引言
预应力高强混凝土管桩普遍应用于基础工程，不仅承担上部结构带来的竖向荷载，而且还需要足够的抗弯承载能力来抵抗其他效应引起的地震或水平力。为了提高预应力混凝土管桩的水平承载力和抗震性能，国内研究人员对其进行了预应力混凝土管桩相关性能的研究[1~4]。2009年上海某13层建筑倒塌事故（如图1所示）引起了国内各方对预应力混凝土管桩水平承载力不足的担忧。对于单调荷载作用下预应力混凝土管桩的力学性能和设计方法进行了大量的研究[5]，但针对预应力混凝土管桩抗震性能的研究很少。预应力混凝土管桩在地震中的主要破坏形式为弯曲破坏。本文提出了一种新的提高混凝土桩抗弯强度的方法，即在混凝土桩截面的中心加入无粘结预应力钢筋，来改善弯曲桩的强度。混凝土管桩使用了抗压强度为100MPa的混凝土、屈服强度为700MPa的纵向钢筋和屈服强度为1450MPa的横向钢筋。此外，还采用碳纤维布防止保护层混凝土剥落。 预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究
三苯基氢氧化锡王 全
中交一航局第二工程有限公司 山东 青岛 266071
摘 要：通过对12根预应力高强混凝土管桩进行一系列静弯试验，研究了纵筋数量、预应力水平、碳纤
维布的存在与否等试验变量对桩抗弯强度的影响。研究表明，对于最大抗弯强度的预应力混凝土管桩应同时具有混凝土填充和碳纤维布，预应力水平以及纵筋数量对弯曲强度没有明显影响，当通过碳纤维布防止保护层混凝土剥落时，纵向钢筋的数量能明显提高管桩的抗弯曲弯曲强度。
关键词：预应力混凝土管桩；抗弯性能；碳纤维布；混凝土填充
收稿日期：2019-10-31
图 1 上海某13层建筑倒塌现场照
1 混凝土管桩的制作及材料性能
1.1 管桩制作
插座保护盖制作12根预应力高强混凝土管桩，每根直径400mm，长4000mm，在静态弯曲试验下进行试验。采用高强混凝土离心成型空心桩制作（如图2所示），施加离心力15.5min，一共分为5步：第一步，250r/min，持续6min；第二步，400r/min，持续4min；第三步，850r/min，持续2min；第四步，1000r/min，持续3min；第五步，1550r/min，持续0.5min。所有管桩经过12h的蒸汽养护，随后进行空气养护，直到测试。为了增强管桩抗弯强度，在其中一部分管桩中插入带护套的预应力钢筋，一部分管桩中加入混凝土填充物（如图3中Con-B所示），一部分管桩表面使用碳纤维布附着，最后，在预
预应力混凝土管桩
应力钢筋上安装的应变计监测下，在释放千斤顶之前，用扭矩扳手拧紧螺母，从而提供预应力，一些试样没有混凝土填充或碳纤维布，护层没有在任何桩中填充灌浆。
1.2 试样材料性能
所有混凝土混合物中均使用普通硅酸盐水泥。碎石用作粗骨料，其中最大骨料粒径为15mm。图3中，Con-A 中使用的混凝土，使用硅灰以获得高强度减少细颗粒偏析；采用高流动性混凝土作为混凝土填充料Con-B。在过去的十年中，纤维增强聚合物（FRP ）在混凝土构件的修复、改造、加固和新的施工中的应用越来越受到人们
的关注[6]。
本文采用单向碳纤维布，研究了用单向碳纤维布约束混凝土保护层对桩的抗折强度的影响。试验桩中纵向钢筋和预应力钢筋的布置如图3所示。对于直径为400mm的桩，横截面中心布置的预应力钢筋数量不得超过3根，直径分别为32、40mm，纵筋和螺旋箍筋的屈服强度见表1。
2 预应力管桩弯曲试验设计
使用四点弯曲装置，在单调增加的载荷下对每个试样进行试验，直到失效（如图4所示）。使用5个线性可变差动传感器（LVDT）测量挠度。观察了无碳纤维布桩的开裂情况。电子应变计连接到混凝土、
预应力钢筋、纵筋、和碳纤维布的表面。对桩施加预应力时，对预应力钢筋上的应变计进行控制，以获得指定的预应力。引入预应力钢筋后，
top技术混凝土和纵筋的实测压应变几乎等于给定
图 2 用于制作混凝土桩的金属模具
图 3 试验桩横截面
（a ）直径32mm的预应力钢筋无填充样本横截面（b ）
虚拟房间直径40mm的预应力钢筋混凝土填充样本横截面
预应力的计算值。相应管桩的抗压强度主要通过圆柱体在轴向荷载下进行测试，混凝土的抗压强度取3个相同圆柱体的平均测量值，每个圆柱体的直径为100mm，高度为200mm。
3 试验结果及分析
图5描绘了D4-1、D4-2、D4-3混凝土桩的荷载和挠度之间的关系，这些管桩没有碳纤维布或混凝土填充物，三根桩的材料强度和结构性能基本一致，但钢筋预应力不同，分别为0、9.8、20.3N/mm 2。从图中可以看出随着钢筋预应力的增加，开裂荷载增大，且预应力最大的桩D4-3的荷载能力最强，当混凝土保护层剥落后，承载力发生急速下降，约为30%。当混凝土桩荷载不断增大
