周清暉，陳 剛2，徐銓彪2，龔順風，肖志斌2，劉承斌

(1.浙江大學 結(jié)構(gòu)工程研究所， 杭州 310058；2.浙江大學 建筑設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310028)

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單位承載力造價低、成樁質(zhì)量可控性強、設(shè)計選用范圍廣、施工方便，目前已廣泛應(yīng)用于建筑樁基工程。但工程中陸續(xù)暴露出樁身水平荷載承載力不足、脆性破壞明顯、延性差等問題，沿海部分地區(qū)已禁止普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用于抗拔和高層建筑[1-4]。普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的縱筋為預(yù)應(yīng)力鋼棒，其延性較差，而鋼絞線則具有較高的抗拉強度和良好的拉伸延性。本文創(chuàng)新性地提出了以有粘結(jié)鋼絞線替代傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼棒作為管樁主筋，采用一系列創(chuàng)新工藝[5-8]，研發(fā)了先張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線超高強混凝土管樁，解決了普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗剪能力差的問題。并結(jié)合實際工程需求，設(shè)計了不同截面尺寸和配筋率的樁型。

表1 試件幾何尺寸和配筋規(guī)格Table 1 Geometric dimensions and reinforcement specifications of test specimens

近年來，預(yù)應(yīng)力混凝土樁在水平荷載作用下的承載能力引起了國內(nèi)外學者的高度重視。劉永超[9]指出管樁在水平荷載作用下的彎曲破壞往往早于剪切破壞；亓樂等[10]進行了室內(nèi)縮尺模型試驗，得出管樁單樁和群樁承載力試驗值均大于規(guī)范計算結(jié)果的結(jié)論；張忠苗等[11-12]研發(fā)了鋼筋加強型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，進行了抗彎抗剪性能的對比試驗研究，認為增加非預(yù)應(yīng)力筋可以改善預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能，并減小剪力作用下的變形量；Akdag等[13]在混凝土中加入鋼纖維，研究了在砂土中樁身的抗側(cè)承載力，發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫處的鋼纖維能夠有效幫助傳力，試驗樁具有更好的抗剪能力，極限彎矩和延性也得到相應(yīng)的提高；鄭剛等[14]對填芯混凝土管樁抗剪承載力進行了試驗研究，結(jié)果表明填芯可以大幅提高抗剪承載力并改善其脆性破壞性質(zhì)；徐銓彪等[15-16]對復(fù)合配筋混凝土預(yù)制方樁樁身分別進行了抗彎、抗剪性能試驗研究，結(jié)果表明配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以顯著提升預(yù)制方樁的抗彎、抗剪承載力和變形延性。

依據(jù)工程中常用的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁尺寸，選取外徑400，500，600 mm的3種樁型共6根管樁進行足尺度抗剪性能試驗。其中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線超高強混凝土管樁(下稱鋼絞線樁)分別編號為GJX400I95，GJX500I100，GJX600I110，樁型相同配筋率相當?shù)钠胀A(yù)應(yīng)力超高強混凝土管樁(下稱鋼棒樁)編號為PHC400AB95，PHC500AB100，PHC600AB110。對比分析管樁試件抗剪承載力、變形延性、破壞特征及裂縫開展等方面的差異，為新型預(yù)應(yīng)力鋼絞線超高強混凝土管樁的設(shè)計與工程應(yīng)用提供重要的依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)計

本次試驗重點研究管樁樁身的抗剪性能，以管樁試件鋼筋斷裂或混凝土壓碎破壞作為終止加載條件。試件的幾何尺寸及配筋詳見圖1和表1。其中：D為管樁的外徑；Dp為預(yù)應(yīng)力鋼筋分布圓直徑；t為管樁壁厚；ρs為縱向鋼筋配筋率；σcon為預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力；σce為混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力。

圖1 預(yù)應(yīng)力超高強混凝土管樁配筋示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reinforcement ofprestressed ultra-high strength concrete pipe pile

試驗加載參考國家標準[17]，采用4點加載方式，每根管樁試件長5.0 m，剪跨長度為管樁外徑D，跨中1.0 m為純彎段，使用YAW-10000F型微機控制電液伺服多功能試驗機對管樁試件進行加載。如圖2所示，應(yīng)變片分布情況為：管樁純彎段跨中上下表面各1片、左右兩側(cè)彎剪段中部延45°角單側(cè)各布置3片，共8片；位移計分布情況為：管樁跨中以及支座處各1支，共3支。需要說明的是，由于場地所限，底部支座距離不大于2.0 m，故將外徑600 mm管樁試件加荷跨距根據(jù)剪力與彎矩關(guān)系及剪跨比縮減至600 mm，如圖2(c)所示。

