2. 浙江大学 结构工程研究所, 浙江 杭州 310058
2. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
混凝土预制桩为工厂按照标准统一化生产, 由于制作、运输、打桩设备等的限制, 单节混凝土预制桩长度一般在15 m以内, 当承载力要求桩长较长时, 必须进行接桩处理.接桩后, 混凝土预制桩的承载力不仅与桩身质量密切相关, 而且与接头的连接性能相关.
近年来, 国内工程界和学术界对混凝土预制桩桩身和连接接头的承载力性能进行深入研究.李伟兴等[1]对标准图集中PHC管桩外贴钢板焊接的连接方法进行改进处理, 通过试验对比验证改进型接桩节点较标准型接桩节点在受力性能、施工工艺、焊接质量等方面均有明显改善.齐金良等[2]研发新型机械连接方式来确保竹节桩的连接可靠、施工快速, 并设计接桩时在桩端面放置密封材料以提高接头处的耐久性, 通过试验对比表明, 机械连接竹节桩的抗压、抗拔承载力显著优于普通预应力混凝土管桩.刘芙蓉等[3]开展预应力混凝土空心方桩焊接接头抗弯性能试验研究.结果表明, 焊接接头极限弯矩满足要求检验值, 端板形式和质量、焊缝质量对空心方桩焊接接头抗弯性能有重要影响.范钦建等[4]对预应力混凝土空心抗拔方桩内扣式机械接头进行轴心抗拉试验研究, 发现钢筋镦头和端板因应力集中而破坏是抗拔方桩接头的薄弱环节, 提出增加端板厚度和锚固筋数量来加强端板与桩身的连接强度.黄广龙等[5]对预应力混凝土管桩焊接接头开展抗弯承载力试验研究.结果表明, 受弯作用下端板与混凝土连接处开裂、主筋镦头断裂破坏, 常规焊接接头抗弯性能难以达到桩身强度要求, 应在接头处采取加强措施.郭杨等[6]提出新型的PHC抗拔管桩抱箍式连接方式.通过理论分析和实例计算可知, 该连接方式可以显著提高管桩的抗拔承载力, 连接处不易发生破坏, 且实用效果良好.张忠苗等[7-8]对配置非预应力螺纹钢筋预应力混凝土管桩和普通预应力混凝土管桩分别进行抗弯抗剪试验研究.结果表明, 非预应力螺纹钢筋的配置较大幅度改善了预应力混凝土管桩的抗弯性能, 明显减小桩身裂缝的长度和平均宽度, 较大幅度减小了管桩在剪力作用下的变形量.Akiyama等[9]对高强混凝土管桩进行内部注芯和表面黏贴碳纤维布的处理.通过试验表明, 采用这两种方法可以有效地提高管桩的抗弯承载力, 其中内部注芯的方法可以防止管壁混凝土发生破损后桩身承载力出现突然下降的情况.
徐铨彪等[10]创新研发了复合配筋混凝土预制方桩, 通过方桩试件足尺度抗弯性能试验说明了复合配筋混凝土预制方桩不仅具有良好的抗裂性能, 而且具有较好的抗弯承载力和变形延性.由于普通预应力管桩桩身连接接头抗拔能力以及承受水平荷载能力不足, 一些地区已经禁止预应力混凝土管桩用于抗拔桩和高层建筑.本文方桩连接采用增强型连接接头, 各节方桩之间采用端板焊接加绑焊角钢相结合的连接方式, 桩端板与非预应力钢筋的连接采用T形焊接.当非预应力钢筋直径不大于20 mm时, 采用压力埋弧焊；当钢筋直径大于20 mm时, 采用穿孔塞焊.针对上述连接接头, 通过一系列接头试件的足尺度抗弯性能试验, 研究方桩焊接接头的抗弯承载力、变形延性及破坏特征, 为该创新型方桩的设计和工程应用提供重要的依据.
