申智勇;许豹;张浩;周同和
【摘 要】预应力混凝土管桩的正截面轴心受压承载力计算式中,工作条件系数的取值各地方标准与国标、图集存在较大差异.根据混凝土正截面承载力计算的基本假定应力-应变的关系以及力的平衡和变形协调原则,分析了预应力混凝土桩抗压承载力极限状态,提出预应力混凝土管桩正截面轴心受压承载力计算公式中的系数取值方法,不仅考虑了沉桩工艺和预应力钢筋产生的混凝土剩余预压应力的影响,还考虑了混凝土处于饱和状态和强度回缩的影响,建立了验算预应力混凝土管桩承载力的统一表达式,为预应力混凝土桩身强度验算设计提供了计算依据.本研究成果具有较强的实用价值,可供工程设计参考. 【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2018(036)010
【总页数】6页(P1569-1574)
【关键词】预应力混凝土管桩;桩身强度;折减系数;承载力;理论分析
【作 者】申智勇;许豹;张浩;周同和
【作者单位】预应力混凝土管桩>烷基叔丁基醚国电环境保护研究院,南京 210031;郑州大学,郑州 450001;郑州大学,郑州 450001;郑州大学,郑州 450001
【正文语种】中 文
【中图分类】TU413
预应力混凝土管桩具有成桩质量易控制，施工简便，单桩承载力高，工程造价低，节能、环保等诸多优点，已得到越来越广泛的应用.预应力混凝土管桩纵筋施加的预应力形成混凝土初始压应力，桩身受压后初始压应力会随着构件的压缩、预应力筋拉应变的减小而变小.当混凝土压缩应变增大到混凝土的极限压应变时，管桩达到受压极限，此时由钢筋预拉力产生的混凝土预压应力将降到最低点，将此时的预压应力称为剩余预压应力［1］.计算预应力混凝土管桩受压承载力时应扣除这部分剩余压力.
管桩混凝土养护不当，后期混凝土易产生回缩，在沉桩过程中桩身强度会有所损失；在饱和条件下工作，桩身强度也可能下降.因此，在计算预应力混凝土桩身强度时应乘上一个综
合折减系数，但该系数的取值，地方标准与国标、图集存在较大的差异，使得工程技术人员无所适从（具体取值如表1所示）.根据钢筋混凝土轴心受压截面承载能力计算理论可知，施加在构件上的荷载是由钢筋和混凝土两者共同承受，但主要由混凝土承担.
表1 桩身强度系数（成桩工艺）比较Tab.1 Comparison of pile body strength coefficient（piling process）依据北京规范[2]上海规范[3]天津规范[4]浙江规范[5]河南规范[6]深圳规范[7]广东规范[8]桩基规范[9]地基规范[10]管桩国标[11]灌注桩0.40～0.90 0.70～0.80 0.60～0.70 0.60～0.80 0.60～0.80 0.60～0.85 0.70～0.90 0.60～0.90 0.60～0.80——预制桩0.85 0.75～0.85 0.75 0.75 0.75 0.85～0.90 0.80～0.90 0.85 0.75——预应力桩0.85 0.75～0.85 0.55～0.65 0.55～0.65 0.55～0.65 0.88～0.93 0.70～0.75（管桩标准）0.85 0.55～0.65 0.7计算方法折减系数折减、扣除部分预压应力折减系数折减系数折减系数折减系数折减系数折减系数折减系数折减系数
根据以往研究成果，影响混凝土强度的主要因素有：①原材料情况（骨料、水泥、添加剂）；②混凝土拌和（现场拌和、工厂拌和）；③混凝土浇筑与振捣工艺养护条件（正常养护、蒸汽压力养护、养护时间），蒸汽压力养护条件下，混凝土强度可能发生回缩（退
缩）现象，回缩10%～15%；④成桩工艺（顶压、抱压、锤击、高频振动植入、自重植入）；⑤工作条件（如干燥与饱和状态），饱和状态与干燥状态比较，混凝土强度下降20%～25%.
王海龙［12］、李庆斌［13］、Oshita［14］等采用断裂力学方法探讨了湿态混凝土在承受单轴压缩作用下孔隙水压力对混凝土开裂、扩展和抗压强度的影响，其研究结果表明，与干燥混凝土相比，湿态混凝土的开裂应力和抗压强度都有所降低；Ross［15］等的结果表明，饱和混凝土强度较干燥混凝土有所降低，并给予了解释.彭波［16］等通过对水泥混凝土制品的蒸汽养护工艺阐述，表明在蒸汽养护过程中，如果温度控制不当，会造成混凝土开裂，从而降低混凝土的强度；索松山［17］通过试验数据分析表明，蒸养干硬性混凝土脱模强度明显高于标准养护，其增加幅度为169.5%，但随着龄期增加，蒸养干硬性混凝土28 d抗压强度低于标准养护.王成启等［18-19］不同养护方式影响研究表明，PHC管桩混凝土的抗压强度增幅按标准养护、免压蒸养护和高压蒸养的次序递减，且环境湿度对免压蒸PHC管桩混凝土的脆性和弹性模量有一定的影响，免压蒸混凝土的脆性小于高压蒸养混凝土.王海龙等［20-21］通过不同加载速率下干燥与饱和混凝土抗压性能试验研究，得出饱和混凝土的强度对加载速率更为敏感、准静态加载条件下饱和混凝土的强度有所降低
的结论.白卫峰等［22-23］、Yaman［24］研究了复杂应力状态下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响，与干燥混凝土相比，准静态工况下饱和混凝土在各种应力状态下的抗压强度均有所降低，且受初始静水压力、孔隙率及加载路径的影响.
