預應力混凝土管樁與承臺連接節點彎矩變化測試研究

張兵　郭震　諶遜龍　黃易銘　張敏

摘 要：預應力混凝土管樁是目前較多施工場所必不可少的材料之一，分析管樁連接節點的抗彎能力，可為施工提供一定的安全保障。從5 m預應力混凝土（PHC）管樁中截取部分截樁，以此作為試驗管樁，設計2個管樁與承臺的連接節點試件，在連接節點試件與管樁上裝置傳感器，采集加載后的數據，并計算開裂彎矩與極限彎矩變化，得到試件加載特征。結果表明，試件1的承載力較強，2組試件的底部應變明顯大于試件的中部與頂部，試件頂部受加載影響較小。當單向加載不斷增大，2組試件的跨中撓度與撓度增長率隨之提升，逐漸發生底部位移，但試件1的撓度變化較小，在管樁東西側裝置傳感器，經雙向載荷加載后，2組試件的錨固鋼筋同時發生應變，配備預應力筋能大大增強管樁的抗彎性能。

關鍵詞：預應力；混凝土管樁；連接節點；抗彎性能；跨中撓度；極限彎矩

中圖分類號：TU378;TQ178 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0162-04

Experimental study on the change in bending momentof prestressed concrete pipe pile joints

ZHANG Bing1，GUO Zhen1，CHEN Xunlong1，HUAGN Yiming1，ZHANG Min2

（1.Fujian Institute of Geotechnical Engineering Investingation and Surveying Co.，Ltd.，Fuzhou 350108，China; 2.The Second Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau，Fuzhou 350108，China）

Abstract：Prestressed concrete pipe pile is one of the essential materials in many construction sites at present.The analysis of the flexural capacity of pipe pile joints can provide a certain safety guarantee for construction.A part of the cut-off pile is taken from the 5mPHC pipe pile as the test pipe pile. Two joint specimens of the pipe pile and the cap are designed， and sensors are installed on the joint specimens and the pipe pile to collect the data after loading. The crack moment and the ultimate moment are calculated and the loading characteristics of the specimen are obtained.It is verified by experiments that the bearing capacity of specimen 1 is stronger.The strain at the bottom of increase is obviously larger than that at the middle and top of the specimens，and the top is less affected by loading.As the unidirectional load increases，the mid-span deflection and deflection growth rate of the two specimens increases with it，and the bottom displacement gradually occurs，but the deflection change of specimen 1 is relatively low.A sensor was installed on the east and west side of the pipe pile.After bidirectional loading，the anchoring steel bars of the two specimens experienced strain at the same time，and the strain value of the west side pile was higher.

Key words：prestress；concrete pipe pile；connecting node；bending resistance；mid-span deflection；ultimate bending moment

預應力混凝土管樁主要通過預應力鋼筋、混凝土、箍筋等材質構成，具有抗滲性強、抗彎能力較高等特點［1-2］，同時，這一形式的管樁使用壽命較長，廣泛應用于施工、建筑領域［3-4］。管樁的連接節點是一種能夠連接管樁與承臺的連接部件，通過連接節點，可以使管樁應用受力明確［5］，施工更為方便; 通過連接節點的抗彎性能研究，可以為管樁提供更安全的保障［6-8］。有較多學者對連接處節點的抗彎能力進行分析，但該方法得到的測試結果并不精準。為此本試驗研究預應力混凝土管樁連接節點抗彎性能，對管樁連接節點的抗彎能力進行詳細分析。

1 預應力混凝土管樁連接節點研究

1.1 試件設計

本文采用PHC管樁作為實驗管樁，預應力鋼筋選用預應力混凝土用鋼棒，共設計2個管樁連接節點，均為截樁樁頂與承臺連接節點。承臺配備了雙層雙向鋼筋，在管樁連接節點試件中，試件2并未配備預應力筋，在進行抗彎試驗時，加載力為500 kN［11］。表1為每個試件的參數指標。

通過圖1描述管樁與承臺的連接效果。其中，2個連接節點試件分別應用于樁頂與承臺的連接。

1.2 試件制備

利用實驗室完成試件的加工制作，其中，本文所使用的PHC管樁通過5 m長管樁截斷制成。樁內填芯與承臺混凝土同時澆筑［11］，澆筑時實測強度為62.1 MPa。

1.3 實驗裝置

本文設計簡支梁對稱加載裝置實現試件加載，在該裝置中，支座兩端為加載支座，具體支座樣式分別如圖2所示。

本文在在試驗過程中所采用的檢測儀器：DK09-TOP-904綜合測試儀;H27802裂縫測寬儀;200 t液壓千斤頂;7.5 m卷尺;0～50 mm百分表;0～100 mm百分表

