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混合配筋预应力混凝土管桩 PRC 试验研究郑州大学河南建华管桩有限公司2010年10月 项目背景与研究目的主要研究内容及工作成果PRC桩试验研究理论研究与分析PRC桩性能指标与经济效效益分析研究结论与展望 报告内容 工作背景 给管桩技术蒙上阴影 引发全国范围的大讨论现行管桩适用条件与桩基设计问题采用管桩基础的高层建筑应该具有足够的基础埋深 1 上海莲花河畔景苑楼房倒塌事件后果及带给我们的启示 日本设计桩基工程对地下室侧壁承担水平荷载的规定 日本设计规定表明 建筑物桩基需要一定的水平承载力 以承担建筑物水平荷载的作用 在一定条件下 除桩基外 建筑物地下室侧壁土体也可以承担建筑物部分或全部的水平荷载 临近建筑物施工安全与设计责任问题较厚软土工程采用管桩基础 应通过各种工况与地基工作条件下的稳定性验算 选择合适的管桩型号 非筏板基础 管桩长细比较大 地基稳定性差 选型不合理 靠近基坑一侧产生弯剪破坏 外侧发生管桩拉断破坏或芯桩拔出破坏 管桩型号过于节省 技术标准 规范责任与设计责任问题没有一部法律规定 按照国家技术标准进行工程设计 就可以不承担法律约束下的技术责任 社会责任 省钱有度 科学选桩 2 预应力管桩市场与技术进步的需要传统管桩通过对钢棒均匀施加预应力形成预应力混凝土构件 主要用于竖向承载 抗弯承载力不足 脆性 抗裂性能差 不能用于边坡 基坑等水平承载 及欠固结土采用桩基的情况 工作背景 引自 王重 日本钢管混凝土管桩ACCS桩 桩水平承载力大为提高 引自 浙江大学宁波理工学院方鹏飞 国内开发的带横隔管桩 提高抗弯能力 延性 中交三航局宁波分公司研制的先张法钢绞线预应力混凝土管桩 简称SPHC桩 引自 王重 日本研发出扩端预应力混凝土管桩 以提高桩端承载力 引自 王重 日本研制的变节AG桩 用于提高桩侧阻力 增加品种 给用户 设计者更多的选择工程科技工作者共同的责任 3 研究目的 编制标准图集 推广使用 研究工作思路 新型管桩项目立项 新型预制混凝土管桩理论研究与分析 新型混合配筋管桩试验研究 抗弯性能 抗弯刚度 抗压性能 抗剪性能 1进行了12组混合配筋预应力管桩抗弯性能试验 2提出了混合配筋预应力管桩抗裂弯矩 抗弯承载力标准值和设计值的计算公式 进行了相应的计算分析 提出了混合配筋预应力管桩抗剪承载力及抗裂剪力的计算公式 进行了相应的计算分析 主要工作内容 主要工作内容 提出了混合配筋预应力管桩桩身材料竖向承载力设计计算公式 并进行了相应的计算分析 提出了混合配筋预应力管桩抗弯刚度计算公式 给出了标准试验条件下的挠度实测值 供工程参考使用 编制出河南省工程建设地方标准 混合配筋预应力混凝土管桩标准图集 主要工作内容 1 混合配筋预应力管桩 PRC桩概念的提出 在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋 形成一种新型混合配筋预应力管桩 PRC桩 其中 非预应力钢筋采用全截面对称配筋和扇形截面对称配筋 混合配筋钢筋笼成品 与传统预应力管桩相比 PRC桩水平承载力有所提高 变形性能得到改善 适用于一般工业与民用建筑的低承台桩基础 也可用于基坑 边坡 堤岸 及软土地区的桩基 刚性桩复合地基工程 试验所用试件共12根 D 500mm和D 600mm两种直径 非预应力钢筋采用扇形轴对称配置 2 PRC桩试件设计 试件型号与配筋表 新型混合配筋预应力管桩试件设计 新型混合配筋预应力管桩试件设计 管桩抗弯试验加载示意图 3 PRC桩试验方案 试验测试内容 开裂荷载和极限荷载 各级荷载作用下的裂缝宽度及开展情况 各级荷载作用下的挠度变形 各级荷载作用下混凝土应变 按理论抗裂弯矩的20 的级差加载至抗裂弯矩的80 按抗裂弯矩的10 的级差加载至抗裂弯矩的100 观察是否有裂缝出现 并测定和记录裂缝宽度 如果在抗裂弯矩达100 时未出现裂缝 则按抗裂弯矩的5 的级差加载至裂缝出现 