部分预应力混凝土空心方桩研究与分析

上海中技桩业股份有限公司高军峰

　　1  引言

　　自法国工程师E·弗莱西奈用高强度钢丝建成预应力混凝土结构之后，预应力混凝土迅速发展，而奥地利工程师F·安波哥(Fricz.Emperger)则开辟了部分预应力的先河。部分预应力构件具有预应力和非预应力构件的共同优点，即具有很好的力学性能，又具有良好的变形性能，因此具有较高的抗震能力，可在地震设防烈度较高的地区推广应用。此外，该类产品具有较好的抗水平力能力，可在基坑围护、堤坝工程、边坡工程中应用。

　　到目前为止，国内外很多专家学者在建筑各个领域对部分预应力构件进行了全方位、多角度的研究和论证。

　　在国外，尤其是地震多发国家，部分预应力构件因其良好的抗震性能已得到广泛应用，比如在日本，有关建筑行业协会已就部分预应力桩进行了大量研究并开发出部分预应力管桩即PRC桩，如图1所示。

图1 PRC桩配筋图

　　长江拓也等人在日本建筑学会构造系论文集“KFRZ杭の耐震性能に及ぼす轴方向异形鉄筋と横补强筋の影响”一文中研究了横向配筋对KFRZ桩抗震性能的影响，得出横向配筋率的提高可提高桩体耐震性，增强桩体的破坏后性能^[1、4、5] 。

　　岸田慎司和青岛一树等学者分别在“KFRZ杭の曲げ性状に及ぼす轴方向异形鉄筋量と横补强量の影响”和“KFRZ杭の靱性付加方法に関する研究”中论述了通过实验方法对KFRZ桩进行变形和力学性能的研究，并通过包络线和吸收能量的角度分析了KFRZ的横向补强筋和纵向非预应力筋的作用，可以起到很好的借鉴作用^[2、3] 。

　　近年来，国内部分科研院校及企业对部分预应力管桩做了一些研究，比如浙江大学和浙东建材集团有限公司等，并取得了相应成果。

　　综合国内外经验，尤其是国外地震多发地区经验，部分预应力桩较之预应力桩，具有较好的抗震性能，适合抗震设防烈度较高地区使用，可为建筑物安全性、抗震性提供更充分的保障。

　　2  产品设计与分析

　　以《混凝土结构设计规范》（ GB 50010-2010）为基础，结合《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）等规范、标准，引用材料力学等经典力学原理，结合国内外先进的研发设计理念对研发新桩型进行力学、材料学分析。在此基础上进行了部分预应力混凝土空心方桩等桩型设计。

图2 部分预应力空心方桩配筋图

　　通过技术攻关，主要开发出外边长为300mm、325mm、350mm、375mm、400mm、425mm、450mm、475mm、500mm等不同外变长的部分预应力混凝土空心方桩型号及对应的生产工艺。

　　结构设计人员在分析各相关规范、标准、力学公式的基础上，联合软件开发公司开发出部分预应力混凝土空心方桩力学性能计算软件，为研发新桩型奠定了基础，界面如图3所示。

图3 预应力离心空心方桩

　　3  产品测试与分析

　　为加强产品测试数据的可靠性和准确性，我们委托国家水泥混凝土制品质量监督检验中心对部分预应力混凝土空心方桩进行检测。[Page]

　　试验桩型混凝土强度等级为C60，预应力PC钢棒PCB-1420-35-HG符合《预应力混凝土用钢棒》GB/T5223.3中规定，螺旋筋采用乙级冷拔钢丝，标准采用《混凝土制品用冷拔低碳钢丝》JC/T540，非预应力筋采用HRB400螺纹钢，直径φ10和φ18，符合《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）有关规定并做了进厂检验。

　　试验主要测定部分预应力混凝土空心方桩的抗弯性能，并对其变形性能进行综合的测定，在此基础上分析其抗震及抵御不可抗力作用的能力。试验按照《预应力混凝土空心方桩》JG197-2006推荐检测方法进行抗弯检测，对我们研发的边长为300mm、400mm、500mm的新桩型进行抗弯检测。

　　试验中部分预应力混凝土空心方桩表现出极好的变形能力，主要体现为挠度的改变，和裂缝条数增加及均匀扩展，具体详见表1、及图5、图6。

　　与此同时，在试验过程中测得部分预应力混凝土空心方桩和预应力混凝土空心方桩在裂缝开展范围上有较大不同，预应力混凝土空心方桩方位一般为中心点向外1000mm左右，而部分预应力混凝土空心方桩裂纹范围最高可达到2400mm，进一步证明了其良好的变形性能。

　　为进一步分析部分预应力混凝土空心方桩抗震性能，结合力学和变形特征，分析桩体在破坏力作用下吸收能量的能力，绘制力-挠度曲线，曲线和横轴包围面积即为桩体在破坏力作用下吸收能量，详见图7。