圖2 管樁試件抗剪試驗加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading on pipe pilespecimens in shearing test

2.2 材料力學性能

制作混凝土管樁試件的同時制作9個100 mm ×100 mm×100 mm的立方體試塊，試塊的養(yǎng)護條件與管樁的養(yǎng)護條件完全相同，實測混凝土立方體試塊抗壓強度平均值fcu,10=116.1 MPa。根據(jù)文獻[19]中的計算公式進行換算，混凝土的標準立方體抗壓強度fcu、軸心抗拉強度fc以及抗拉強度ft如表2所示?；炷翆崪y強度等級約為C105，屬于超高強混凝土。

預(yù)應(yīng)力筋分別采用低松弛螺旋槽鋼棒和低松弛鋼絞線，螺旋箍筋采用甲級冷拔低碳鋼絲。分別取ФD10.7鋼棒、ФD11.1鋼絞線、Фb4鋼絲和Фb5鋼絲各3根進行材料性能拉伸試驗，測得彈性模量Ep、屈服強度fy、極限強度fu、最大抗拉力Fmax、公稱截面面積A0和最大力伸長率δ如表3所示。

表2 混凝土強度換算Table 2 Conversion of concrete strength

表3 鋼筋材料參數(shù)Table 3 Material parameters of reinforcing bars

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗剪承載力

根據(jù)規(guī)范圖集[18]要求，管樁樁身橫向受剪開裂剪力標準值按照式(1)計算。

(1)

式中：I為截面慣性矩；So為管樁半個圓環(huán)面積對中心軸的面積矩；ftk為混凝土抗拉強度標準值；φt為混凝土抗拉強度變異性調(diào)整系數(shù)，取0.7。

圖3為管樁試件的荷載-跨中撓度曲線。

圖3 試驗所測荷載-跨中撓度曲線Fig.3 Curves of load versus deflection at mid-spanmeasured in the test

全加載過程可以分為4個階段：

(1)加載初期，各管樁試件處于彈性階段，荷載與跨中撓度基本呈線性變化，相同規(guī)格的鋼絞線樁與鋼棒樁的剛度相當。

(2)純彎段第一條豎向裂縫出現(xiàn)，裂縫附近混凝土立刻退出工作，受拉區(qū)鋼筋受力突然增大，鋼絞線樁與鋼棒樁剛度退化，其中鋼棒樁剛度退化幅度較大，純彎段相繼出現(xiàn)數(shù)條豎向裂縫。

(3)剪彎段第一條斜裂縫出現(xiàn)，鋼絞線樁與鋼棒樁剛度繼續(xù)退化。

(4)開始位移加載，隨著加載量的增加，鋼棒樁受拉區(qū)鋼棒逐漸進入拉伸強化階段，直至達到極限抗拉強度而被拉斷，發(fā)出清脆的崩斷聲，受拉區(qū)混凝土主裂縫大幅擴展，試件承載力急劇下降，無法繼續(xù)承擔荷載，受壓區(qū)混凝土未見壓碎；而鋼絞線樁荷載則隨著位移加載量增加穩(wěn)定上升，當受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫時，試件承載力隨著位移加載量增加荷載保持不變或略有下降，直至受壓區(qū)混凝土完全壓壞。圖4為各管樁試件典型破壞形式。

圖4 試件破壞后變形形態(tài)Fig.4 Failure modes of test specimens

表4 管樁試件抗剪性能對比Table 4 Shearing behaviors of pipe pile specimens

3.2 裂縫發(fā)展

圖5為管樁試件破壞時裂縫分布示意圖。鋼棒樁破壞時裂縫基本處于加載的支承區(qū)段內(nèi)。豎向裂縫延伸至橫截面頂端，裂縫末端橫向分叉發(fā)展較少；斜裂縫發(fā)展較為緩慢。其中：PHC400AB95試件破壞前主豎向裂縫寬度1.36 mm，長度320 mm，主斜裂縫寬度0.52 mm；PHC500AB100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.32 mm，長度410 mm，主斜裂縫寬度0.74 mm；PHC600AB100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.20 mm，長度520 mm，主斜裂縫寬度0.82 mm。

