大直径混凝土管桩和先张法预应力混凝土管桩简介

大直径混凝土管桩和先张法预应力混凝土管桩简介 2010-02-21 14:36:20| 分类： 砼技术 |举报|字号 订阅 程志文 周菊芳 中交第三航务工程局有限公司上海浦东分公司 1 前言 中交第三航务工程局有限公司（以下简称三航局）成立于 1954 年，是国内最先 获得港口与航道工程施工总承包特级资质的国有特大型施工企业。大直径混凝 土管桩（以下简称大管桩）和先张法预应力混凝土管桩（以下简称 PHC 桩）是 三航局的两个“拳头”产品。大管桩是 国家“六五”科技攻关项目，是参照美 国雷蒙特公司的制造工艺自行开发的后张法预应力混凝土管桩。PHC 桩是 1987 年日元贷款引进项目，从日本休谟（株）引进了全套制造设备，采用离心工艺 生产的先张法预应力混凝土管桩。按照桩的特征分类，这两种桩应该说都属于 预应力混凝土管桩，所不同的只是先张和后张以及混凝土强度等级的区别（大 管桩属 PC 桩） 。 2 大管桩 2.1 大管桩的概况 1949 年美国雷蒙特公司最早用离心机生产了中空预应力混凝土管桩。国内使用 大管桩是在 70 年代中期，随着我国航运事业的发展，原有的预应力方桩已不能 适应，而钢管桩又造价高、维护困难。在这样的背景下，三航局于 70 年代中期 开始对大管桩的制造进行可行性研究，1983 年“大直径预应力混凝土管桩制造 与应用”正式列入国家重点科技攻关项目，并由苏州水泥制品研究院、南京水 科院和上海冶金研究院协作，共同完成了大管桩的研制，并获得“六五”国家 科技攻关成果奖。19861988 年，先后在连云港和镇海建管桩厂，1988 年开始 逐渐在各港口工程建设项目中推广应用，2005 年，在江苏省连云港的原厂又建 造了大管桩生产流水线。在过去的二十多年里，经过一系列的开发研究工作， 对生产设备进行了全面的完善，沉桩工艺不断改良，产品也不断升级换代，如 其中的 B 型桩获得了上海市科技进步二等奖。在“七五”期间，三航局对该产 品又经过进一步地改进，完善，并完成了双根钢绞线混凝土大管桩的研制任务， 即 B 型管桩。2004 年又试验成功 1400mm 混凝土大管桩，即为 C 型管桩和三 股钢绞线大管桩。三航局主编的港口工程预应力混凝土大直径管桩设计规程 （JTJ/T 261-97）和港口工程嵌岩桩设计与施工规程 （JTJ 285-2000）已列入 国家行业标准。 大管桩具有强度高、混凝土密实度高、低孔隙率、低吸水率、耐久性好、耐锤 击性能好、耐腐蚀能力强；可适合于任何土质，且断面为圆形，波浪力和水流 力大为减小，其使用年限长，维修费用低，是一种理想的海工建筑物桩基结构。 目前三航局生产的大管桩已应用于数十座沿海码头和桥梁，以东海为例，在乍 浦、北仑、舟山一带就有十多座 2 万20 万吨级的大管桩码头。从上世纪 80 年代中期研制成功至今，已在港口码头、桥梁等工程中得到广泛的应用。图 2.1-1 为采用大管桩作为桩基的朱家尖大桥。 图 2.1-1 朱家尖大桥 2.2 大管桩的规格和技术性能 大管桩的直径为 1200mm、1400mm 两种，其断面为空心圆形，管节采用 拌和物维勃稠度控制在 2535s 的混凝土，并经离心、振动、碾压复合工艺制 作而成。成型的基本管节长度为 4m（如设计和工程需要还可生产 1m 和 2m 的 管节） ，采用后张法预应力拼接成要求的桩长。预应力钢筋采用高强度低松弛钢 绞线。 根据大管桩直径、每孔钢绞线股数、预留孔数量、钢绞线强度值的不同，定义 不同规格的大管桩型号。大管桩的型号应采用以下形式： D 钢绞线强度标准值，1 表示 1570MPa，2 表示 1860MPa，3 表示 2000MPa 大管桩截面预留孔数目，1 表示 16 孔，2 表示 18 孔，3 表示 20 孔 每个预留孔中钢绞线股数，A 表示单股，B 表示双股，C 表示 3 股 大管桩外径，单位为 mm 表示后张法预应力混凝土大直径管桩 大管桩的结构图见图 2.2-1。 