　　另外，试验桩达到极限抗弯强度后继续加载直至破坏，主要破坏形式为预应力钢筋断裂，破坏后因变形回弹，荷载降低，稳定后继续加载，测得该产品残余强度较高，破坏后抗弯能力可达到极限抗弯强度的85%左右，具有较好抵御再破坏能力。

　　经试验分析，部分预应力离心空心方桩在抗震、变形、力学性能上优势主要体现在以下三个方面：

　　1）抗震能力：主要表现为可吸收更多的地震能（即破坏能），以对比桩为例，可达到原来桩型的3～4倍；

　　2）变形性能：主要体现在裂缝和挠度两个方面，部分预应力离心空心方桩在裂缝数量和裂缝开展方面都具有良好的性能，增加裂缝数量从而延缓裂缝宽度的和纵向的开展；挠度方面，依据本次试验结果，在非预应力比例较小情况下，最大挠度得到较为明显的提高，非预应力比例加大，构件抗弯刚度得到大幅度提高，挠度相对减小；

　　3）力学性能：计算和试验表明配有HRB400φ10的400(240)A-10-12极限弯矩为原来桩型的139.8%，配有HRB400φ18的400(240)A-18-12极限弯矩为原来桩型的222.3%，提高幅度较为明显。[Page]

　　4  制作工艺

　　部分预应力离心空心方桩和部分预应力管桩均采用原预应力桩生产线，在生产过程中积累了较为丰富的经验，在此基础上调整了部分工艺并对原有设备进行了局部改造，主要为滚焊工艺的改造，增加了非预应力筋滚焊工艺，提高了生产效率，如图8所示。

　　5  应用与推广

　　我们开发出的部分预应力混凝土空心方桩理论依据合理，试验检测认证充分，该类型产品具有较好的抗震、变形和力学性能，可在抗震设防烈度较高的地区推广使用，具有很好的市场推广价值。

　　部分预应力混凝土空心方桩进行了一些工程应用，取得了良好的效果，企业也获得了相应的效益。

　　目前，在一些地区预应力混凝土管桩在适用范围进行了一定调整，应用区域受到一定限制（如抗拔桩和一些抗震地区），且整个行业竞争激烈，企业必须通过加强市场开拓提高自身竞争力，在这个条件下，部分预应力混凝土预制桩的开发是个不错的方向，值得借鉴。

　　6  小结

　　通过以上分析可以得出：

　　1）部分预应力离心空心方桩产品的开发具有很好的理论依据和现实基础。

　　2）通过部分预应力离心空心方桩抗弯能力的计算和试验检验，进一步验证了部分预应力离心空心方桩较预应力离心空心方桩有很好的抗震能力，变形性能突出，力学性能较好；该类型构件破坏后残余强度较高，具有一定的抵御再破坏能力，可在地震设防烈度较高地区使用。

　　3）部分预应力离心空心方桩生产工艺成熟，在对原有生产线进行工艺调整和设备改造的基础上，实现了部分预应力离心空心方桩的规模化生产。

　　4）部分预应力管桩的开发与部分预应力离心空心方桩同步，依据同样的规范、标准，进行研发、设计和产品定型，并在同等条件下进行计算和制作，确保开发出的部分预应力管桩具有同等优越的抗震、变形和力学性能，从这个层面上来讲，部分预应力管桩具有同等的市场推广价值。

　　参考文献

　　[1] 长江 拓也，岸田 慎司，香取 庆一，林 静雄 KFRZ杭の耐震性能に及ぼす轴方向异形鉄筋と横补强筋の影响,日本建筑学会构造系论文集 (538), 123-129, 2000-12-30；

　　[2] 岸田 慎司，松浦 康人，长江 拓也，香取 庆一 ，林 静雄 KFRZ杭の 曲げ性状に及ぼす轴方向异形鉄筋量と横补强量の影响 : その2. 変形性能と履歴性状，学术讲演梗概集. B-1, 构造I, 荷重?信頼性,応用力学?构造解析,基础构造,シェル?立体构造?膜构造 2000, 813-814, 2000-07-31；

　　[3] 青岛 一树，真岛 正人，长泷 庆明，是永 健好，KFRZ杭の靱性付加方法に関する研究 : その1 中空部充填効果について，学术讲演梗概集. B-1, 构造I, 荷重?信頼性,応用力学?构造解析,基础构造,シェル?立体构造?膜构造 1999, 563-564, 1999-07-30；

　　[4] 长江 拓也，岸田 慎司，香取 庆一 ，林静雄，せん断破壊性状が卓越する KFRZ 杭の强度と変形性能 : 长期轴力作用下における场合，日本建筑学会构造系论文集 (559), 205-210, 2002-09-30；

　　[5] 长江 拓也 , 岸田 慎司 , 柳瀬 高仁 , 香取 庆一 , 林 静雄，KFRZ杭の耐震性能と横补强筋量の関系 : 杭径および轴力が异なる场合，日本建筑学会构造系论文集 (551), 95-102, 2002-01-30。