齊金良， 龔順風(fēng)， 周兆弟， 劉雨松

(1 兆弟集團(tuán)有限公司， 杭州 310012； 2 浙江大學(xué)土木工程學(xué)系， 杭州 310058)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁憑借較高的承載能力、便捷的生產(chǎn)工藝和可靠的樁身質(zhì)量，被各類基礎(chǔ)工程廣泛采用。為滿足設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)要求，常常需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接樁處理。早期采用的法蘭盤連接方法，現(xiàn)已被焊接連接和機(jī)械連接所取代。焊接連接雖應(yīng)用最為廣泛，但其容易受到人為因素和環(huán)境天氣的影響，施工質(zhì)量得不到保障，施工效率較低，且長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境下容易失效，近些年來(lái)出現(xiàn)的各種機(jī)械連接接頭則能較好克服這些問(wèn)題[1]。

為了研究不同預(yù)制樁拼接接頭連接性能的優(yōu)劣，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的承載力試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。劉芙蓉等[2]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁焊接接頭的抗彎性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)了其承載能力，指出應(yīng)嚴(yán)抓端板和焊縫質(zhì)量來(lái)保證焊接接頭質(zhì)量。李偉興等[3]采用外貼鋼板焊接方法對(duì)接樁部位進(jìn)行了改進(jìn)處理并開(kāi)展了足尺抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相較于標(biāo)準(zhǔn)焊接接樁節(jié)點(diǎn)，改進(jìn)型接樁節(jié)點(diǎn)明顯改善了施工工藝、焊接質(zhì)量和受力性能。機(jī)械連接接頭具有施工快速便捷、受人為和環(huán)境因素影響小、防腐性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。Ptuhina等[4]對(duì)比研究了目前廣泛使用的幾種預(yù)制樁拼接方法在經(jīng)濟(jì)效益、使用壽命、現(xiàn)場(chǎng)工作量等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，指出插銷式機(jī)械接頭是最有效的連接方法。徐銓彪等[5]對(duì)新研發(fā)的復(fù)合配筋方樁增強(qiáng)型連接接頭進(jìn)行了足尺抗彎試驗(yàn)，測(cè)得接頭試件的極限抗彎承載力遠(yuǎn)大于樁身極限抗彎承載力計(jì)算值，試件發(fā)生樁身抗彎破壞和端板與樁身連接破壞。路林海等[6]對(duì)使用承插式樁接頭的預(yù)制方樁開(kāi)展了受彎承載力試驗(yàn)和有限元分析，研究了各階段樁接頭的受力變形特征，并推導(dǎo)了樁接頭受彎承載力計(jì)算式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。周家偉等[7]研發(fā)了一種彈卡式連接預(yù)應(yīng)力混凝土方樁接頭，通過(guò)開(kāi)展足尺受彎試驗(yàn)和有限元分析，發(fā)現(xiàn)接頭試件的開(kāi)裂彎矩和極限彎矩均大于樁身的開(kāi)裂彎矩和極限彎矩計(jì)算值，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

從上述研究中可以看出，對(duì)焊接接頭進(jìn)行加固改進(jìn)能夠提高連接接頭的可靠性，但該方法增加了施工工序，進(jìn)一步降低了工作效率，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題仍然存在。而研發(fā)的各種機(jī)械接頭雖然具有一些優(yōu)勢(shì)，但往往要配備特定的端板和連接配件，連接形式復(fù)雜，生產(chǎn)成本有所提高。

文獻(xiàn)[8]提出了一種預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁的連接接頭，該接頭取消了傳統(tǒng)樁端板的設(shè)置，上下節(jié)樁通過(guò)上螺下鎖式鋼筋機(jī)械連接件[9]相連。本文在文獻(xiàn)[8]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)使用該種連接接頭形式的3根不同規(guī)格異型方樁接頭試件開(kāi)展足尺受彎性能試驗(yàn)，研究方樁接頭試件的抗裂性能、承載能力和破壞形式，為該連接接頭的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用推廣提供重要的理論依據(jù)。