由上述可知，桩身强度系数不仅要考虑沉桩工艺和预应力钢筋产生的混凝土剩余预压应力的影响，还要考虑混凝土的饱和状态和强度回缩的影响.在此基础上，本文分别对非预应力混凝土管桩和预应力混凝土管桩进行了理论分析，对预应力混凝土管桩正截面轴心受压承载力计算公式中的系数进行了分解，得到了验算预应力混凝土桩承载力的统一表达式，并对综合系数的取值进行了讨论.
1 非预应力混凝土桩理论分析
1.1 混凝土正截面受压承载力
根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［25］，钢筋混凝土轴心受压构件，其正截面受压承载力应符合下列规定：
式中：N为轴向压力设计值；φ为钢筋混凝土构件的稳定性系数；fc为混凝土轴心抗压强度
设计值；Ap为构件截面面积；f'y为普通钢筋抗压强度设计值；A's为全部纵向普通钢筋的截面面积.
假定稳定系数取1.0，不考虑施工对桩身混凝土的损伤，考虑桩身工作时混凝土处于饱和状态，忽略受压钢筋作用时，有：
式中：β为饱和状态下混凝土强度折减系数；取0.85时，有：
对照桩身强度验算承载力计算公式：离子风机aryang
此时，
1.2 非预应力桩轴心受压安全系数分析
以C40级灌注桩为例，其轴心抗压强度设计值 fc为19.1 MPa，综合系数取0.70时，桩身强度设计计算值13.37 MPa，其强度系数为0.334，接近0.33，两倍加载量对应的桩身应力为26.74 MPa，接近C40级混凝土轴心抗压强度标准值26.8 MPa.
考虑纵筋（配筋率0.2%～0.65%）的贡献时，以400 MPa钢筋为例，根据应力应变关系，
可以估算出由钢筋提供的桩身承载力大约为3%～10%.
综上所述，适当考虑箍筋贡献（一般小于5%），非预应力混凝土桩身强度系数不宜大于0.8.
2 预应力混凝土桩身强度理论分析
2.1 轴心受压混凝土极限压应变
防洪闸门根据现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［25］第6.2.1条正截面承载力计算的基本假定中第3款的规定：
式中：ε0为混凝土压应力达到 fc时的混凝土压应变；当计算的ε0值小于0.002时，取为0.002；εcu为正截面的混凝土极限压应变，当处于非均匀受压且按公式（4）计算的值大于0.003 3时，取为0.003 3，当处于轴心受压时取ε0；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值.
由此可知轴心受压混凝土极限微应变0.002～0.003.该基本假定第4款中规定了纵向受拉钢筋的极限拉应变为0.01，预应力钢筋的有效拉应变为0.006 5.真空马桶
泄漏率
2.2 桩身残余压应力分析
假定轴心受压混凝土极限微应变（考虑箍筋作用）：
钢筋受压后减少的拉应力（预应力损失）：
受拉钢筋产生的桩身剩余压应力系数：
2.3 轴心受压预应力桩桩身强度系数
预制桩在沉桩过程中桩身强度会有所损失，应将混凝土抗压强度乘上一个沉桩工艺系数应给予以折减，轴心受压桩身强度验算公式为：
式中：ψc为成桩工艺系数，根据国家行业标准《建筑桩基础技术规程》（JGJ 94—2008）［9］，取 ψc=0.85；σpc为预应力钢筋的有效拉应力.
忽略式（5）中的后者 ασpc，根据国标图集《预应力混凝土管桩》（10G409）［11］总说明6.3.4条，用下式计算桩身轴心受压承载力：
式中：ψ为考虑混凝土残留预压应力影响而取的折减系数.显然，ψ≤0.85.
2.4 轴心受压桩身强度简化计算分析
以C80级PHC桩为例，忽略 ασpc时，比较式（5）、式（6）计算结果的差异. ψc=0.9×0.85=0.765，ψ=0.7，α=0.5，fc=35.9 MPa，对应A、B、C、D型桩的预应力值 σpc、（5）式、（6）式计算结果之比如表2所示.
表2 计算结果比较Tab.2 Comparison of calculation results桩型 式（5）计算结果σpc/MPa式（6）计算结果α Ψc A B C D 4 6 8 1 0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.765 0.765 0.765 0.765 αΨcσpc/MPa 1.53 2.3 3.06 3.83 Ψ 0.7 0.7 0.7 0.7 fc/MPa 35.9 35.9 35.9 35.9 Ψfc/MPa 25.13 25.13 25.13 25.13 Ψfc/（Ψ fc-αΨcσpc）1.03 1.00 0.97 0.94
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议