1.4 預應力混凝土管樁連接節點彎度計算

1.4.1 開裂彎矩計算

當預應力混凝土管樁連接節點受彎時，假設裂縫控制等級為二級［14-15］，則連接節點開裂彎矩標準值可通過式（1）計算：

Mcr，k=（σce+γftk）W0（1）

式中：連接節點開裂彎矩為Mcr，k；樁身截面混凝土預壓應力為σce；樁身混凝土抗拉強度為ftk；γ為受工藝影響的綜合系數；連接節點截面彈性抵抗矩為W0。

1.4.2 極限彎矩分析

2 實驗結果與分析

2.1 試件承載力特征分析

分析2個試件在不同加載方向上的承載力變化情況，結果如表2所示；其中，“+、-”表示加載方向。

由表2可知，通過開裂彎矩可以得到試件在兩方向上的承載力，其中，試件1的承載力明顯大于試件2。這是由于試件1配備了預應力筋的緣故，因此試件1經兩方向加載后的抗彎性能較強。

2.2 試件應變分析

在每個試件的頂部、中部、底部分別裝置傳感器，分析2個試件在單方向不同載荷加載下各部位的應變情況，結果如圖4所示。

從圖4（a）、（b）可以看出，隨著加載載荷的不斷提升，2組連接節點試件的頂部、中部的應變變化不大，主要承擔部分拉應力；而2組試件的底部應變值不斷擴大，說明隨著加載力度的加大，試件開始出現微裂縫，導致試件抗彎能力變低，試件1的應變變化明顯低于試件2，在加載過程中試件2的應變幅度明顯較高，說明試件1受到加載影響較小，抗彎能力較強。

2.3 連接節點試件撓度分析

分析2組試件在加載過程中的撓度以及撓度增長率，得到載荷-跨中撓度曲線變化，以此分析試件在開裂時相應的載荷，結果如圖5所示。

由圖5可知，當載荷不斷加大，2組試件的跨中撓度與撓度增長率均處于上升狀態。其中，試件2的撓度始終高于試件1，說明在加載過程中，試件2的豎向變形要大于試件1。因此在抗彎測試中，試件2會提前發生變形，導致撓度增大。

2.4 試件屈服位移與極限位移分析

通過雙向水平載荷進行加載，分析2組試件加載時，試件與樁體連接處的位移情況，結果如圖6所示。

由圖6可知，試件2屈服位移處于-20～20 kN，而極限位移處于-40～40 kN；同時，試件1的位移要明顯低于試件2，說明在雙向加載過程中試件1的位移變化較小，因此具有較高的抗彎能力。

2.5 試件剛度退化分析

通過雙向加載驗證不同試件的剛度變化，分析結果如圖7所示。

由圖7可知，在0載荷下，試件1的剛度達到40 kN·mm以上；而試件2的剛度處于35 kN·mm，低于試件1。當加載載荷達到200 kN時，2個組試件的剛度迅速下降；而試件1的剛度保持在5 kN·mm左右，試件2的剛度已下降至5 kN·mm以下。經不斷加載后，試件1的剛度始終高于試件2，說明試件1的可用性要好于試件2。

2.6 連接節點錨固鋼筋、箍筋應變

2連接節點試件中的錨固鋼筋的應變情況，結果如圖8所示。

由圖8可知，西側正向錨固鋼筋的應變幅度相對較大，說明該側錨固受壓時壓力較大，反向東側錨固鋼筋的應變較低；同時，錨固鋼筋的應變曲線較為飽滿，這是由于受壓時承臺內混凝土的粘結作用為錨固鋼筋承擔了部分壓力。2個試件錨固鋼筋的應變幾乎一致，未出現較大變化，由此可以明確表明錨固鋼筋的應變值變化。

3 結語

研究預應力混凝土管樁連接節點抗彎性能試驗，設計預應力混凝土管樁連接節點試件，利用加載裝置對試件進行不同形式的受壓測試，得到試件被加載后的抗彎能力，以此完成抗彎性能分析。

結果表明，試件1的承載力明顯大于試件2，這是由于試件1配備了預應力筋的緣故，因此試件1經2方向加載后的抗彎性能較強。2個試件的底部應變明顯大于試件中部與頂部，試件頂部受加載影響較小。當單向加載不斷增大，2個試件的跨中撓度與撓度增長率隨之提升，逐漸發生底部位移，但試件1的撓度變化較小，經雙向載荷加載后，2個試件的錨固鋼筋同時發生應變，其中西側樁體應變值較高；配備預應力筋能大大增強管樁的抗彎性能。

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收稿日期：2023-02-09；修回日期：2023-05-04

作者簡介：張 兵（1986-），男，工程師，研究方向：樁基基礎，地質勘測;E-mail：769804447@qq.com。

引文格式：張 兵，郭 震，諶遜龍，等.預應力混凝土管樁連接節點抗彎性能試驗研究[J].粘接，2023，50（6）：162-165.