1 试验概况 1.1 试件设计在接头抗弯性能试验中, 选取PRS400B、PRS450B、PRS500B三种桩型的方桩试件, 相应的几何尺寸和配筋规格如图 1和表 1所示.图中, B为方桩的边长, Bp为预应力钢筋中心点之间距离, Bs为非预应力钢筋中心点之间距离, ρs为纵向钢筋配筋率, te为端板厚度.
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图 1 方桩配筋示意图 Fig. 1 Schematic diagram of square pile reinforcement |
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表 1 试件的几何尺寸和配筋规格 Table 1 Geometric dimensions and reinforcement specifications of test specimens |
每种桩型制作3根接头试件, 配筋相同, 长度均为6.0 m, 由2根3.0 m长方桩通过接头连接而成.连接处采用以下抗拔桩接头的制作方法.首先在端板上的每根预应力筋附近塞焊1根锚固钢筋加强端板与混凝土的连接, 并在端板4角预埋角钢；然后把制作完成的2根方桩对齐, 将其端板对焊在一起；再通过4个长角钢绑焊预埋的角钢完成连接, 如图 2所示.各桩型方桩接头使用的角钢及锚固钢筋尺寸如表 2所示.表中, Le、Lw、La分别为预埋角钢长度、绑焊角钢长度、锚固钢筋长度.接头试件的生产采用通用工艺流程和技术要求, 预应力采用先张法施加, 张拉控制应力σcon根据国家标准[11]取钢筋抗拉强度标准值fptk=1 420 MPa的0.70倍.
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图 2 方桩接头示意图 Fig. 2 Schematic diagram of connection joint for squarepiles |
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表 2 角钢的几何尺寸和锚固钢筋规格 Table 2 Geometric dimensions of angle steel and standard specifications of anchoring reinforcement |
桩身混凝土标号为C50, 试件制作同时浇筑3个立方体标准试块, 两者在相同条件下养护.此后, 通过材料性能试验测得混凝土立方体抗压强度fcu, 并换算得到轴心抗压强度fc和抗拉强度ft, 如表 3所示.
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表 3 混凝土强度试验值 Table 3 Experimental values of concrete strength |
桩身中非预应力钢筋采用HRB400级螺纹钢筋, 预应力钢筋采用低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒, 通过拉伸试验测得螺纹钢筋屈服强度fy、弹性模量En和预应力钢棒极限抗拉强度fpt、弹性模量Ep, 如表 4和5所示.箍筋采用混凝土制品用甲级冷拔低碳钢丝, 抗拉强度标准值fstk根据技术规程[12]取为550 MPa.预埋角钢和连接角钢均采用Q235钢, 屈服强度标准值按照规范[13]取为235 MPa.
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表 4 非预应力钢筋抗拉强度及弹性模量试验值 Table 4 Experimental values of tensile strength and elastic modulus for non-prestressed reinforcements |
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表 5 预应力钢筋抗拉强度及弹性模型试验值 Table 5 Experimental values of tensile strength and elastic modulus of prestressed reinforcements |
试验加载装置参考国家标准[14-15]进行设计, 使用YAW-10000F型微机控制电液伺服多功能试验机对方桩试件进行加载, 如图 3所示.当观测到桩身主裂缝宽度达到1.5 mm后, 加载方式将转换为位移加载, 最终以方桩试件受拉区钢筋断裂、受压区混凝土压碎或接头连接失效作为终止加载的条件.
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图 3 接头试件抗弯试验加载示意图 Fig. 3 Loading sketch of bending test for connection joint specimens |
采用数字位移计测量挠度.应变测点的布置如图 3所示, 桩身上靠近接头处各布置5个测点；此外, 在4个连接角钢上各布置1个测点, 混凝土应变采用50 mm×3 mm型电阻应变片测量, 角钢应变采用5 mm×3 mm型电阻应变片测量, 采集装置使用DH3816静态应变测试系统.裂缝宽度测读采用DJCK-2型裂缝测宽仪, 裂缝分布及发展记录采用数码摄像装置.分配梁悬挂于加载头, 自重计入集中荷载P中.根据上述加载方式, 考虑到桩身自重, 方桩试件跨中截面弯矩可以计算为
| ${M^{\rm{t}}} = \frac{p}{4}\left( {\frac{3}{5}L - 1.2} \right) + \frac{1}{{40}}WL.$ | (1) |
式中：Mt为方桩试件跨中截面弯矩试验值, L为试件长度, W为试件自重.
