复合配筋预制实心方桩的桩身抗裂性能

陈晓东 曾 凯

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

复合配筋预制实心方桩的桩身抗裂性能

陈晓东 曾 凯

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

通过试验，从桩身受弯与桩身轴心受拉两方面，计算分析了复合配筋预制实心方桩的桩身抗裂性能，指出预制实心方桩在原有配筋基础上加配预应力钢筋，能较大地改善桩身抗裂性能。

预制实心方桩，配筋，抗裂性能，桩身

自1910年日本人用震动法制造350 mm×350 mm×6 000 mm的预制混凝土方桩以来，这一桩型在工程应用上已有100余年历史，且曾在我国大规模应用，然而自20世纪90年代起，预应力混凝土管桩、预应力混凝土空心方桩等得到了大力推广，发展迅猛，使得原有的预制混凝土实心方桩的市场一再萎缩。业内人士一直在探索如何对预制实心方桩进行改良以使其能更好地适应市场需求，其中进行复合配筋(在原有非预应力配筋的基础上加配一定数量的预应力钢筋使其成为部分预应力构件)是一个重要思路，它能改善预制实心方桩的诸多性能，尤其是桩身抗裂性能。

本文进行理论计算及对比试验的复合配筋预制实心方桩桩身截面如图1所示，具体的几何参数及截面配筋等见表1。

表1 复合配筋预制实心方桩几何参数表

方桩规格混凝土强度等级边长Bmm预应力钢筋①非预应力钢筋②螺旋箍筋③BpmmBsmmPRS400AC504004ϕD10.74ϕ16ϕb4@100299292PRS450AC504508ϕD9.08ϕ12ϕb5@100349342PRS500AC505008ϕD9.08ϕ14ϕb5@100399392注:1)Bp表示预应力钢筋中心点之间距离,Bs表示非预应力钢筋中心点之间距离;2)非预应力钢筋采用HRB400级热轧带肋钢筋,预应力钢筋采用抗拉强度不小于1420MPa,35级延性低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒

1 桩身受弯时的抗裂性能(抗裂弯矩标准值)

预制实心方桩受弯时，桩身抗裂弯矩标准值的计算公式为：

Mcr,k=(σce+γftk)W0

(1)

根据式(1)计算所得的各桩型桩身抗裂弯矩标准值见表2。由表2可知，当实心方桩的截面确定后，增加非预应力钢筋的配筋(表中“加配预应力筋未张拉”相当于增加了非预应力钢筋的配筋量)仅能轻微增大桩身的抗裂弯矩，而一旦施加了预应力，桩身抗裂弯矩均出现了较大幅度的提高。由浙江大学土木工程测试中心所做对比试验的结果证实了以上结论(见表3)，且实测所得抗裂弯矩的提高幅度大于理论计算结果，这主要是因为未施加预应力的实心方桩的开裂弯矩实测值均比理论计算值低。

表2 预制实心方桩桩身抗裂弯矩理论值

表3 预制实心方桩试件开裂弯矩实测值 kN·m

2 桩身轴心受拉时的抗裂性能(抗裂拉力标准值)

一般认为，在轴心受拉时，整个桩身截面均匀受拉，桩身抗裂拉力标准值的计算公式为：

Ncr,k=(σce+ftk)A0

(2)

其中,Ncr,k为桩身轴心受拉时抗裂拉力标准值；A0为桩身截面换算面积，A0=An+(Ep/Ec)Ap+(Es/Ec)As，An，Ap，As分别为桩身截面中的净混凝土面积、预应力筋面积和非预应力筋面积；Ec，Ep，Es分别为混凝土、预应力筋和非预应力筋的弹性模量。

根据式(2)计算所得的各桩型桩身抗裂拉力标准值见表4。同样，由表4可知，当实心方桩的截面确定后，增加非预应力钢筋的配筋对提高桩身抗裂能力贡献甚微，而一旦施加了预应力，桩身抗裂拉力均出现了一定幅度的提高。

表4 轴心受拉时预制实心方桩桩身抗裂拉力理论值

表5 轴心受拉时预制实心方桩试件开裂拉力实测值

表5为浙江大学土木工程测试中心所做的对比试验的结果。该结果同样表明，在施加预应力后，实心方桩的桩身抗裂能力有明显提高，但提高幅度并无理论计算得出的结果大，这主要是因为施加预应力后试件实际测得的开裂拉力值均比理论计算值小，而未施加预应力构件实测的开裂拉力值不小于理论计算值。

在此提出一个假设：如图2所示，由于钢筋的分布不是全截面均匀分布，而是沿截面周边分布，使得钢筋周边区域的弹性模量较大，而截面核心区为纯混凝土区域，弹性模量较小，因此在实心方桩轴心受拉时，并不是整个桩身截面均匀受拉，而是主要由钢筋所在的区域(图2中阴影区)承受拉力，由此进一步假定在开裂临界状态，拉力完全由阴影区混凝土来承受，核心区混凝土不参与，即计算抗裂拉力时，用阴影区截面面积代替全截面面积，从而得到计算桩身抗裂拉力标准值的公式：

Ncr,k=(σce+ftk)Al

(3)

其中，Al为周边钢筋所在区域的面积，Al=B2-(B-4a)2，a=0.5[B-(Bs+Bp)/2]，B，Bs，Bp的含义见前文图1及表1。

根据式(3)计算所得的各桩型施加预应力后抗裂拉力标准值及对应桩型的开裂拉力实测值(见表6)，可见两者吻合得较好，但由于试验数据尚不充分，目前还无法判定上述假定及式(3)是否真正成立，后续需要更多试验结果来验证。

表6 根据式(3)计算值与实测开裂拉力的比较 kN

3 结语

1)理论计算和对比试验结果均表明：在加配预应力筋(即进行复合配筋)并施加预应力后，预制实心方桩的受弯抗裂性能和受拉抗裂性能均有明显的提升，从而证明进行复合配筋是改善现有预制实心方桩性能的一个有效方法，值得推广。

2)试验发现，复合配筋且施加预应力后，各预制实心方桩轴心受拉时的开裂拉力实测值均低于理论计算值。本文通过分析提出了新的计算假定及基于该假定的抗裂拉力计算公式。由新公式计算所得结果与现有试验结果吻合得较好，但需要更多的试验数据来验证。

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Abstract: According to the tests, the paper analyzes the pile crack-resistance performance of the pile bending and pile axial tensioning, and points out the prefabricated solid square pile is reinforced with the prestressed reinforcement based on the former reinforcement and it can bitterly improve the pile crack resistance.

Key words: prefabricated solid square pile, reinforcement, crack resistance, pile

Cracking resistance of prefabricated solid square pile with mixed reinforcement

Chen Xiaodong Zeng Kai

(ArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China)

2016-03-13

陈晓东(1980- )，男，工程师； 曾 凯(1986- )，男，工程师

1009-6825(2016)15-0070-03

TU473

A