鋼絞線樁破壞時裂縫亦基本處于加載的支承區(qū)段內(nèi)。豎向裂縫周圍出現(xiàn)較多橫向分叉，加載末期出現(xiàn)了數(shù)條沿樁長方向長短不一的細小水平裂縫；斜裂縫開展亦較為緩慢。其中：GJX400I95試件破壞前主豎向裂縫寬度1.40 mm，長度280 mm，主斜裂縫寬度0.70 mm；GJX500I100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.28 mm，長度390 mm，主斜裂縫寬度0.74 mm；GJX600I100試件破壞前主豎向裂縫寬度1.32 mm，長度480 mm，主斜裂縫寬度0.80 mm。

綜上所述，鋼棒樁與鋼絞線樁裂縫基本處于加載的支承區(qū)段內(nèi)，破壞前豎向裂縫寬度均未超過1.5 mm，斜裂縫寬度均未超過1.0 mm。在現(xiàn)行加載方案中，對于管樁試件而言，抗剪破壞滯后于抗彎破壞。

相對于鋼棒樁，鋼絞線樁的裂縫分布更為均勻，主豎向裂縫長度明顯短于鋼棒樁的主豎向裂縫長度，且豎向裂縫的橫向分叉更為明顯，GJX600 I110試件的水平裂縫已連結(jié)成片；二者斜裂縫的寬度開展均較為緩慢，但鋼絞線樁加載末期陸續(xù)有新的斜裂縫出現(xiàn)，與主斜裂縫相互交錯。

單位:mm圖5 不同規(guī)格的管樁試件破壞后的裂縫分布Fig.5 Cracking patterns of pipe pile specimens of different sizes after failure

圖6 不同規(guī)格的管樁試件截面混凝土應(yīng)變發(fā)展Fig.6 Strain development in cross-sections of pipe pile specimens of different sizes

3.3 應(yīng)變增長

管樁試件應(yīng)變片布置如圖2所示。圖6為管樁試件混凝土荷載-應(yīng)變曲線。需要說明的是，圖中應(yīng)變達到1.5×10-3時即認為應(yīng)變失真，為保證圖像數(shù)據(jù)的可讀性，不再給出失真后的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

對應(yīng)上文加載的4個階段可知：①在裂縫出現(xiàn)之前，管樁試件各測點應(yīng)變發(fā)展隨荷載基本呈線性增長，此階段跨中截面基本滿足平截面假定。②當豎向裂縫出現(xiàn)時，純彎段受拉區(qū)混凝土應(yīng)變急劇增大，8號測點應(yīng)變片拉壞而退出工作，測點失效。③在斜裂縫出現(xiàn)后，剪彎段截面混凝土應(yīng)變迅速增長，部分剪彎段測點應(yīng)變隨之失真?；炷晾瓚?yīng)變的測點受左、右兩側(cè)裂縫開展影響較大。④隨著荷載繼續(xù)增加，斜裂縫和豎向裂縫不斷產(chǎn)生并發(fā)展，剪彎段陸續(xù)有應(yīng)變片拉斷失效。純彎段受壓區(qū)混凝土應(yīng)變一直穩(wěn)定增長；破壞時鋼棒樁壓應(yīng)變均在2.2×10-3左右，而鋼絞線樁壓應(yīng)變則均可達到2.8×10-3左右。

4 結(jié) 論

(1)相比于鋼棒樁試件，鋼絞線樁試件抗剪性能得到了明顯改善。外徑400,500,600 mm的鋼絞線樁開裂剪力分別提高17%,15%,10%，極限剪力分別提高26%,16%,22%，變形延性分別提升43%,23%,60%。

(2)管樁試件測得開裂剪力與規(guī)范公式計算值吻合較好，試驗值相對計算值偏大約10%～25%，處于合理的范圍內(nèi)。

(3)鋼絞線樁試件裂縫開展更為密集、均勻，豎向裂縫的長度較短，橫向分叉較多；二者斜裂縫寬度開展均較為緩慢，但鋼絞線樁斜裂縫開展數(shù)量更多。破壞前豎向裂縫寬度均未超過1.5 mm，斜裂縫寬度未超過1.0 mm。

(4)所有管樁試件破壞形式均為彎曲破壞，鋼棒樁破壞形式為純彎段受拉區(qū)鋼棒拉斷，鋼絞線樁為純彎段受壓區(qū)混凝土壓碎，抗剪破壞滯后于抗彎破壞。