预应力混凝土管桩抗弯与抗剪性能的创新研究

严 杰

（上海建科检验有限公司，上海 201109）

预应力混凝土管桩是一种将预应力技术和离心成型工艺相结合的环形预制混凝土桩，其特点是竖向承载力高，耐久性好，桩身质量可靠。随着我国土木工程建设的蓬勃发展，预应力混凝土管桩已广泛应用于高层建筑和公共建筑，成为了我国最常选用的桩型之一。但在预应力混凝土管桩的实际应用中，尤其是在一些典型的工程事故中，管桩抗弯与抗剪性能差的问题就显露出来了。当前，为了提高预应力混凝土管桩的抗弯、抗剪承载力，工程上主要采用灌注混凝土芯筒等措施，但这种方法耗时长、污染大，效果不甚理想。本文通过采用主筋（或箍筋）加强的方法，对普通预应力混凝土管桩进行了抗弯和抗剪承载力改进，研制出一种新型预应力混凝土管桩。本文通过对增加普通螺纹钢筋（箍筋）结构的预应力混凝土管桩与普通性管桩在受力和破坏特性等方面进行原型试验，对比分析了两者之间的差异，证明了这种新型管桩在抗弯、抗剪性能方面的优越性。

1 试验概括

本次抗弯与抗剪试验是一种破坏型试验，终止试验的条件是试验桩的完全断裂破坏。其中内力（应力）分布、挠度变化、裂缝形成及断裂行为是主要因素。

本次试验桩数量总计9根，其中普通型管桩共4根，型号600（110）A和600（110）AB各2根；主筋加强型管桩共4根，型号600（110）A和600（110）AB各2根；主筋和箍筋同时加强型管桩1根，型号600（110）AB。以上9根预应力高强混凝土管桩（PHC）作为原型桩，进行现场原型试验。试验桩其生产制作和技术要求符合《先张法预应力混凝土管桩》（GB/T13479--2009）。

2 试验装置和试验桩制备

本试验台参照国家有关标准和上海市有关规定制作。位移测量采用5cm型数字位移计测量变形，应变测量采用100mm×3mm电阻应变片测量变形，采集设备采用DH3815N分布式应变测量系统；裂缝宽度测量采用ZBL-F130型裂缝宽度测量仪，裂缝分布与发展记录采用数字摄像装置和毫米方格纸记录。弯曲和剪切试验的装置也是类似的，区别只在于支架的间距和试验元件的安装位置。图1所示为抗弯试验装置；图2所示为抗剪试验装置，图中试验桩变截面位置作了一些调整。

图1抗弯试验装置示意图（a正面，b侧面）

图2抗剪试验装置示意图（a正面，b侧面）

试验的加载方式根据《先张法预应力混凝土管桩》 （GB/T13479--2009）确定。在试验过程中，研究了桩身的三种临界状态：开裂状态，即桩身开裂；破坏（极限）状态，即裂缝宽度达1.5mm或受拉钢筋断裂或受压区混凝土破坏；断裂状态，即桩身完全断裂，失去承载能力。

主筋加强型管桩与普通型管桩区别在于：采用相同数量的预应力钢筋，然后在同一时间生产，两者的生产工艺大致相同，但区别在于钢筋笼的加工，主筋加强型管桩钢筋骨架制作见图3，其在预应力钢筋处增加了7根直径16mm普通螺纹钢筋并同一截面均匀设置。

主筋箍筋同时加强型与主筋加强型管桩区别在于：螺旋箍筋加强结构（箍筋全加密布置，箍筋间距45mm）。

图3 主筋加强型管桩钢筋骨架的制作

3 试验结果及分析

3.1 600（110）A普通型及主筋加强型管桩抗弯性能对比

研究发现，采用主筋加强型管桩在跨中约3m内裂缝分布均匀，竖向主裂缝19条，平均长度26cm，跨中长、两端短分布；普通型管桩裂缝较少，主要集中在跨中2.4m内，平均长度39cm，裂缝长度明显大于主筋加强型管桩。

