預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁堆放層數(shù)判定條件的探討

邱振貴 冼景成

（1 廣東三和管樁股份有限公司；2 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院）

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁經(jīng)工廠化流水機(jī)組法工藝生產(chǎn)制造[1]，需運(yùn)至成品庫(kù)貯存，最后裝車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。產(chǎn)品在成品庫(kù)、運(yùn)輸過(guò)程中以及施工現(xiàn)場(chǎng)的堆放不當(dāng)都有可能造成質(zhì)量問(wèn)題和場(chǎng)地的利用不合理。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13476-2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[2]對(duì)管樁的堆放層數(shù)做出了相關(guān)規(guī)定，卻未明確堆放層數(shù)的計(jì)算方法和依據(jù)。何友林[3]探討了PHC管樁堆放層數(shù)的計(jì)算方法，推導(dǎo)出管樁著地平放時(shí)最底層樁所受彎矩和應(yīng)力的關(guān)系，計(jì)算了PHC 管樁在不同堆放層數(shù)下的最大彎矩和最大應(yīng)力，從而得到不同規(guī)格的PHC 管樁堆放的最大層數(shù)。

基于上述管樁堆放的規(guī)定與研究分析知，預(yù)制樁堆放時(shí)，最底層樁受重力荷載影響所產(chǎn)生的內(nèi)力最大，樁身容易開(kāi)裂，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不合格。本文通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁（以下簡(jiǎn)稱空心方樁）在不同堆放層數(shù)下底層樁按兩支點(diǎn)法支承時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，計(jì)算了不同堆放層數(shù)下底層空心方樁的內(nèi)力。在底層樁采用兩支點(diǎn)法支承時(shí)，分別比較了以樁身抗裂彎矩值和以混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為判定條件計(jì)算確定的可堆放最大層數(shù)，從而為空心方樁產(chǎn)品的堆放提供了理論依據(jù)。

1 理論分析

1.1彎矩值與應(yīng)力值分析

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 197-2018《預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁》[4]對(duì)空心方樁的堆放做出了規(guī)定：空心方樁應(yīng)按規(guī)格、長(zhǎng)度分別堆放。空心方樁堆放時(shí)，長(zhǎng)度不大于15m的，最下層宜按兩支點(diǎn)放置在墊木上；長(zhǎng)度大于15m 的拼接樁，最下層應(yīng)采用多支點(diǎn)堆放，墊木應(yīng)均勻放置且在同一水平面上。若堆放場(chǎng)地地基經(jīng)過(guò)特殊處理，也可著地平放。

研究對(duì)象為單節(jié)長(zhǎng)度、規(guī)格型號(hào)均相同的空心方樁（單節(jié)長(zhǎng)度不大于15m）最下層按兩支點(diǎn)支承堆放時(shí)底層空心方樁的受力情況。采用兩支點(diǎn)支承堆放時(shí)，底層空心方樁堆放和受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 兩支點(diǎn)支承時(shí)底層空心方樁受力狀態(tài)

圖中：

q——荷載集度，即單節(jié)單位長(zhǎng)度空心方樁由自重引起的荷載，kN/m；

L——單節(jié)樁長(zhǎng)，m。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)[5]靜定結(jié)構(gòu)受力分析可知，當(dāng)支點(diǎn)位置負(fù)彎矩與跨中正彎矩在數(shù)值上相等，即MB=MC=ME時(shí)，空心方樁由重力荷載引起的彎矩內(nèi)力最小，按此支點(diǎn)位置支承的空心方樁更不易開(kāi)裂，進(jìn)而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。兩支點(diǎn)支承時(shí)底層空心方樁所受彎矩如圖2所示。

圖2 兩支點(diǎn)支承時(shí)空心方樁的受力彎矩圖

此時(shí)，兩支點(diǎn)的位置距兩端的距離x為：

x= 0.21L⑴

最大彎矩Mmax應(yīng)按式⑵計(jì)算：

式中：

n——堆放層數(shù)。

可知，堆放層數(shù)越多，底層空心方樁所受的荷載越大；單節(jié)樁越長(zhǎng)，樁身承受的彎矩越大。

根據(jù)材料力學(xué)[6]彎曲應(yīng)力分析可知，樁身橫截面上離中性軸最遠(yuǎn)的各點(diǎn)處正應(yīng)力最大。橫截面上最大彎矩處對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力σmax應(yīng)按式⑶計(jì)算：

