大直径预应力桩弯剪性能试验研究

忻俊杰

(浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310000)

1 概述

随着经济社会的发展，建筑行业也在飞速的发展。随着建筑高度的不断提升，无论是由风荷载、地震荷载引起的水平荷载还是基坑支护工程中土体等造成的水平荷载都对预应力混凝土桩的抗弯抗剪性能有了更高的要求[1-5]。通过足尺试验分析了预应力桩与普通桩抗弯抗剪性能的差异，主要对预应力桩抗弯抗剪承载力、裂缝分布以及应变发展进行了分析。

2 试验方案

2.1 试验用预应力桩

对4根混凝土桩进行抗弯抗剪试验，其中试验桩编号KW10A(未施加预应力)和KW10B(施加预应力)用于测试大直径桩的抗弯特性，而编号为KJ6A(未施加预应力)和KJ6B(施加预应力)用于检测桩体的抗剪特性。试验用预应力桩的基本几何参数如表1,表2所示，其配筋情况如图1所示。需要说明的是，实验使用的预应力钢绞线的直径为15.2 mm，其张拉控制应力取钢绞线抗拉强度标准值fy=1 860 kPa的0.7倍。

表1 抗弯试验预应力桩参数

表2 抗剪试验预应力桩参数

2.2 试验装置

试验采用杭州邦威机电控制工程有限公司生产的电液伺服加载系统，如图2所示。其单组的加载能力为1 000 kN，每组试验采用两组伺服器进行加载。

图3,图4为试验过程中应变片、位移计以及加载点的布置情况。

2.3 试验过程

对于桩的受弯性能试验，采用单调分级加载方式，每级加载时间间隔为15 min。为检查仪器仪表读数是否正常，在正式加载前需要测试加载，测试加载所用的荷载为分级荷载的前2级。

开始试验后，首先进行测试加载，为防止桩在测试加载期间产生裂缝，该阶段的荷载量控制在桩受弯开裂荷载的70%以内，分3级加载，每级稳定时间为1 min，继而分级卸载。测试加载中需要检查各个仪表读数的工作状况是否良好，测试结束后，重新调整读数并记录初始数据。

3 抗弯试验结果分析

3.1 抗弯承载力

图5为各试件荷载—跨中挠度曲线，表3给出了2个试件极限弯矩Mu的试验结果和承载力计算结果。从图中可知，在加载开始时，预应力混凝土实心圆桩试件因采用预应力技术的原因，其刚度略大于传统(未施加预应力)混凝土实心圆桩试件，随着跨中位移的增大，两个试件的刚度差距变大，极限弯矩相差约11.6%。表3给出了两个试件试验结果和规范公式计算结果的对比。施加预应力试件的极限荷载试验值与规范中公式所得参考值略大，而预应力试件的试验值比参考值增大了约15%。同时施加预应力混凝土实心圆桩的刚度明显大于未施加预应力的混凝土构件，其极限弯矩也比未施加预应力的构建增大了约10%。以上分析数据均能说明新型桩在抗弯承载力方面符合设计要求，并优于传统的混凝土实心圆桩试件。

表3 抗弯承载力规范公式计算结果与试验结果对比 kN/m

在加载初期，试件均处于弹性变形阶段，跨中挠度与荷载值呈现线性关系。当荷载加载至纯弯段时，试件产生首条裂缝，同时其抗弯刚度开始逐渐下降。相比较而言，试件KW10A的刚度退化更加明显。随着荷载的继续增大，试件竖向裂缝数目继续增多，同时裂缝的尺寸也不断增大。当纯弯段的主裂缝宽度达到1.5 mm后，停止加载并结束试验。

3.2 裂缝分布

图6给出了试件KW10A和试件KW10B竖向裂缝的产生和发育分布图。当荷载加载至124 kN时，KW10A试件出现第一条裂缝，随着荷载的增加，裂缝数量逐渐增加。当加载至392 kN时，跨中附近的裂缝宽度达到1.5 mm，此时试件裂缝分布于跨中两侧约-1 500 mm～1 300 mm之间。观察裂缝分布可得，试件桩身裂缝分布稀疏且间距较为均匀，同时裂缝竖向发展的分叉较多，截至试验结束，桩身主要裂缝发展数目为4条。对于KW10B试件而言，当荷载加载至201 kN时，试件出现第一条裂缝，进而在加载至439.8 kN时跨中附近裂缝宽度达到1.5 mm，试件裂缝分布于跨中两侧约-1 000 mm～1 000 mm之间。裂缝分布稀疏且间距较为均匀，裂缝竖向发展的分叉较KW10A试件更少，主要裂缝发展数目为3条。

由于桩身尺寸过大，试验以圆桩试件桩身混凝土产生的主裂缝宽度达到1.5 mm即作为加载终止条件。当试验结束后，对比裂缝分布图容易得到，与传统(未施加预应力)混凝土圆桩试件相比，预应力圆桩试件的裂缝数目更少，其裂缝分布范围更小且产生的间隔更均匀。因此施加预应力提升了圆桩抗裂弯矩并显著增强了其抗裂性能。当裂缝宽度达到1.5 mm后，两个试件都还具有很高的强度。

