預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁體抗彎試驗(yàn)研究

龍絳珠，王 鳳

(福州大學(xué)陽(yáng)光學(xué)院，福州 350015)

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁具有單樁豎向承載力高、企業(yè)化生產(chǎn)、運(yùn)輸綁扎方便、施工速度快和質(zhì)量性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑工程、道路橋梁和港口工程等土建工程中，成為國(guó)內(nèi)選用較多的一種樁型。目前針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁體材料承載性能和樁接頭抗彎承載力已有很多研究成果，對(duì)于樁體的抗彎承載力研究相對(duì)較少，本文在結(jié)合原型試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗彎承載力進(jìn)行分析。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗彎承載力試驗(yàn)

本試驗(yàn)選取的樁為邊長(zhǎng)300mm內(nèi)徑、150mm(KFZ－A300(150)－10)和邊長(zhǎng) 400mm、內(nèi)徑240mm(KFZ－A400(240)－10)的兩組A型預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，樁長(zhǎng)皆為10m。

1.1 試驗(yàn)條件

抗彎試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范《預(yù)應(yīng)力離心混凝土空心方樁》(JCT2029－2010)要求，具體試驗(yàn)加載裝置采用簡(jiǎn)支梁對(duì)稱，使用DH3815N分布式靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，采用100mm*3mm型電阻應(yīng)變片;裂縫寬度采用ZBL－F101型裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)讀;裂縫分布及發(fā)展的記錄采用數(shù)碼攝影像裝置及毫米方格紙，如圖1所示。

圖1 抗彎試驗(yàn)示意圖

1.2 試驗(yàn)計(jì)算公式

式中:M為抗彎彎矩，kN·m;

W為預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁重量，kN;

L為預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁長(zhǎng)度，m;

P為荷載(包含設(shè)備重量在內(nèi))，kN;

b為1/2的加載跨距，m。

2 抗彎承載力試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗彎試驗(yàn)承載力結(jié)果分析

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在豎向荷載作用下的抗彎承載力及極限承載力見表1。

在表1中，S1樁的規(guī)范抗裂彎矩為31kN·m，試驗(yàn)加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.19倍時(shí)出現(xiàn)第1條裂縫，將此時(shí)所對(duì)應(yīng)的彎矩值確定為實(shí)測(cè)的抗裂彎矩門檻值，當(dāng)加載至極限彎矩值45kN·m的1.11倍時(shí)裂縫寬度達(dá)到1mm，本文將其所對(duì)應(yīng)的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實(shí)測(cè)的抗裂彎矩和極限彎矩分別為37kN·m和50kN·m;表中S2樁的規(guī)范抗裂彎矩為31kN·m，實(shí)際試驗(yàn)加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.16倍時(shí)出現(xiàn)第1條裂縫，所對(duì)應(yīng)的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當(dāng)加載至極限彎矩值45kN·m的1.13倍時(shí)裂縫寬度達(dá)到1mm，本文將其所對(duì)應(yīng)的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實(shí)測(cè)的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為36kN·m和51kN·m;表中S3樁的規(guī)范抗裂彎矩為80kN·m，當(dāng)加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.18倍時(shí)出現(xiàn)第1條裂縫所對(duì)應(yīng)的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當(dāng)加載至極限彎矩值108的1.3倍時(shí)裂縫寬度達(dá)到1mm，本文將其所對(duì)應(yīng)的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實(shí)測(cè)的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為94kN·m和140kN·m;表中S4樁的規(guī)范抗裂彎矩為80kN·m，當(dāng)加載至抗裂彎矩規(guī)范值的1.19倍時(shí)出現(xiàn)第1條裂縫，所對(duì)應(yīng)的彎矩值為該樁的抗裂彎矩門檻值，當(dāng)加載至極限彎矩值108kN·m的1.3倍時(shí)裂縫寬度達(dá)到1mm，本文將其所對(duì)應(yīng)的彎矩值確定為抗裂極限彎矩值，因此實(shí)測(cè)的抗裂彎矩門檻值和極限彎矩分別為95kN·m和140kN·m。

表1 空心方樁抗彎試驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可以得出，本試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均比規(guī)范值大，因此說(shuō)明規(guī)范值比較保守，偏于安全，未能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎性能，如圖2所示。

圖2 抗彎性能對(duì)比圖

通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析得出的試驗(yàn)值與規(guī)范值比值的平均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)方差及變異系數(shù)見表2。