1 螺鎖式異型方樁連接接頭試件

本試驗(yàn)研究螺鎖式預(yù)應(yīng)力混凝土異型方樁連接接頭的受彎性能，以試件失去承載能力作為終止加載條件。異型方樁縱向呈變截面，樁身每隔一段沿樁周外側(cè)設(shè)置凸肋，可有效提高樁身摩擦性能和抗拔能力。試驗(yàn)選用樁截面最大邊長(zhǎng)分別為350，750，850mm的三種規(guī)格異型方樁試件，編號(hào)為T-FZ-C350-300，T-FZ-B750-530，T-FZ-B850-600。預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力取0.7倍的鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。試件的幾何尺寸和配筋如圖1和表1所示，其中B和B1分別為異型方樁大截面和小截面邊長(zhǎng)，Bp為預(yù)應(yīng)力鋼筋分布邊長(zhǎng)。

圖1 異型方樁試件結(jié)構(gòu)配筋圖

異型方樁試件的幾何尺寸和截面配筋 表1

受彎試驗(yàn)開(kāi)展前，對(duì)試件所用混凝土和鋼筋開(kāi)展材料力學(xué)性能試驗(yàn)，獲取關(guān)鍵材料參數(shù)。對(duì)9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊(邊長(zhǎng)150mm)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)得抗壓強(qiáng)度平均值為63.1MPa。取與試件材料同一批次的預(yù)應(yīng)力鋼棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線如圖2所示，詳細(xì)材料參數(shù)如彈性模量Ep、屈服強(qiáng)度f(wàn)y、抗拉強(qiáng)度f(wàn)pt、最大力總延伸率Agt等見(jiàn)表2。

預(yù)應(yīng)力鋼棒材料性能參數(shù) 表2

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼棒應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 異型方樁連接接頭試件受彎性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

結(jié)合《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(GB 13476—2009)[10]規(guī)定和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地條件，采用四點(diǎn)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，螺鎖式預(yù)應(yīng)力混凝土異型方樁連接接頭試件樁長(zhǎng)和加載點(diǎn)布置如表3和圖3所示。受彎試驗(yàn)加載中，跨中純彎段長(zhǎng)度取為1.0m，兩支座間距取0.6L(L為試件樁長(zhǎng))。異型方樁連接接頭T-FZ-B850-600試件，若兩支座間距按0.6L取值，支座位置處在竹節(jié)坡面上，不便加載，因此將兩支座位置移至竹節(jié)平面上，此時(shí)支座間距為8.0m。異型方樁連接接頭試件樁身布置50mm×3mm型電阻應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)裂縫開(kāi)展和截面應(yīng)變分布，布置YHD-100型位移傳感器來(lái)測(cè)量樁身位移和支座沉降。應(yīng)變片分布情況為：方樁上表面靠近接頭兩側(cè)各1片、方樁側(cè)表面靠近接頭兩側(cè)等間距對(duì)稱布置6片、方樁下表面接頭兩側(cè)對(duì)稱布置6片，共計(jì)14片應(yīng)變片。試件跨中和左右1/4跨布置3支位移計(jì)測(cè)量樁身?yè)隙?，左右支座處布?支位移計(jì)測(cè)量支座沉降。

試件樁長(zhǎng)和加載點(diǎn)布置 表3

圖3 異型方樁連接接頭試件受彎加載圖

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(GB 13476—2009)進(jìn)行試驗(yàn)加載，正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載，檢查各儀表設(shè)備的工作狀態(tài)。正式加載后，先分4級(jí)加載至異型方樁小截面樁身開(kāi)裂彎矩理論計(jì)算值的80%，每級(jí)加載值為開(kāi)裂彎矩理論值的20%；而后縮小加載值為開(kāi)裂彎矩理論值的10%，繼續(xù)加載至開(kāi)裂彎矩理論值的100%，期間觀察是否有裂縫出現(xiàn)；若加載至開(kāi)裂彎矩理論值的100%時(shí)仍未出現(xiàn)裂縫，則繼續(xù)縮小每級(jí)加載值進(jìn)行加載，直至裂縫出現(xiàn)；樁身出現(xiàn)裂縫后，分級(jí)加載至小截面樁身極限彎矩理論計(jì)算值的100%，每級(jí)加載值為極限彎矩理論值的5%；最后改力加載為位移加載，當(dāng)試件無(wú)法繼續(xù)承載時(shí)，停止加載。

