预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究

试验研究

Experimental Rearch

预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究

王 全

中交一航局第二工程有限公司 山东 青岛 266071

摘 要：通过对12根预应力高强混凝土管桩进行一系列静弯试验，研究了纵筋数量、预应力水平、碳纤维布的存在与

否等试验变量对桩抗弯强度的影响。研究表明，对于最大抗弯强度的预应力混凝土管桩应同时具有混凝土填充和

碳纤维布，预应力水平以及纵筋数量对弯曲强度没有明显影响，当通过碳纤维布防止保护层混凝土剥落时，纵向钢

筋的数量能明显提高管桩的抗弯曲弯曲强度。

关键词：预应力混凝土管桩；抗弯性能；碳纤维布；混凝土填充

引言

预应力高强混凝土管桩普遍应用于基础工程，不

仅承担上部结构带来的竖向荷载，而且还需要足够的抗

弯承载能力来抵抗其他效应引起的地震或水平力。为了

提高预应力混凝土管桩的水平承载力和抗震性能，国内

研究人员对其进行了预应力混凝土管桩相关性能的研

2009年上海某13层建筑倒塌事故（如图1所示）。

究

[1~4]

引起了国内各方对预应力混凝土管桩水平承载力不足

的担忧。对于单调荷载作用下预应力混凝土管桩的力学

但针对预应力混，

性能和设计方法进行了大量的研究

[5]

凝土管桩抗震性能的研究很少。预应力混凝土管桩在

地震中的主要破坏形式为弯曲破坏。本文提出了一种新

的提高混凝土桩抗弯强度的方法，即在混凝土桩截面的

中心加入无粘结预应力钢筋，来改善弯曲桩的强度。混

凝土管桩使用了抗压强度为100MPa的混凝土、屈服强

度为700MPa的纵向钢筋和屈服强度为1450MPa的横向

钢筋。此外，还采用碳纤维布防止保护层混凝土剥落。

收稿日期：2019-10-31

图 1 上海某13层建筑倒塌现场照

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1 混凝土管桩的制作及材料性能

1.1 管桩制作

制作12根预应力高强混凝土管桩，每根直径400mm，

长4000mm，在静态弯曲试验下进行试验。采用高强混

凝土离心成型空心桩制作（如图2所示），施加离心力

15.5min，一共分为5步：第一步，250r/min，持续6min；第

二步，400r/min，持续4min；第三步，850r/min，持续2min；

第四步，1000r/min，持续3min；第五步，1550r/min，持续

图 2 用于制作混凝土桩的金属模具

0.5min。所有管桩经过12h的蒸汽养护，随后进行空气养

的关注

[6]