表2 空心方樁抗彎承載力試驗(yàn)值與規(guī)范值的比較

從表2分析可知:抗裂彎矩門檻值試驗(yàn)值與規(guī)范值之比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為1.18、0.01 和 0.008，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.01，變異系數(shù)為0.008，說(shuō)明采集的試驗(yàn)值樣本波動(dòng)性較小，試驗(yàn)樁抗彎承載性能穩(wěn)定。同時(shí)從表中還可以得出極限彎矩試驗(yàn)值與規(guī)范值之比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為 1.20、0.1 和 0.083，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.1，變異系數(shù)為0.08，由于試驗(yàn)樁體處于極限破壞狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，較抗彎彎矩門檻值波動(dòng)性大。但由于極限彎矩試驗(yàn)值與規(guī)范值之比的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)依然處于較小值，說(shuō)明采集的試驗(yàn)值樣本波動(dòng)性較小，試驗(yàn)樁極限抗彎承載性能相對(duì)比較穩(wěn)定。同時(shí)也說(shuō)明抗彎承載力與極限承載力有較好的安全儲(chǔ)備。

分析其原因:規(guī)范值計(jì)算公式(1)未考慮有關(guān)離心生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，空心方樁離心成型的生產(chǎn)工藝與普通的混凝土預(yù)制構(gòu)件的澆筑方法有很大不同，離心成型使樁體混凝土部分有一定的分層現(xiàn)象，一般內(nèi)部主要是水泥砂漿，外層以碎石居多，在抗彎過(guò)程中除預(yù)應(yīng)力鋼筋抗彎作用外，外層的碎石與水泥漿體的膠結(jié)作用也具有一定的抗彎能力，而普通混凝土預(yù)制構(gòu)件由于其相對(duì)比較均勻，削弱了外層碎石的抗彎能力。因此在分析離心成型工藝的混凝土抗彎強(qiáng)度時(shí)需進(jìn)行修正，本文擬采用抗彎強(qiáng)度修正系數(shù)k，以達(dá)到在具備一定安全儲(chǔ)備的條件下，充分發(fā)揮建筑材料性能，由試驗(yàn)所采集的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗裂彎矩時(shí)取抗彎強(qiáng)度修正系數(shù)k=1.2是比較合適的。

2.2 試驗(yàn)抗彎裂縫分布結(jié)果分析

KFZ300(150)型預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在彎矩作用下發(fā)生斷裂破壞時(shí)的裂縫分布示意圖如圖3所示。從圖中可以看出裂縫絕大部分均勻分布于跨中左右約3.5m范圍內(nèi)，發(fā)生斷裂破壞時(shí)主要裂縫共有20條，平均長(zhǎng)度為25.7cm，斷裂破壞發(fā)生時(shí)裂縫破壞的主要分布特點(diǎn)為中間長(zhǎng)兩端短。預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的第一條裂縫位于跨中左側(cè)8cm位置處，而斷裂裂縫則位于右側(cè)6cm處，初始第一裂縫和斷裂裂縫都發(fā)生在純彎段內(nèi)。

KFZ400(240)型預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在彎矩作用下發(fā)生斷裂破壞時(shí)的裂縫分布示意圖如圖4所示。從圖中可以看出裂縫絕大部分均勻分布于跨中左右約3.5m范圍內(nèi)，發(fā)生斷裂破壞時(shí)主要裂縫共有20條，平均長(zhǎng)度為34cm，斷裂破壞發(fā)生時(shí)裂縫破壞的主要分布特點(diǎn)為中間長(zhǎng)兩端短。預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的第一條裂縫位于跨中左側(cè)4cm位置處，而斷裂裂縫則位于跨中位置處，初始第一裂縫和斷裂裂縫均發(fā)生在純彎段內(nèi)。

圖3 KFZ300(150)型樁裂縫分布示意圖

圖4 KFZ400(240)型樁裂縫分布示意圖

3 結(jié)論

通過(guò)兩組預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎承載力進(jìn)行了研究，結(jié)論如下:

(1)本試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均比規(guī)范規(guī)定值大，由此說(shuō)明規(guī)范規(guī)定值均偏保守，預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎性能能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，且極有可能預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗彎承載力實(shí)測(cè)值較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值大，按設(shè)計(jì)要求選擇樁型能達(dá)到相應(yīng)要求。

(2)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮離心成型工藝，在抗彎強(qiáng)度規(guī)范計(jì)算公式中考慮修正系數(shù)k=1.2，具有一定參考價(jià)值。但本試驗(yàn)樣本有限，還需大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)修正系數(shù)k進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

(3)抗彎試驗(yàn)的裂縫分布示意圖顯示，在彎矩作用下樁體裂縫分布于跨中兩邊大概3.5m范圍內(nèi)，樁身應(yīng)力主要集中在跨中的純彎段內(nèi)，樁體受極限抗彎承載力作用破壞后仍具有較高的抗彎承載力。

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