2.2 受彎承載力

圖4所示為試驗(yàn)測(cè)得的3根異型方樁連接接頭試件荷載-跨中撓度(P-f)曲線。加載前期，混凝土材料發(fā)生彈性變形，各接頭試件均處于彈性工作階段，跨中撓度隨著荷載增長(zhǎng)呈線性增加；當(dāng)樁身出現(xiàn)豎向裂縫后，試件抗彎剛度下降，跨中撓度增長(zhǎng)速度加快；隨著荷載繼續(xù)增加，樁身裂縫迅速開(kāi)展，數(shù)目增多、高度上升、寬度變大，荷載增長(zhǎng)速度隨撓度增加而逐漸變緩；破壞時(shí)，試件接頭底部發(fā)出清脆的斷裂聲，鑿開(kāi)混凝土后發(fā)現(xiàn)接頭截面部分螺鎖式機(jī)械連接件因預(yù)應(yīng)力鋼棒或鋼棒鐓頭被拉斷而破壞，方樁接頭底部被拉開(kāi)10～20mm，試件承載力急劇下降，不能繼續(xù)承載。

圖4 異型方樁連接接頭試件荷載-跨中撓度曲線

異型方樁連接接頭試件跨中純彎段截面彎矩與試驗(yàn)機(jī)加載值的關(guān)系如下：

(1)

式中：Mt為試件純彎段跨中截面彎矩試驗(yàn)值；P為試驗(yàn)機(jī)加載值；Ls為支座間距；W為試件自重。

采用異型方樁樁身承載能力來(lái)評(píng)估螺鎖式預(yù)應(yīng)力混凝土異型方樁連接接頭試件的承載能力，其中樁身承載能力按照最小截面進(jìn)行計(jì)算。參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[11]，預(yù)應(yīng)力混凝土異型方樁樁身開(kāi)裂彎矩理論值按式(2)計(jì)算，極限彎矩理論值按式(3)和式(4)計(jì)算。

Mcr=(σce+γft)W0

(2)

(3)

(4)

表4給出了異型方樁連接接頭試件受彎試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況，表中各項(xiàng)分別為試驗(yàn)測(cè)得的試件開(kāi)裂彎矩Mcr,t和極限彎矩Mu,t，以及理論公式計(jì)算得到的樁身開(kāi)裂彎矩Mcr,c和極限彎矩Mu,c。由表可知，試驗(yàn)測(cè)得T-FZ-B750-530試件的開(kāi)裂彎矩是相應(yīng)樁身開(kāi)裂彎矩計(jì)算值的80%，但極限彎矩超出樁身極限彎矩計(jì)算值約20%，推測(cè)可能是試件混凝土初始預(yù)壓應(yīng)力不足而導(dǎo)致樁身開(kāi)裂較早所致。其余兩根接頭試件受彎試驗(yàn)得到的開(kāi)裂彎矩和極限彎矩均達(dá)到相應(yīng)方樁樁身的開(kāi)裂彎矩和極限彎矩計(jì)算值，受彎性能良好，驗(yàn)證了螺鎖式機(jī)械連接的可靠性。

試件受彎試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表4

2.3 裂縫分布

T-FZ-C350-300試件在跨中彎矩達(dá)到51.7kN·m時(shí)，在小截面處出現(xiàn)第一條豎向裂縫；破壞前試件樁身裂縫主要分布在接頭兩側(cè)-1 500～1 500mm范圍內(nèi)，共有12條主要裂縫(純彎段4條)，豎向裂縫最大寬度為0.44mm，開(kāi)展高度約200mm，如圖5(a)所示；破壞后方樁接頭底部被拉開(kāi)約15mm，兩側(cè)樁身裂縫寬度回縮。T-FZ-B750-530試件在跨中彎矩達(dá)到211.3kN·m時(shí)，在小截面處出現(xiàn)第一條豎向裂縫；破壞前試件樁身裂縫主要分布在接頭兩側(cè)-2 200～1 900mm范圍內(nèi)，共有17條主要裂縫(純彎段1條)，豎向裂縫最大寬度為0.76mm，開(kāi)展高度約300mm，如圖5(b)所示；破壞后方樁接頭底部被拉開(kāi)約10mm，兩側(cè)樁身裂縫寬度回縮。T-FZ-B850-600試件在跨中彎矩達(dá)到448.8kN·m時(shí)，在小截面處出現(xiàn)第一條豎向裂縫；破壞前試件樁身裂縫主要分布在接頭兩側(cè)-2 000～2 000mm范圍內(nèi)，共有15條主要裂縫(純彎段沒(méi)有裂縫)，豎向裂縫最大寬度為0.54mm，開(kāi)展高度約450mm，如圖5(c)所示；破壞后方樁接頭底部被拉開(kāi)約20mm，兩側(cè)樁身裂縫寬度回縮。