大管桩的规格和技术性能表见表 2.2-1。 图 2.2-1 大管桩的结构示意图 常用大管桩规格、型号和力学指标表表 2.2-1 序 号 大 管桩 型号 D1 200A3- 1* D 1200A 3-2 D1 200B1- 1* D1 200B1- 2* D 1200B 2-1 D 1200B 2-2 D1 200C1- 1* D1 400B3- 1* D 1400B 3-2 D1 400C3- 1* 大 管桩 外径 D（mm ） 12 00 1 200 12 00 12 00 1 200 1 200 12 00 14 00 1 400 14 00 大 管桩 内径 d（mm ） 94 0 9 40 91 0 91 0 9 10 9 10 91 0 11 00 1 100 11 00 桩 截面 积 A（m2 ） 0. 437 0 .437 0. 481 0. 481 0 .481 0 .481 0. 481 0. 589 0 .589 0. 589 单 位长 度重 量 T（kN /m） 11 .36 1 1.36 12 .50 12 .50 1 2.53 1 2.53 12 .62 15 .32 1 5.32 15 .47 桩 截面 0. 0651 0 .0651 0. 0706 0. 0706 0 .0709 0 .0709 0. 0718 0. 1210 0 .1210 0. 1232 惯性 矩 J（m4 ） 预 留孔 数 20 2 0 1616 1 8 1 8 1620 2 0 20 预 留孔 直径 （mm ） 32 3 2 4040 4 0 4 0 4040 4 0 40 钢 绞线 股数 1122223223 单 股钢 绞线 直径 （mm ） 15 .2 1 5.2 15 .2 15 .2 1 5.2 1 5.2 15 .2 15 .2 1 5.2 15 .2 1 0 钢 绞线 抗拉 强度 标准 值 f ptk（ MPa） 15 70 1 860 15 70 18 60 1 570 1 860 15 70 15 70 1 860 15 70 1 1 混 凝土 有效 预压 应力 pc （MPa ） 5. 96 7 .18 8. 64 10 .41 9 .74 1 1.73 12 .80 8. 81 1 0.62 13 .05 1 2 不 含混 凝土 抗拉 强度 的开 裂弯 矩设 计值 （kN? m） 64 6 7 78 10 17 12 24 1 151 1 386 15 32 15 24 1 836 22 98 1 3 含 混凝 土抗 拉强 度的 开裂 弯矩 设计 值 （kN? m） 10 32 1 164 14 36 16 44 1 572 1 807 19 59 21 39 2 450 29 23 破 2322525222737340 4坏弯 矩设 计值 （kN? m） 003009897639638608378122 注： 不含混凝土抗拉强度的开裂弯矩设计值、含混凝土抗拉强度的开裂 弯矩设计值分别是指混凝土拉应力限制系数 ct 为 0.00、1.00 时的开裂弯矩 设计值； * 表示常用型号。 2.3 大管桩的制作工艺 大管桩采用分段成型混凝土管节、管节间涂刷粘结剂、后张拉预应力钢绞 线、预留孔道内压力灌注水泥浆体、钢绞线自锚等工艺手段拼接成所需长度的 管桩。 (a)成型工艺 管节成型采取低速边喂料边振动的方式，喂料结束后，再采用边振动边辊 压，在管节内壁施压使混凝土致密的成型工艺。振动辊压结束后，进行高速离 心处理，使管壁中层混凝土产生不小于 73g 的离心加速度，使管节混凝土进一 步的密实。 (b)预留孔道 管节预留孔道的成型采用钢管芯棒外套橡胶管，在混凝土强度达 70%时抽 出。 (c)养护工艺 成型管节的蒸养，可以采用钢模卧放置于坑池加盖的方式，或钢模外加保 温罩放置的方式，根据生产地域的气温和场地条件而定。但蒸养时，通蒸汽前 必须保证有 30的干燥温度静定养护 2h 以上。 脱模后，混凝土管节水养 7d，以保证混凝土得到充分的水化。 (d)拼接工艺 粘结剂的各项技术指标必须满足设计和施工要求。拼接前，将管节端面表 层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，保证混凝土之间的粘结强度。 当粘结剂涂刷在稍不平整的管节端面时，施加第一阶段的预应力，取设计 值的 30%40%。待粘结强度达到一定的强度即与管节成为一整体时，再施加第 二阶段的预应力至设计值，以确保管桩接缝的粘结剂和桩身混凝土处于相同预 应力值。 (e)孔道压浆工艺 为了保证水泥浆体与管节混凝土的粘结强度和浆体与钢绞线的握裹力，采 用水灰比为 0.32 左右的高速搅拌机拌制高流动度、低泌水率的纯水泥浆体，以 保证水泥浆体有较长的时间在孔道中畅流并充盈密实以及得到较高的浆体强度。 压浆顺序宜先压下层孔道逐渐向上孔道进行。水泥浆由桩的一端向另一端 压送，压浆缓慢、均匀地进行，并应保持一定的压力，以确保浆体的密实性。 3 PHC 桩 3.1 PHC 桩的概况 PHC 桩本来是为填补预应力方桩和大管桩之间规格空白而开发的桩种。三 航局方桩断面尺寸为 600600mm，大管桩直径为 1200mm，所以引进 PHC 桩生产 线是生产 6001000mm，全称为预应力离心高强混凝土桩（Pretensioned and Reinforced Spun High Strength Concrete Piles），前身为先张法 PC 桩 （预应力混凝土管桩），是随着异型预应力钢筋（ULBON）和混凝土蒸养工艺的 发展而诞生的。日本于 1970 年开发，1982 年制订了标准 JISA 5337-82先张 法离心高强混凝土管桩，后经多次修订，日臻完善。在日本，1962 年以前基 本上以生产 RC(钢筋混凝土)管桩为主，强度相当于 C40；1967 年以前基本上以 生产 PC(预应力钢筋混凝土)管桩为主，强度相当于 C50；1967 年后逐步推广应 用 PHC 管桩，强度相当于 C80；二十世纪七、八十年代 PHC 桩的应用比例不断 上升，至九十年代基本上都采用 PHC 桩。可以说混凝土桩已有近百年的历史， RC 管桩约有 70 年历史，PC 管桩约有 40 年历史，PHC 管桩约有 30 年历史。我 国大约是二十世纪四十年代开始生产 RC 管桩，六十年代生产 PC 管桩，八十年 代初期开始研制生产后张法大管桩，八十年代后期开始引进和开发 PHC 管桩。 从 1969 年预应力混凝土制品国际会议把管桩列为四种主要预应力混凝土制品之 一，到我国 1993 年建设部(93)178 号文把管桩定为国内重点推广技术成果，使 该产品得到更为迅速的发展。全国从八十年代的一、两家管桩厂发展到现在 200 多家，年产量从当时的几万米发展到现在的 4500 万米。 由于管桩具有结构强度高、可贯入性好、耐锤击性强、结构承载力高、产 品标准化程度高、生产周期短等优点，特别是大直径长管桩，其优异的抗弯性 能和结构承载力，得到了许多业主和设计单位的青睐，市场需求很大。图 3.1- 1 为上海外高桥造船有限公司舾装码头工程实例。三航局宁波分公司于 2003 年 4 月份建成投产 PHC 桩生产线，管桩产品规格为 7001200mm，单节长度达 30m；三航局南京分公司于 2006 年 10 月 14 日，世界一流、全国首创的第一根 55m 一次成型 PHC 管桩顺利下线，从而宣告了目前世界上单节长度最长的 PHC 管桩生产线已经建成投产；宁波分公司研制的高强度张拉预应力、抗弯能力强 的 SPHC 管桩，达到国内领先、国际先进水平。