D4-1107-78722.2 2.9144060 1.29D4-210778722.2 2.960 1.29D4-311478722.2 2.960 1.29D4-411
478722.2 2.91200.65D4-511079631.8 5.91200.65D4-610841.078722.2 1.860 1.29D4-710841.078722.2 1.81200.65D4-8102
37.0
77822.2 1.860 1.29D4-998.737.278722.2 1.860 1.29D4-1097.338.178722.2 1.860 1.29D4-1197.338.179631.8 3.860 1.29D4-12
88.0
39.7787
22.2
1.8
60
1.29
图 4 试验装置示意图
图 5 不同预应力管桩荷载与挠度之间的关系
时由于该桩的保护层混凝土具有较大的压缩应变，保护层在纵向钢筋屈服前发生剥落。
图6描绘了桩D4-6、D4-8、D4-9的试验结果，这些管桩有混凝土填充，但没有碳纤维布，钢筋预应力分别为12.6、6.3、21.0N/mm 2。试验证实，三根桩的峰值荷载基本相同，混凝土填充可以防止混凝土保护层剥落后荷载突然降低。研究还证实，这些桩的最大荷载并不取决于预应力的大小。
f pe =0N/mm 2
不同预应力水平对D4-10、
D4-12桩抗弯强度的影响如图7所示。这些桩既有混凝土填充，又有碳
纤维布，它们之间唯一的区别是初始预应力的大小。由于保护层混凝土受到碳纤维布的约束，因此没有受到弯矩引起的压应力的影响。与没有碳纤维布的桩不同，在有碳纤维布的桩中使用混凝土保护层有助于提高抗弯强度，因此，这些桩的最大荷载较大。由于无初始预应力或预应力水平较低的桩的中性轴更接近于截面受压边缘，因此预应力钢筋的拉伸应变随弯矩的增大而增大。随着弯矩的增加，拉伸应变的增加可能导致桩间预应力钢筋提供的压缩轴向力没有差异，因此，预应力水平对弯曲强度没有明显影响。
碳纤维布对桩D4-9、D4-10抗弯强度的影响如图8所示。这两个桩之间的唯一区别即是否存在碳纤维布。由于D4-10桩为碳纤维布桩，在较大荷载作用下混凝土保护层没有发生脱落，因此与D4-9桩相比具有较高的抗折强度。试验中使用了单向碳纤维，因此，该碳纤维布只能用于加固桩的周向应力。
由于碳纤维布混凝土填充桩具有图 6 混凝土填充桩的荷载和挠度之间的关系
图 8 碳纤维布对纤维强度的影响
图 7 碳纤维布和混凝土填充桩的荷载和挠度之间的关系
图 9 纵筋数对弯曲强度的影响
比传统预制混凝土桩更高的抗弯强度，因此碳纤维布混凝土填充桩能够防止在强地震作用下桩基础的屈服。
纵筋数量对桩抗弯强度的影响如图9所示。如果混凝土桩既没有混凝土填充物，也没有碳纤维布，则其最大荷载的差异不是很大（如图9a所示），这是因为大预应力导致保护层混凝土过早剥落；当通过碳纤维布防止保护层混凝土剥落时，纵向钢筋的量能明显提高管桩的抗弯曲弯曲强度（如图9b所示）。
螺旋间距对弯曲行为的影响如图10所示。从图10a可以看出，对于没有混凝土填充的桩，螺旋间距较
小并不重要，因为这些管桩在混凝土保护层剥落后表现出脆性行为。即使在添加了混凝土填充物以防止脆性行为的桩中，也能清楚地观察到螺旋间距较大桩的纵向钢筋的屈曲，这种屈曲可通过图10b所示的突然荷载下降来表现出来。
结语
为了防止因严重地震而产生的桩基屈服，本文提出了一种新的预制高强钢筋混凝土桩的设计方法，该方法主要通过在管桩中心增加预应力钢筋，混凝土填充或者表面增加碳纤维布等措施来提高管桩抗弯强度。试验研究了混凝土强度、纵筋数量、预应力水平、混凝土填充物的存在与否以及碳纤维布对桩抗弯强度的影响。试验结果表明，桩身混凝土填充和碳纤维布加固是提高桩身抗参考文献：
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作者简介
王 全，1982年生，本科学历，毕业
于青岛理工大学土木工程专业，工程师。
地址：山东省青岛市市北区合肥路
696号阳光山小区，26号楼二单元301
邮编：266000
电话：188********
E-mail：ywzq106107@163
图 10 螺旋间距对弯曲强度的影响
折强度和防止脆性破坏的必要措施；预应力水平以及纵
筋数量对弯曲强度没有明显影响，当通过碳纤维布防止
保护层混凝土剥落时，纵向钢筋的数量能明显提高管桩
的抗弯曲弯曲强度，碳纤维布混凝土填充桩具有比传统
预制混凝土桩更高的抗弯强度，值得推广使用。
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