当裂缝（荷载125kN）出现和破坏（荷载200kN，裂缝达到1.5mm）发生时，普通管桩的跨中挠度分别为4.59mm和15.55mm，而主筋加强型管桩的跨中挠度只有3.98mm和9.33mm，分别为普通型管桩的87%和60%。

两种管桩的最大应力基本上都在跨中的纯弯截面上，而在超出这一范围的局部（如普通管桩的“8应变片”）上也会出现应力突然增加的现象，其主要原因是在加载过程中出现了较弱的质量或缺陷以及应力集中。结果表明，原来裂缝中间和桩间界面上的应力均较小。裂缝发生前跨中界面的应变基本符合平面截面假定，裂缝发生后中性轴上移，混凝土的应变明显增大。

试验采用的普通型管桩的抗弯性能明显优于规范参考值。600（110）A普通螺纹钢筋的加入明显改善了管桩的抗弯承载力，相比普通型管桩，主筋加强型管桩的极限弯矩提高43%，抗裂弯矩提高44%。

3.2 600（110）AB普通型及主筋加强型管桩抗弯性能对比

钢筋结构对600（110）AB型管桩抗弯性能的影响与600（110）A型管桩抗弯性能的影响比较接近。由于采用了增加普通螺纹钢筋结构，在抗弯试验中，管桩裂缝分布较广，数量较多，但长度稍短。600（110）AB主筋加强型管桩在跨中两侧约1.5m处出现裂缝，断裂时主要竖向裂缝为13条，平均长度为37cm，跨中附近裂缝宽度明显大于两端裂缝；普通型管桩产生裂缝8条，集中在跨中两侧约2.5m处，平均长度为43cm，跨中附近裂缝宽度明显大于两端裂缝。

当裂缝（荷载170kN）出现和破坏（荷载290kN，裂缝达到1.5mm）发生时，600（110）AB普通管桩的跨中挠度分别为4.91mm和25.25mm，而主筋加强型管桩的跨中挠度只有4.68和15.64mm，分别为普通型管桩的分别为95%和62%，跨中挠度下降的幅度小于600（110）A试验的结果。

开裂前桩身各部位的应力基本呈线性变化，开裂后跨中附近应力发生突变。结果表明，裂缝出现前跨中界面的应变变化基本符合平截面假定，裂缝出现后中轴线明显上移。

在PHC600（110）AB对比试验中，相比普通型管桩，极限弯矩和抗裂弯矩分别提高31%和26%，抗弯承载力提高幅度小于600（110）A的试验结果。

3.3 600（110）A普通型及主筋加强型管桩抗剪性能对比

600（110）A普通型混凝土管桩在剪切试验后期加载过程中，混凝土上部边沿在水平方向上呈45°方向分布，裂缝向外延伸约0.5m，在跨中右端约20cm处出现了垂直断裂，基本上是弯断断裂的特征。主筋加强型管桩在剪切试验后期加载过程中出现的裂缝比普通型管桩多，在跨中右端约1.5m处出现的裂缝大致是横竖交错的网状，在此范围外出现45°斜断裂。在中轴高度水平方向和粗略方向的管桩断裂中，观察到其中一组预应力主筋和一组螺纹钢筋处于断裂的位置，表明主筋和混凝土的接触面是一个薄弱部位。

在600（110）A普通型和主筋加强型管桩的桩身变形发展过程中，普通型管桩的跨中变形明显大于两端，破坏时跨中位移达10.87mm。而在主筋加强型管桩中，每根管桩的变形都是以向下的位移为主，呈现出明显的“扁平化”趋势，可见普通螺纹钢筋的加入提高了桩身的整体刚度，在相同荷载下跨中变形明显小于普通型管桩。在裂缝（加载至890kN）出现、破坏（加载至1215kN、裂缝达1.5mm）发生时，600（110）A普通型管桩的跨中变形分别为6.29和10.87mm，而在以上两级荷载作用下，主筋加强型管桩的跨中变形仅为4.77mm和6.91mm，分别为普通型管桩的76%和64%。在抗剪试验中，管桩的轴向应力主要集中在剪弯段中轴水平截面以下的部分。