3 试验结果及分析 3.1 破坏情况施加荷载初期, 方桩接头试件基本处于弹性阶段, 试件各截面应变和跨中挠度都很小, 且基本成线性增长；出现第一条裂缝后, 方桩接头试件抗弯刚度开始下降；此后, 裂缝数目逐渐增多, 裂缝高度和宽度不断增大, 试件跨中挠度增长加快；随着继续加载, 方桩接头试件发生破坏, 承载力下降.
方桩接头试件破坏形式有两种.一种为方桩桩身正截面抗弯破坏, 在达到破坏荷载时, 方桩的受拉区预应力钢筋达到极限抗拉强度而被拉断, 发出较大清脆的崩断声, 部分受压区混凝土压碎, 试件承载力下降, 不能继续承担荷载, 破坏形式如图 4所示.PRS400B桩型3根、PRS450B和PRS500B桩型各1根试件发生此类破坏.另一种为端板与方桩桩身连接破坏, 在达到破坏荷载时, 方桩端板处受拉区预应力钢筋的墩头被拉断, 同时锚固钢筋从端板上拔出, 伴随着较大而清脆的崩断声, 破坏形式如图 5所示.PRS450B和PRS500B桩型各2根试件发生该破坏形式, 此类破坏不符合桩身连接接头破坏不应先于构件破坏的原则, 端板与方桩纵筋的连接方式有待改善加强.
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图 4 桩身正截面抗弯破坏 Fig. 4 Flexural failure of pile body |
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图 5 端板与桩身连接破坏 Fig. 5 Connection failure between end-plate and pile body |
如图 6所示为各试件荷载-跨中挠度曲线, 在加载至破坏前同桩型的3根方桩接头试件的荷载-跨中挠度f曲线重合较好, 抗弯刚度基本相近, 试件离散性小.当到达破坏荷载时, 方桩接头试件由于不同的形式而表现不同的延性性能, 与发生端板与桩身连接破坏的试件相比, 发生桩身抗弯破坏的试件跨中挠度更大, 延性更好.
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图 6 试验测得的荷载-跨中挠度曲线 Fig. 6 Experimental measured load-deflection curves at mid-span |
表 6分别给出各方桩接头试件极限抗弯承载力的试验结果Mut和桩身极限抗弯承载力规范[16]经验公式的计算值Mu.采用规范公式计算时, 材料强度取同批次混凝土试块、普通螺纹钢筋和预应力钢棒试验平均值.方桩接头试件的极限抗弯承载力试验值远大于规范公式计算的桩身极限抗弯承载力, 且都大于50%以上.在试验过程中, 方桩接头的连接角钢及焊缝均未见破坏, 说明接头的极限抗弯承载力满足方桩抗弯设计要求, 且具有一定的抗弯承载力富余度.
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表 6 抗弯极限承载力试验结果与规范公式计算值对比 Table 6 Comparison of ultimate flexural capacity between experimental results and calculated values from specification formula |
图 7给出PRS400B桩型方桩接头试件裂缝分布示意图.3根方桩接头试件分别在荷载达到106.5、129和106.5 kN时出现第1条裂缝, 试件破坏时裂缝分布于跨中两侧-1 100~1 000 mm范围内.裂缝分布较紧密, 裂缝竖向发展分叉较多, 部分裂缝交错在一起.