3.3 应变发展

图7为KW10A试件和KW10B试件跨中界面应变随荷载的发展变化。在加载初期即裂缝出现之前，两根圆桩跨中截面的应变增长均较为缓慢，随着加载的进行，应变水平均呈现线性变化。通过观察两者的应变变化过程得出，圆桩试件在裂缝出现前，其截面应变符合平截面的假设。随着后续荷载的增加，圆桩试件开始产生裂缝。在裂缝产生后，桩身跨中受拉区部分应变快速增加。在本次实验中，部分应变片受量程所限以及受拉破坏而无法进行后续测量工作，导致本次实验部分测量数据无法观测。随着荷载的继续增加，截面中性轴不断上移，桩身原有裂缝继续发展并产生新的裂缝，同时裂缝尺寸(宽度、长度)增加，并出现分叉。部分受拉区测点应变由于超过量程等原因出现失真情况，而受压区混凝土应变保持稳定增长，其受到竖向裂缝的影响较小。直至试件主裂缝宽度达到1.5 mm时，停止加载并结束试验。

对于试件受拉区的应变测点，大约有一半应变值都在竖向裂缝产生后快速增长或由于断裂破坏而失效，从未断裂的应变片采集得到的数据可知，这些测点对裂缝产生与发展较为敏感，但是也存在个别测点应变值变化缓慢或基本不变化。相较于受拉区应变的剧烈变化，受压区混凝土应变测点受裂缝开展影响较小，测得的压应变较为稳定，普遍能达到0.000 5。

4 抗剪试验结果分析

4.1 抗剪承载力

图8为各试件荷载—跨中挠度曲线，表4给出了两个试件斜截面开裂剪力Vcr和极限抗剪承载力Vu的试验结果和公式计算结果。

表4 抗剪承载力试验结果与规范公式计算结果对比 kN/m

从图8中可知，随着跨中位移的增大，预应力混凝土实心圆桩试件的刚度与传统构件相比略有增强。而从表4可得，与抗弯承载力类似的，未施加预应力试件的开裂剪力试验值与规范中公式所得参考值略大，而预应力试件的试验值比参考值增大了约25.5%。以上分析数据均能说明新型桩在斜截面抗剪承载力方面符合设计要求，并优于传统配筋的混凝土实心圆桩试件。

在加载初期，试件均处于弹性变形阶段，荷载与跨中挠度基本呈现线性变化。随着荷载的继续增大，试件KJ6A出现第一条裂缝，其抵抗变形刚度开始逐步降低。直至试验停止加载，试件KJ6B仍未出现斜裂缝。因此表明两桩的抗剪承载力均符合设计，使用预应力技术的混凝土实心圆桩的刚度略高于普通混凝土实心圆桩，且预应力圆桩抗剪性能有显著提高。

4.2 裂缝分布

图9给出了试件KJ6A和KJ6B的裂缝分布示意图。从图9可知，在荷载加载至633 kN时，试件KJ6A出现第一条裂缝，随着荷载的增加随后又出现了2条裂缝并最终达到1 mm的宽度。而试件KJ6B直至荷载达到981 kN时在跨中位置出现第一条裂缝。

4.3 应变发展

从混凝土应变发展变化(如图10所示)中可以看出，裂缝出现之前，各截面应变测点的混凝土应变均呈现缓慢线性增长，同时应变水平较低。随着荷载的增加，应变增量也逐渐变大，当KJ6A试件裂缝出现后，其2号、3号应变片的应变急剧增长。从图10可知，预应力混凝土实心圆桩弯剪段所受的最大压应变远小于普通混凝土实心圆桩，可以推测，相比未施加预应力混凝土实心圆桩试件，预应力混凝土实心圆桩试件开裂剪力更大，裂缝宽度发展更慢。因此，施加预应力显著提高了实心圆桩的抗裂性能。

5 结论

通过对采用大直径预应力混凝土实心圆桩与均匀配置钢筋的混凝土实心圆桩进行足尺寸抗弯抗剪性能试验，通过对两种类型混凝土实心圆桩试件进行对比研究，得出结论如下：1)较传统的(未施加预应力)混凝土圆桩试件，新型混凝土实心圆桩(施加预应力)产生的裂缝数目更少且裂缝间距较为均匀，裂缝竖向发展的较为垂直。利用钢绞线施加预应力提高了圆桩的抗裂性能。2)大直径预应力混凝土实心圆桩试件的极限抗弯承载力试验值与未施加预应力试件的极限抗弯承载力相比，增大了约10%。施加预应力使其抗弯能力有所提升。3)未施加预应力试件的开裂剪力试验值比规范中公式所得参考值略大，而预应力试件的试验值比参考值增大了约25.5%。新型预应力桩在斜截面抗剪承载力方面符合设计要求，并优于传统配筋的混凝土实心圆桩试件，其抗剪承载力有所提高。