从图4中可以看出，加入普通螺纹钢筋后对混凝土管桩的抗剪承载力有一定的改善，破坏剪力和断裂剪力分别提高了19.7%和23.4%，但抗剪性能的提高幅度远小于抗弯性能的改善。因此普通螺纹钢筋的配置对管桩的抗剪性能并没有明显改善。

图4 600（110）A各类型管桩抗剪性能对比

3.4 600（110）AB普通型、主筋加强型和主筋箍筋同时加强型管桩抗剪性能对比

在600（110）AB普通型、主筋加强型和主筋箍筋同时加强型管桩中，裂缝分布有一定的相似性：受力部位和支座之间的剪切应力占主导地位的剪弯部分，内裂缝呈约45°方向，支座之间裂缝呈中轴高度附近的水平向裂缝，下部为一定数量的垂直裂缝。在600（110）A普通型和主筋加强型管桩中，其断裂特征相似，从120cm的管桩跨中段下边缘45°向上延伸至中轴，再沿中轴水平贯穿，多个螺旋箍筋被拉断。在600（110）AB主筋箍筋同时加强型管桩破坏时，出现了大约为30°左右的剪切破碎带，其宽度约为10 cm。结果表明明显的箍筋加密形式限制了管桩的“扁化”倾向，管桩的破坏表现为标准的斜剪破坏特征。

通过对600（110）AB普通型、主筋加强型和主筋箍筋同时加强型管桩进行变形位移发展分析，发现600（110）AB普通型管桩在破坏时，跨中变形量为12.22mm，而该级主筋加强型和主筋箍筋同时加强型管桩的跨中变形量仅为8.33mm和4.24mm，分别减少32%和65%，表明螺纹箍筋加密结构可以大大降低剪切荷载作用下的位移，提高了预应力混凝土管桩的抗变形能力。

在抗剪试验中，管桩的应力发展过程表明轴向应力主要集中在剪切弯段的中轴水平截面以下，而主筋箍筋同时加强型管桩的环向应力是拉应力，且明显大于同一位置的轴向应力，表明主应力方向更接近于环向，导致裂缝应更接近于水平方向，这与试验中裂缝和剪碎带大致呈30°左右的结果比较一致。

从图5可以看出，对于600（110）AB管桩，采用更多螺旋箍筋对其进行加密处理，并不能提高管桩的抗剪承载力（包括抗裂剪力、破坏剪力和断裂剪力）。

图5 600（110）AB各类型管桩抗剪性能对比

4 结语

对新型预应力混凝土管桩进行了一系列现场原型试验，并对其抗弯与抗剪性能进行了对比研究。

1）采用普通螺纹钢筋加强结构，能大幅度提高预应力混凝土管桩的抗弯性能。在相应荷载作用下，PHC600（110）A型管桩的极限弯矩和抗裂弯矩分别提高43%和44%，跨中弯矩分别降低13%和40%；PHC600（110）AB型管桩的极限弯矩和抗裂弯矩分别提高31%和26%，跨中弯矩分别降低5%和38%。

2）加入普通螺纹钢筋使得桩身裂缝的长度和平均宽度明显减少，但裂缝的分布范围和数量有所增加；桩身的主要应力分布在跨中纯弯段，裂缝出现前跨中界面应变基本符合平截面假定，裂缝出现后中性轴上移。

3）普通螺纹钢筋的配置大大降低了管桩在剪力作用下的变形量，提高管桩的抗变形能力。PHC600（110）A型管桩在裂缝发生和破坏发生时荷载作用下的最大变形量分别减少24%和36%；主筋箍筋同时加强型的PHC600（110）AB型管桩在破坏时跨中的最大变形量大幅减少65%，说明螺旋箍筋的全加密结构能进一步提高管桩的抗变形能力。

4）采用普通螺纹钢筋（或箍筋）加强组合时，预应力混凝土管桩的抗剪承载力没有明显提高，但改变了桩身的应力、裂缝分布规律及断裂特性。