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图 7 PRS400B方桩接头试件裂缝分布 Fig. 7 Crack distribution of connection joint specimens for PRS400B square pile |
图 8给出PRS450B桩型方桩接头试件裂缝的分布示意图.3根方桩接头试件分别在荷载达到169.0、169.0和138.5 kN时出现第1条裂缝, 试件破坏时裂缝分布于跨中两侧-1 200~1 100 mm范围内, 裂缝分布较紧密, 裂缝竖向发展分叉较多, 部分裂缝交错在一起.
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图 8 PRS450B方桩接头试件裂缝分布 Fig. 8 Crack distribution of connection joint specimens for PRS450B square pile |
图 9给出PRS500B桩型方桩接头试件裂缝分布示意图.3根方桩接头试件分别在荷载达到209.0、170.0和209.0 kN时出现第1条裂缝, 试件破坏时裂缝分布于跨中两侧-1 200~1 200 mm范围内, 裂缝分布较紧密, 裂缝竖向发展分叉较多, 部分裂缝交错在一起.
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图 9 PRS500B方桩接头试件裂缝分布 Fig. 9 Crack distribution of connection joint specimens for PRS500B square pile |
如图 10~15所示分别为PRS400B、PRS450B和PRS500B 3种桩型方桩接头试件桩身混凝土应变及连接角钢应变随荷载的发展变化曲线.图中，ε为应变.
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图 10 PRS400B方桩接头试件截面混凝土应变发展 Fig. 10 Concrete strain development of cross-section for PRS400B square pile connection joint specimens |
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图 11 PRS450B方桩接头试件截面混凝土应变发展 Fig. 11 Concrete strain development of cross-section for PRS450B square pile connection joint specimens |
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图 12 PRS500B方桩试件截面混凝土应变发展 Fig. 12 Concrete strain development of cross-section for PRS500B square pile connection joint specimens |
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图 13 PRS400B方桩接头试件截面角钢应变发展 Fig. 13 Angle steel strain development of cross-section for PRS400B square pile connection joint specimens |
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图 14 PRS450B方桩接头试件截面角钢应变发展 Fig. 14 Angle steel strain development of cross-section for PRS450B square pile connection joint specimens |
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图 15 PRS500B方桩接头试件截面角钢应变发展 Fig. 15 Angle steel strain development of cross-section for PRS500B square pile connection joint specimens |
从混凝土应变的发展变化可以看出, 在裂缝出现之前, 各截面应变测点的混凝土应变均成线性增长, 应变都非常小；在裂缝出现后, 受拉区混凝土应变急剧增长, 部分应变片由于超出量程或拉坏而过早退出工作, 导致测点失效；受压区混凝土应变持续稳定增长, 增长速度有一定的增加, 且受竖向裂缝开展的影响较小, 当试件达到破坏荷载时, 混凝土应变基本都达到0.002.
从角钢应变发展变化可以看出, 跨中截面受拉区角钢应变从加载开始到试件破坏一直发展较缓慢, 应变较小；跨中截面受压区角钢应变前期稳定增长, 当接近破坏荷载时, 应变急剧增加；当达到破坏荷载时, 除了PRS400B方桩, 其他桩型接头试件受压区角钢应力都已达到屈服强度的标准值.
4 结论(1) 各桩型方桩接头试件测得的极限抗弯承载力试验值远大于采用规范经验公式计算得到的方桩桩身极限抗弯承载力, 且都大于50%以上.
(2) 方桩接头试件破坏时, 裂缝分布较紧密, 裂缝竖向发展分叉较多, 部分裂缝交错在一起.
(3) 方桩接头试件破坏形式有两种：桩身正截面抗弯破坏、端板与桩身连接破坏, 发生桩身正截面抗弯破坏的接头试件具有更好的承载能力和变形性能.
(4) 当方桩接头试件达到破坏荷载时, 试件受压区混凝土压应变普遍大于0.002, 混凝土压应力达到极限抗压强度；除了PRS400B方桩, 其他桩型接头试件受压区角钢应力都已达到屈服强度标准值.
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