。本文采用单向碳纤维布，研究了用单向碳纤维

护，直到测试。为了增强管桩抗弯强度，在其中一部分管

布约束混凝土保护层对桩的抗折强度的影响。试验桩中

桩中插入带护套的预应力钢筋，一部分管桩中加入混凝

纵向钢筋和预应力钢筋的布置如图3所示。对于直径为

土填充物（如图3中Con-B所示），一部分管桩表面使用碳

400mm的桩，横截面中心布置的预应力钢筋数量不得超

纤维布附着，最后，在预应力钢筋上安装的应变计监测

过3根，直径分别为32、40mm，纵筋和螺旋箍筋的屈服强

下，在释放千斤顶之前，用扭矩扳手拧紧螺母，从而提供

度见表1。

预应力，一些试样没有混凝土填充或碳纤维布，护层没有

在任何桩中填充灌浆。

2 预应力管桩弯曲试验设计

1.2 试样材料性能

使用四点弯曲装置，在单调增加的载荷下对每个试

所有混凝土混合物中均使用普通硅酸盐水泥。碎石

样进行试验，直到失效（如图4所示）。使用5个线性可变

用作粗骨料，其中最大骨料粒径为15mm。图3中，Con-A

差动传感器（LVDT）测量挠度。观察了无碳纤维布桩的

中使用的混凝土，使用硅灰以获得高强度减少细颗粒偏

开裂情况。电子应变计连接到混凝土、预应力钢筋、纵

析；采用高流动性混凝土作为混凝土填充料Con-B。在

筋、和碳纤维布的表面。对桩施加预应力时，对预应力钢

过去的十年中，纤维增强聚合物（FRP）在混凝土构件的

筋上的应变计进行控制，以获得指定的预应力。引入预

修复、改造、加固和新的施工中的应用越来越受到人们

应力钢筋后，混凝土和纵筋的实测压应变几乎等于给定

（a）直径32mm的预应力钢筋无填充样本横截面（b）直径40mm的预应力钢筋混凝土填充样本横截面

图 3 试验桩横截面

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表 1 管桩材料性能

试件

编号

D4-110778722.22.9601.29

D4-210778722.22.9601.29

D4-3114-78722.22.9601.29

D4-411478722.22.91200.65

D4-511079631.85.91200.65

D4-610841.078722.21.8601.29

D4-710841.078722.21.81200.65

D4-810237.077822.21.8601.29

D4-998.737.278722.21.8601.29

D4-1097.338.178722.21.8601.29

D4-1197.338.179631.83.8601.29

D4-1288.039.778722.21.8601.29

抗压强度

/MPa纵筋螺旋箍筋

Con-ACon-B屈服强度

/MPa直径/mm配筋横截面积比

/%屈服强度 /MPa间距/mm配筋体积比 /%

1440

S

图 4 试验装置示意图

预应力的计算值。相应管桩的抗压强度主要通过圆柱

体在轴向荷载下进行测试，混凝土的抗压强度

取3个

相同圆柱体的平均测量值，每个圆柱体的直径为100mm，

高度为200mm。

时由于该桩的保护层混凝土具有较大的压缩应变，保护

层在纵向钢筋屈服前发生剥落。

图6描绘了桩D4-6、D4-8、D4-9的试验结果，这些

管桩有混凝土填充，但没有碳纤维布，钢筋预应力分别

试验证实，三根桩的峰值荷载。

为12.6、6.3、21.0N/mm

2

基本相同，混凝土填充可以防止混凝土保护层剥落后荷

载突然降低。研究还证实，这些桩的最大荷载并不取决

于预应力的大小。

2

D4-12桩抗弯=0N/mm不同预应力水平对D4-10、

f

pe

图 5 不同预应力管桩荷载与挠度之间的关系

3 试验结果及分析

图5描绘了D4-1、D4-2、D4-3混凝土桩的荷载和挠

度之间的关系，这些管桩没有碳纤维布或混凝土填充

物，三根桩的材料强度和结构性能基本一致，但钢筋预

从图中可以看出随。

应力不同，分别为0、9.8、20.3N/mm

2

着钢筋预应力的增加，开裂荷载增大，且预应力最大的

桩D4-3的荷载能力最强，当混凝土保护层剥落后，承载

力发生急速下降，约为30%。当混凝土桩荷载不断增大

强度的影响如图7所示。这些桩既有混凝土填充，又有碳

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纤维布，它们之间唯一的区别是初始预应力的大小。由

有碳纤维布的桩中使用混凝土保护层有助于提高抗弯强

于保护层混凝土受到碳纤维布的约束，因此没有受到弯

度，因此，这些桩的最大荷载较大。由于无初始预应力或

矩引起的压应力的影响。与没有碳纤维布的桩不同，在

预应力水平较低的桩的中性轴更接近于截面受压边缘，

因此预应力钢筋的拉伸应变随弯矩的增大而增大。随着

弯矩的增加，拉伸应变的增加可能导致桩间预应力钢筋

提供的压缩轴向力没有差异，因此，预应力水平对弯曲强

度没有明显影响。

碳纤维布对桩D4-9、D4-10抗弯强度的影响如图8所

示。这两个桩之间的唯一区别即是否存在碳纤维布。由于

D4-10桩为碳纤维布桩，在较大荷载作用下混凝土保护

层没有发生脱落，因此与D4-9桩相比具有较高的抗折强

度。试验中使用了单向碳纤维，因此，该碳纤维布只能用

图 6 混凝土填充桩的荷载和挠度之间的关系

于加固桩的周向应力。由于碳纤维布混凝土填充桩具有

图 7 碳纤维布和混凝土填充桩的荷载和挠度之间的关系

图 8 碳纤维布对纤维强度的影响

图 9 纵筋数对弯曲强度的影响

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图 10 螺旋间距对弯曲强度的影响

比传统预制混凝土桩更高的抗弯强度，因此碳纤维布混折强度和防止脆性破坏的必要措施；预应力水平以及纵

凝土填充桩能够防止在强地震作用下桩基础的屈服。筋数量对弯曲强度没有明显影响，当通过碳纤维布防止

纵筋数量对桩抗弯强度的影响如图9所示。如果混保护层混凝土剥落时，纵向钢筋的数量能明显提高管桩

凝土桩既没有混凝土填充物，也没有碳纤维布，则其最的抗弯曲弯曲强度，碳纤维布混凝土填充桩具有比传统

大荷载的差异不是很大（如图9a所示），这是因为大预应预制混凝土桩更高的抗弯强度，值得推广使用。

力导致保护层混凝土过早剥落；当通过碳纤维布防止保

护层混凝土剥落时，纵向钢筋的量能明显提高管桩的抗

弯曲弯曲强度（如图9b所示）。

螺旋间距对弯曲行为的影响如图10所示。从图10a可

以看出，对于没有混凝土填充的桩，螺旋间距较小并不

重要，因为这些管桩在混凝土保护层剥落后表现出脆性

行为。即使在添加了混凝土填充物以防止脆性行为的桩

中，也能清楚地观察到螺旋间距较大桩的纵向钢筋的屈

曲，这种屈曲可通过图10b所示的突然荷载下降来表现

出来。

结语

为了防止因严重地震而产生的桩基屈服，本文提出

了一种新的预制高强钢筋混凝土桩的设计方法，该方法

主要通过在管桩中心增加预应力钢筋，混凝土填充或者

表面增加碳纤维布等措施来提高管桩抗弯强度。试验研

究了混凝土强度、纵筋数量、预应力水平、混凝土填充物

的存在与否以及碳纤维布对桩抗弯强度的影响。试验结

果表明，桩身混凝土填充和碳纤维布加固是提高桩身抗

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作者简介

王 全，1982年生，本科学历，毕业

于青岛理工大学土木工程专业，工程师。

地址：山东省青岛市市北区合肥路

696号阳光山色小区，26号楼二单元301

邮编：266000

电话：

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