綜上可知，由于異型方樁連接接頭位于樁身大截面處，截面換算彈性抵抗矩較大，相應(yīng)的開(kāi)裂彎矩大于樁身小截面處，且4點(diǎn)式加載中，跨中純彎段截面彎矩最大，彎矩向兩側(cè)樁端逐漸遞減。試驗(yàn)中各試件的純彎段偏外就是小截面段，因而容易在樁身小截面靠近跨中處率先出現(xiàn)裂縫，破壞時(shí)裂縫主要分布在小截面段樁身上。相較于T-FZ-C350-300試件，T-FZ-B750-530和T-FZ-B850-600試件的樁身大截面和小截面的邊長(zhǎng)差異更大，大小截面開(kāi)裂彎矩相差較多，破壞時(shí)跨中大截面位置裂縫開(kāi)展較少。

圖5 異型方樁連接接頭試件受彎裂縫分布圖

2.4 破壞形式

3根異型方樁連接接頭試件在加載過(guò)程中，隨著荷載的增加，方樁接頭底部被逐漸拉開(kāi)，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，接頭底部位置傳出清脆的斷裂聲，底部被拉開(kāi)10～20mm，受壓區(qū)混凝土無(wú)明顯壓碎現(xiàn)象，鑿開(kāi)接頭后發(fā)現(xiàn)拼接界面底部螺鎖式機(jī)械連接件因預(yù)應(yīng)力鋼棒或鋼棒鐓頭被拉斷而破壞，如圖6所示。

圖6 異型方樁連接接頭破壞形式

圖7 異型方樁連接接頭試件樁身混凝土應(yīng)變發(fā)展

2.5 混凝土應(yīng)變發(fā)展

各異型方樁連接接頭試件樁身混凝土應(yīng)變(ε)隨荷載(P)的發(fā)展變化曲線如圖7所示，為保證圖像的可讀性，混凝土拉應(yīng)變達(dá)到1 000με后不再繪制應(yīng)變數(shù)據(jù)。由圖可知，3根異型方樁連接接頭試件在樁身裂縫開(kāi)展前，混凝土材料處于彈性變形階段，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片讀數(shù)均較小，應(yīng)變和荷載之間呈線性變化，根據(jù)跨中截面高度方向應(yīng)變片讀數(shù)可以判斷平截面假定基本適用；開(kāi)裂后，隨著荷載增加，裂縫數(shù)目迅速增多，樁身受拉側(cè)混凝土應(yīng)變開(kāi)展較快，部分混凝土應(yīng)變片因處于裂縫開(kāi)展位置而迅速破壞失效，而樁身其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化量仍較小；繼續(xù)加載，截面中心軸不斷上移，接頭兩側(cè)混凝土受壓區(qū)#1和#2應(yīng)變片讀數(shù)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，但直至破壞，應(yīng)變數(shù)值均未超過(guò)2 000με，混凝土未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)受彎試驗(yàn)測(cè)得的各螺鎖式預(yù)應(yīng)力混凝土異型方樁連接接頭試件極限抗彎承載力均大于理論計(jì)算得到的各試件樁身極限抗彎承載力，螺鎖式機(jī)械連接具有可靠的連接性能。

(2)各異型方樁連接接頭試件因樁身大截面和小截面開(kāi)裂彎矩的差異，均在樁身小截面靠近跨中處率先開(kāi)裂，且破壞時(shí)裂縫主要分布在小截面樁身上。

(3)各異型方樁連接接頭試件受彎破壞均發(fā)生在跨中連接接頭部位，接頭混凝土鑿開(kāi)后發(fā)現(xiàn)截面最底層一排機(jī)械連接件因預(yù)應(yīng)力鋼棒或預(yù)應(yīng)力鋼棒鐓頭被拉斷而失效破壞；破壞時(shí)試件跨中接頭兩側(cè)受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變較小，未觀測(cè)到明顯的混凝土壓碎現(xiàn)象。