按极限弯矩5 的级差继续加荷载直至试验桩破坏 具体表现为受拉区预应力钢筋的拉断或受压区混凝土被压碎 标志试验桩已经破坏 停止试验 试验加载步骤 4 试验过程及现象分析 管桩试验过程及现象分析 PRC管桩和普通预应力管桩试验结果比较表 管桩试验结果分析 管桩试验结果分析 PRC 600桩 PC600桩 荷载 跨中挠度曲线比较 荷载 跨中挠度曲线比较 管桩试验结果分析 管桩截面应变 管桩试验结果分析 PC600桩 PRC 600桩 PRC 600桩 荷载 挠度曲线比较 5 试验结果比较 理论研究与分析 1 抗弯性能理论研究 混凝土离心工艺系数 混凝土有效预压应力 考虑非预应力筋作用 管桩抗裂弯矩 其中 预应力损失计算 预应力钢筋因松弛引起的的拉应力强度损失 混凝土的徐变及收缩引起的预应力钢筋拉应力强度损失 管桩极限抗弯承载力标准值 检验值 抗弯性能理论研究 管桩抗弯承载力设计值 抗弯性能理论研究 理论计算值和试验值比较 试验 理论 平均 开裂弯矩1 25 极限弯矩1 22 抗弯性能理论研究 2 抗剪性能理论研究 抗剪承载力理论计算方法1 等效矩形截面法 面积和惯性矩相等效 抗剪承载力理论计算2 规范等效截面法 将环形截面按二个圆形截面 直径分别为管桩外径和管桩内径 等效成矩形截面 按现行国家标准 混凝土结构设计规范 GB50010 有关规定计算 二者抗力剪力之差即为管桩抗剪承载力 抗剪性能理论研究 抗剪承载力理论计算结果比较 抗剪性能理论研究 日本管桩规范抗剪承载力计算公式 水平承载管桩达到抗弯承载力时的剪力实验值 理论公式计算值及与试验比较 斜裂剪力理论计算方法 将环形截面按二个圆形截面 直径分别为管桩外径和管桩内径 等效成矩形截面计算 忽略箍筋的作用 二者抗力剪力之差即为管桩抗裂剪力 其中混凝土强度取桩身混凝土轴心抗拉强度标准值 抗剪性能理论研究 抗剪性能理论研究 推导理论方法 3 桩身材料竖向承载力理论研究 管桩规范方法 计算结果比较 桩身竖向承载力理论研究 平均1 1 4 管桩抗弯刚度及挠度试验结果和理论分析 1 管桩短期抗弯刚度理论计算规范公式 2 管桩挠度有限元计算分析 3 管桩挠度理论计算 有限元计算和试验结果比较 PRC 500 12 10 7型桩的荷载 挠度曲线图 PRC 600 16 10 7型桩的荷载 挠度曲线图 PRC 600 18 10 7型桩的荷载 挠度曲线图 PRC 700 18 10 7型桩的荷载 挠度曲线图 主要性能指标及经济效益分析 抗裂弯矩与 先张法预应力混凝土管桩 GB13476 相比提高5 10 弯矩设计值与 先张法预应力混凝土管桩 GB13476 相比平均提高了28 桩身强度提供的竖向抗压承载力与 先张法预应力混凝土管桩 GB13476 相比 提高了10 20 标准试验条件下延性比传统PC桩增加8 30 裂缝宽度与耐久性与 先张法预应力混凝土管桩 GB13476 相比 在工作条件下裂缝宽度减少50 为解决管桩作为受弯构件 受拉构件时的裂缝宽度控制 即耐久性控制设计问题 提供了条件 与普通PHC桩联合使用 形成上下组合桩 可以较好解决管桩抗弯即水平承载力不足的问题 上部采用PRC桩下部采用PHC桩 或PC桩 中部采用PRC桩上下部采用PHC桩 或PC桩 PRC桩用于深基坑工程支护结构 应用于双排桩 锚杆支护结构体系 洞庭湖护岸工程采用PRC阻滑桩 也可采用组合阻滑桩 节约投资 研究结论与展望 1 PRC桩采用混合配筋方式 提高了离心预应力管桩的桩身承载力 提高了管桩延性 通过对裂缝宽度的限制改善了管桩的工程耐久性 为拓宽预应力混凝土管桩在建筑 水利 交通等工程领域的使用范围创造了条件 2 PRC桩抗弯承载力介于普通PHC与离心钢管混凝土桩 SC管桩 或实芯钢管混凝土桩之间 与 先张法 钢绞线预应力混凝土管桩 SPHC管桩 相当 可根据工程设计条件与施工要求单独使用 也可与其他型号的预应力管桩混合使用 具有较好的技术与经济效益 3 本项目研究方向着重于混合配筋预应力管桩的截面承载力 工作延性及裂缝宽