式中：

Wz——換算截面抵抗矩,換算截面抵抗矩應(yīng)按式⑷計(jì)算。

式中：

Iz——換算截面慣性矩；

ymax——橫截面上距中性軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)到中性軸的距離。

由于空心方樁是由混凝土和鋼筋等材料預(yù)制而成，在計(jì)算截面慣性矩時(shí)，考慮將空心方樁配置的鋼筋換算成能夠承受拉應(yīng)力的同種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，即按換算截面慣性矩代入計(jì)算。

考慮到空心方樁是采用先張法工藝在截面上施加預(yù)壓應(yīng)力，因此，計(jì)算橫截面上最大彎矩處對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)力值時(shí)，應(yīng)減去混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力值，即橫截面上最大彎矩處對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)力值σ實(shí)際按式⑸計(jì)算：

式中：

σ實(shí)際——橫截面處最大彎矩對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)力值；

σce——混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力值。混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力值按JG/T 197-2018 標(biāo)準(zhǔn)中給出的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各規(guī)格型號(hào)空心方樁的混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果

1.2堆放層數(shù)分析

1.2.1以抗裂彎矩值作為判定條件

當(dāng)采用抗裂彎矩值作為評(píng)判依據(jù)確定底層空心方樁在兩支點(diǎn)支承下可堆放的最大層數(shù)時(shí)，底層樁堆放時(shí)產(chǎn)生的最大彎矩應(yīng)小于或等于樁身抗裂彎矩值，即Mmax≤Mcr。

此時(shí)，空心方樁可堆放的最大層數(shù)n 可按式⑹計(jì)算：

式中：Mcr——樁身抗裂彎矩值。

1.2.2以混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為判定條件

當(dāng)采用混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)判依據(jù)確定底層空心方樁在兩支點(diǎn)支承下可堆放的最大層數(shù)時(shí)，底層樁堆放時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際拉應(yīng)力值應(yīng)小于或等于樁身混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即σ實(shí)際≤ftk。

此時(shí)，由式⑵、式⑶、式⑸聯(lián)立知，空心方樁可堆放的最大層數(shù)n可按式⑺計(jì)算：

2 計(jì)算分析

采用兩支點(diǎn)法支承堆放時(shí)，分別以抗裂彎矩值和以混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為判定條件進(jìn)行計(jì)算得到的各規(guī)格型號(hào)空心方樁的可堆放最大層數(shù)如表2所示。

表2 各規(guī)格型號(hào)空心方樁計(jì)算的可堆放最大層數(shù)

通過(guò)以抗裂彎矩值和混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為判定條件計(jì)算的空心方樁可堆放最大層數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到的最大可堆放層數(shù)略微偏小，但兩者數(shù)據(jù)相差不大。空心方樁可堆放的最大層數(shù)與樁身截面模量相關(guān)，隨樁的規(guī)格增大而增加。

3 結(jié)論

⑴計(jì)算結(jié)果表明，兩種判定條件計(jì)算得到的最大可堆放層數(shù)差別不大，可作為空心方樁堆放層數(shù)的理論依據(jù)，用于指導(dǎo)實(shí)際。但理論應(yīng)與實(shí)際結(jié)合，堆放層數(shù)還應(yīng)綜合其他因素（如安全、場(chǎng)地情況）進(jìn)行多方面的考慮。在滿足安全堆放的前提下，方可參考。

⑵本文僅探討了空心方樁底層樁按兩支點(diǎn)支承時(shí)可堆放最大層數(shù)的判定條件。當(dāng)場(chǎng)地經(jīng)過(guò)特殊處理，且空心方樁著地平放時(shí)，若不考慮地面的變形，底層空心方樁橫截面上下側(cè)混凝土受壓，內(nèi)孔壁在外部荷載作用下將產(chǎn)生拉應(yīng)力，受力較為復(fù)雜。采用此堆放方式的受力情況，還有待進(jìn)一步研究。