预应力混凝土空心方桩桩体抗弯试验研究

龙绛珠，王 凤

(福州大学阳光学院，福州 350015)

预应力混凝土空心方桩具有单桩竖向承载力高、企业化生产、运输绑扎方便、施工速度快和质量性能优良等特点，被广泛应用于建筑工程、道路桥梁和港口工程等土建工程中，成为国内选用较多的一种桩型。目前针对预应力混凝土空心方桩桩体材料承载性能和桩接头抗弯承载力已有很多研究成果，对于桩体的抗弯承载力研究相对较少，本文在结合原型试验结果的基础上，对预应力混凝土空心方桩抗弯承载力进行分析。

1 预应力混凝土空心方桩抗弯承载力试验

本试验选取的桩为边长300mm内径、150mm(KFZ－A300(150)－10)和边长 400mm、内径240mm(KFZ－A400(240)－10)的两组A型预应力混凝土空心方桩，桩长皆为10m。

1.1 试验条件

抗弯试验依据规范《预应力离心混凝土空心方桩》(JCT2029－2010)要求，具体试验加载装置采用简支梁对称，使用DH3815N分布式静态应变测试系统，采用100mm*3mm型电阻应变片;裂缝宽度采用ZBL－F101型裂缝宽度观测仪测读;裂缝分布及发展的记录采用数码摄影像装置及毫米方格纸，如图1所示。

图1 抗弯试验示意图

1.2 试验计算公式

式中:M为抗弯弯矩，kN·m;

W为预应力混凝土空心方桩重量，kN;

L为预应力混凝土空心方桩长度，m;

P为荷载(包含设备重量在内)，kN;

b为1/2的加载跨距，m。

2 抗弯承载力试验结果及分析

2.1 抗弯试验承载力结果分析

预应力混凝土空心方桩在竖向荷载作用下的抗弯承载力及极限承载力见表1。

在表1中，S1桩的规范抗裂弯矩为31kN·m，试验加载至抗裂弯矩规范值的1.19倍时出现第1条裂缝，将此时所对应的弯矩值确定为实测的抗裂弯矩门槛值，当加载至极限弯矩值45kN·m的1.11倍时裂缝宽度达到1mm，本文将其所对应的弯矩值确定为抗裂极限弯矩值，因此实测的抗裂弯矩和极限弯矩分别为37kN·m和50kN·m;表中S2桩的规范抗裂弯矩为31kN·m，实际试验加载至抗裂弯矩规范值的1.16倍时出现第1条裂缝，所对应的弯矩值为该桩的抗裂弯矩门槛值，当加载至极限弯矩值45kN·m的1.13倍时裂缝宽度达到1mm，本文将其所对应的弯矩值确定为抗裂极限弯矩值，因此实测的抗裂弯矩门槛值和极限弯矩分别为36kN·m和51kN·m;表中S3桩的规范抗裂弯矩为80kN·m，当加载至抗裂弯矩规范值的1.18倍时出现第1条裂缝所对应的弯矩值为该桩的抗裂弯矩门槛值，当加载至极限弯矩值108的1.3倍时裂缝宽度达到1mm，本文将其所对应的弯矩值确定为抗裂极限弯矩值，因此实测的抗裂弯矩门槛值和极限弯矩分别为94kN·m和140kN·m;表中S4桩的规范抗裂弯矩为80kN·m，当加载至抗裂弯矩规范值的1.19倍时出现第1条裂缝，所对应的弯矩值为该桩的抗裂弯矩门槛值，当加载至极限弯矩值108kN·m的1.3倍时裂缝宽度达到1mm，本文将其所对应的弯矩值确定为抗裂极限弯矩值，因此实测的抗裂弯矩门槛值和极限弯矩分别为95kN·m和140kN·m。

