuò)的方向，值得借鑒。

　　6  小結(jié)

　　通過以上分析可以得出：

　　1）部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁產(chǎn)品的開發(fā)具有很好的理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

　　2）通過部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁抗彎能力的計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁較預(yù)應(yīng)力離心空心方樁有很好的抗震能力，變形性能突出，力學(xué)性能較好；該類型構(gòu)件破壞后殘余強(qiáng)度較高，具有一定的抵御再破壞能力，可在地震設(shè)防烈度較高地區(qū)使用。

　　3）部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁生產(chǎn)工藝成熟，在對(duì)原有生產(chǎn)線進(jìn)行工藝調(diào)整和設(shè)備改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁的規(guī)?；a(chǎn)。

　　4）部分預(yù)應(yīng)力管樁的開發(fā)與部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁同步，依據(jù)同樣的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行研發(fā)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品定型，并在同等條件下進(jìn)行計(jì)算和制作，確保開發(fā)出的部分預(yù)應(yīng)力管樁具有同等優(yōu)越的抗震、變形和力學(xué)性能，從這個(gè)層面上來講，部分預(yù)應(yīng)力管樁具有同等的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

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