上述后两项成果均通过国家、上 海市成果新产品鉴定。 图 3.1-1 工程实例 3.2 PHC 桩规格和技术性能 PHC 桩按外径分为 300、400、500、550、600、700 、800、1000、1200mm 等规格。按桩的混凝土有效预压应力值或抗弯性能分为 A 型、AB 型、B 型和 C 型。混凝土强度等级 C80 的管桩代号为 PHC，混凝土强度等级 C60 的管桩代号 为 PC。 按三航局的企业标准，PHC 桩的规格和技术性能见表 3.2-1。 PHC 桩的规格和技术性能 表 3.2-1 主 筋 混凝土有效 预压应力 （Mpa） 外 径 D ( mm ) 型 号 壁 厚 ( mm) 直 径 (mm) 数 量(根） D p ( mm) PCPHC 抗 裂 弯 矩 （ kN m） 极 限 弯 矩 （ kN m ） 单 位 重 量 ( t/m) 截 面 配 筋率 (% ) 单 节 长 度 ( m ) 7 .1 6 4.0 2 4.0 3 2 3 3 4 0. 53 3 00 A B 6 0 96 2 40 6.1 4 6.1 6 2 8 4 5 0 .118 0. 85 7 12 7 .1 9 3.4 4 3.4 5 5 2 7 7 0. 45 7 12 A B 99 5.2 8 5.3 0 6 3 1 04 0. 72 4 00 8 0 1 0.7 9 3 38 7.1 2 7.1 5 7 5 1 35 0 .209 1. 01 7 13 9 1 0 3.8 8 3.8 9 9 9 1 48 0. 51 7 14 A B 1 0.7 1 0 5.2 8 5.3 0 1 21 2 00 0. 72 5 00 1 00 1 0.7 1 5 4 16 7.5 2 7.5 6 1 44 2 58 0 .327 1. 07 7 15 9 1 2 3.9 7 3.9 8 1 25 1 88 0. 52 5 50 A B 1 05 1 0.7 1 2 4 86 5.4 1 5.4 3 1 54 2 54 0 .381 0. 74 7 15 1 00 9 1 2 3.7 3 3.7 4 1 64 2 46 0 .408 0. 49 A B1 1 10 9 (10.7 ) 1 8(12) 5.0 5(4.76) 5.0 6(4.78) 2 01 3 32 0 .440 0. 68(0.6 4) 6 00 A B2 1 20 9 (10.7 ) 1 8(12) 5 10 4.7 5(4.48) 4.7 7(4.50) 2 01 3 32 0 .470 0. 64(0.6 0) 7 16 A B3 1 30 1 0.7 1 5 5.2 0 5.2 2 2 01 3 32 0 .499 0. 70 1 0.7 1 8 6.8 1 6.8 4 2 39 4 30 0. 96 1 10 1 2.6 1 8 8.9 7 9.0 3 2 76 5 52 0 .440 1. 33 A 1 1 0.7 1 2 4.0 2 4.0 3 0. 53 A 2 1 10 7 .1 2 4 5 90 3.6 0 3.6 1 2 64.9 3 97. 3 0 .530 0. 47 7 15 A B 9 2 4 5.5 3 5.5 5 3 17.9 5 24. 5 0. 75 7 22 1 0.7 2 4 7.4 3 7.4 7 3 72.8 6 71. 0 1. 10 7 00 1 10 1 2.6 2 4 5 90 9.7 4 9.8 1 4 41.4 8 82. 9 0 .530 1. 47 7 30 9 (10.7 ) 2 0(15) 4.0 7(4.27) 4.0 8(4.28) 3 67 5 50 0. 54(0.5 7) A B 1 0.7 2 0 5.5 4 5.5 6 4 51 7 43 0. 