表1 空心方桩抗弯试验结果

由以上分析可以得出，本试验实测值均比规范值大，因此说明规范值比较保守，偏于安全，未能充分发挥预应力混凝土空心方桩的抗弯性能，如图2所示。

图2 抗弯性能对比图

通过数理统计方法分析得出的试验值与规范值比值的平均值、样本标准方差及变异系数见表2。

表2 空心方桩抗弯承载力试验值与规范值的比较

从表2分析可知:抗裂弯矩门槛值试验值与规范值之比的平均值、标准差和变异系数分别为1.18、0.01 和 0.008，标准差为 0.01，变异系数为0.008，说明采集的试验值样本波动性较小，试验桩抗弯承载性能稳定。同时从表中还可以得出极限弯矩试验值与规范值之比的平均值、标准差和变异系数分别为 1.20、0.1 和 0.083，标准差为 0.1，变异系数为0.08，由于试验桩体处于极限破坏状态，稳定性较差，较抗弯弯矩门槛值波动性大。但由于极限弯矩试验值与规范值之比的标准差与变异系数依然处于较小值，说明采集的试验值样本波动性较小，试验桩极限抗弯承载性能相对比较稳定。同时也说明抗弯承载力与极限承载力有较好的安全储备。

分析其原因:规范值计算公式(1)未考虑有关离心生产工艺的问题，空心方桩离心成型的生产工艺与普通的混凝土预制构件的浇筑方法有很大不同，离心成型使桩体混凝土部分有一定的分层现象，一般内部主要是水泥砂浆，外层以碎石居多，在抗弯过程中除预应力钢筋抗弯作用外，外层的碎石与水泥浆体的胶结作用也具有一定的抗弯能力，而普通混凝土预制构件由于其相对比较均匀，削弱了外层碎石的抗弯能力。因此在分析离心成型工艺的混凝土抗弯强度时需进行修正，本文拟采用抗弯强度修正系数k，以达到在具备一定安全储备的条件下，充分发挥建筑材料性能，由试验所采集的样本数据的统计分析，在计算预应力混凝土空心方桩的抗裂弯矩时取抗弯强度修正系数k=1.2是比较合适的。

2.2 试验抗弯裂缝分布结果分析

KFZ300(150)型预应力混凝土空心方桩在弯矩作用下发生断裂破坏时的裂缝分布示意图如图3所示。从图中可以看出裂缝绝大部分均匀分布于跨中左右约3.5m范围内，发生断裂破坏时主要裂缝共有20条，平均长度为25.7cm，断裂破坏发生时裂缝破坏的主要分布特点为中间长两端短。预应力混凝土空心方桩的第一条裂缝位于跨中左侧8cm位置处，而断裂裂缝则位于右侧6cm处，初始第一裂缝和断裂裂缝都发生在纯弯段内。

KFZ400(240)型预应力混凝土空心方桩在弯矩作用下发生断裂破坏时的裂缝分布示意图如图4所示。从图中可以看出裂缝绝大部分均匀分布于跨中左右约3.5m范围内，发生断裂破坏时主要裂缝共有20条，平均长度为34cm，断裂破坏发生时裂缝破坏的主要分布特点为中间长两端短。预应力混凝土空心方桩的第一条裂缝位于跨中左侧4cm位置处，而断裂裂缝则位于跨中位置处，初始第一裂缝和断裂裂缝均发生在纯弯段内。

图3 KFZ300(150)型桩裂缝分布示意图

图4 KFZ400(240)型桩裂缝分布示意图

3 结论

通过两组预应力混凝土空心方桩现场原型试验，对预应力混凝土空心方桩的抗弯承载力进行了研究，结论如下:

(1)本试验实测值均比规范规定值大，由此说明规范规定值均偏保守，预应力混凝土空心方桩的抗弯性能能够达到相关标准规定的数值，且极有可能预应力混凝土空心方桩抗弯承载力实测值较标准规定值大，按设计要求选择桩型能达到相应要求。

(2)在试验数据的基础上，考虑离心成型工艺，在抗弯强度规范计算公式中考虑修正系数k=1.2，具有一定参考价值。但本试验样本有限，还需大量试验数据对修正系数k进行进一步的修正。

(3)抗弯试验的裂缝分布示意图显示，在弯矩作用下桩体裂缝分布于跨中两边大概3.5m范围内，桩身应力主要集中在跨中的纯弯段内，桩体受极限抗弯承载力作用破坏后仍具有较高的抗弯承载力。

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