75 1 0.7 3 0 7.8 6 7.9 1 5 35 9 62 1. 13 8 00 1 10 1 2.6 3 0 6 90 10. 26 10. 34 6 19 1 238 0 .620 1. 57 7 55 9 3 2 4.3 4 4.3 6 6 89 1 030 0. 58 A B 1 0.7 3 2 5.9 0 5.9 2 8 45 1 394 0. 81 1 2.6 3 2 7.8 2 7.8 7 1 003 1 805 1. 13 1 00 0 1 30 1 2.6 4 0 8 80 9.4 0 9.4 6 1 161 2 322 0 .924 1. 41 7 55 1 0.7 3 0 4.1 3 4.1 4 1 177 1 766 0. 55 A B 1 2.6 3 0 5.5 6 5.5 8 1 412 2 330 0. 76 1 2.6 4 5 7.8 9 7.9 3 1 668 3 002 1. 14 C 1 1 2.6 5 0 1 060 9.5 4 9.6 0 1 962 3 924 1. 26 7 55 1 20 0 C 2 1 50 1 2.6 6 0 1 077.4 9.5 2 9.6 0 1 962 3 924 1 .286 1. 52 7 50 注：主筋选用标准强度为 1420Mpa（带者为 1570Mpa）的螺旋槽钢棒； 表中 Dp 为主筋中心位置直径； 管桩的抗裂弯矩和极限弯矩除 700、1200 按日本标准 JISA 5337 取 值外，其余按国家标准 GB 13476 取值； 拼接桩可根据设计要求选用； 根据供需双方协议，也可生产其它规格、型号、长度的管桩。 PHC 桩的结构示意图见图 3.2-1。 图 3.2-1 PHC 桩结构示意图 3.3 PHC 桩的制作工艺 PHC 桩生产工艺中对混凝土性能影响最大的是离心成型和养护工艺。 3.3.1 离心成型 混凝土拌合物在离心力的作用下，能挤出大量空气和水分，体积缩小，单 位密度增加，并降低了混凝土拌合物的水灰比，从而使混凝土的强度和密实性 得到显著提高，但在离心过程中会产生所谓外分层和内分层现象，这对混凝土 的均匀性会产生较大的影响。 外分层现象的特征是使管桩外壁的混凝土特别致密，而内壁的混凝土相对 疏松，并会形成一层浮浆层。在澳门机场联络桥供桩时，澳门土木工程实验室 取样试验结果为：靠外层 94MPa，靠内层 76MPa，平均 85MPa，与当时出厂强度 报告 84MPa 仅相差 1MPa(当时混凝土抗压强度试验方法是离心圆筒体试件)。虽 然没有了解其具体试验方法，其试验结果似有一定的参考价值。这种外分层现 象是由离心工艺本身决定的，生产者只能研究如何减小这种无法消除的工艺现 象的分层差异。外分层现象固然对混凝土均匀性不利，但这种分层破坏了混凝 土的毛细通道，在某种条件下对混凝土的耐久性却是有利的，其一层致密的外 壳应该说是抗渗、防腐的好材料。 内分层现象是由单向旋转使混凝土拌合物各组份迎单一方向运动引起的， 从亚微观的角度看，集料运动方向的背面往往会形成一层极薄的水膜，可溶于 水的 Ca(OH)2 滞留其间，从而影响了水泥石与骨料界面之间的粘结力。其实其 它密实成型方式也不同程度存在这种现象。对 PHC 桩生产工艺来说，掺加一定 量的硅质材料，通过高压蒸养，使其产生二次火山灰反应，则可有效解决内分 层产生的不利影响。 3.3.2 二次蒸养 PHC 桩目前基本上均采用二次蒸养工艺，即常压蒸养达到放张强度脱模后 再进行高压蒸养。 (1)常压蒸养 常压蒸养目前主要应注意的问题是:在掺合料得到普遍推广应用的情况下， 由于微活性(在常温下甚至是惰性)掺合料对混凝土早期强度影响很大，常压蒸 养工艺参数(静停、升降温梯度、温度、时间等)一定要根据所选用的掺合料品 种和掺量，经过试验验证后确定。 (2)高压蒸养 高压蒸养现