部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁研究與分析
上海中技樁業(yè)股份有限公司高軍峰
1 引言
自法國(guó)工程師E·弗萊西奈用高強(qiáng)度鋼絲建成預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之后,預(yù)應(yīng)力混凝土迅速發(fā)展,而奧地利工程師F·安波哥(Fricz.Emperger)則開辟了部分預(yù)應(yīng)力的先河。部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件具有預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的共同優(yōu)點(diǎn),即具有很好的力學(xué)性能,又具有良好的變形性能,因此具有較高的抗震能力,可在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)推廣應(yīng)用。此外,該類產(chǎn)品具有較好的抗水平力能力,可在基坑圍護(hù)、堤壩工程、邊坡工程中應(yīng)用。
到目前為止,國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者在建筑各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ糠诸A(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行了全方位、多角度的研究和論證。
在國(guó)外,尤其是地震多發(fā)國(guó)家,部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件因其良好的抗震性能已得到廣泛應(yīng)用,比如在日本,有關(guān)建筑行業(yè)協(xié)會(huì)已就部分預(yù)應(yīng)力樁進(jìn)行了大量研究并開發(fā)出部分預(yù)應(yīng)力管樁即PRC樁,如圖1所示。
圖1 PRC樁配筋圖
長(zhǎng)江拓也等人在日本建筑學(xué)會(huì)構(gòu)造系論文集“KFRZ杭の耐震性能に及ぼす軸方向異形鉄筋と橫補(bǔ)強(qiáng)筋の影響”一文中研究了橫向配筋對(duì)KFRZ樁抗震性能的影響,得出橫向配筋率的提高可提高樁體耐震性,增強(qiáng)樁體的破壞后性能[1、4、5] 。
岸田慎司和青島一樹等學(xué)者分別在“KFRZ杭の曲げ性狀に及ぼす軸方向異形鉄筋量と橫補(bǔ)強(qiáng)量の影響”和“KFRZ杭の靱性付加方法に関する研究”中論述了通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)KFRZ樁進(jìn)行變形和力學(xué)性能的研究,并通過包絡(luò)線和吸收能量的角度分析了KFRZ的橫向補(bǔ)強(qiáng)筋和縱向非預(yù)應(yīng)力筋的作用,可以起到很好的借鑒作用[2、3] 。
近年來,國(guó)內(nèi)部分科研院校及企業(yè)對(duì)部分預(yù)應(yīng)力管樁做了一些研究,比如浙江大學(xué)和浙東建材集團(tuán)有限公司等,并取得了相應(yīng)成果。
綜合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),尤其是國(guó)外地震多發(fā)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),部分預(yù)應(yīng)力樁較之預(yù)應(yīng)力樁,具有較好的抗震性能,適合抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)使用,可為建筑物安全性、抗震性提供更充分的保障。
2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析
以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010-2010)為基礎(chǔ),結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476-2008)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),引用材料力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)原理,結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的研發(fā)設(shè)計(jì)理念對(duì)研發(fā)新樁型進(jìn)行力學(xué)、材料學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁等樁型設(shè)計(jì)。
圖2 部分預(yù)應(yīng)力空心方樁配筋圖
通過技術(shù)攻關(guān),主要開發(fā)出外邊長(zhǎng)為300mm、325mm、350mm、375mm、400mm、425mm、450mm、475mm、500mm等不同外變長(zhǎng)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁型號(hào)及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在分析各相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、力學(xué)公式的基礎(chǔ)上,聯(lián)合軟件開發(fā)公司開發(fā)出部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁力學(xué)性能計(jì)算軟件,為研發(fā)新樁型奠定了基礎(chǔ),界面如圖3所示。
圖3 預(yù)應(yīng)力離心空心方樁
3 產(chǎn)品測(cè)試與分析
為加強(qiáng)產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,我們委托國(guó)家水泥混凝土制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁進(jìn)行檢測(cè)。[Page]
試驗(yàn)樁型混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60,預(yù)應(yīng)力PC鋼棒PCB-1420-35-HG符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》GB/T5223.3中規(guī)定,螺旋筋采用乙級(jí)冷拔鋼絲,標(biāo)準(zhǔn)采用《混凝土制品用冷拔低碳鋼絲》JC/T540,非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB400螺紋鋼,直徑φ10和φ18,符合《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB1499.2-2007)有關(guān)規(guī)定并做了進(jìn)廠檢驗(yàn)。
圖4 空心方樁抗彎試驗(yàn)示意圖
試驗(yàn)主要測(cè)定部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎性能,并對(duì)其變形性能進(jìn)行綜合的測(cè)定,在此基礎(chǔ)上分析其抗震及抵御不可抗力作用的能力。試驗(yàn)按照《預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁》JG197-2006推薦檢測(cè)方法進(jìn)行抗彎?rùn)z測(cè),對(duì)我們研發(fā)的邊長(zhǎng)為300mm、400mm、500mm的新樁型進(jìn)行抗彎?rùn)z測(cè)。
試驗(yàn)中部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁表現(xiàn)出極好的變形能力,主要體現(xiàn)為撓度的改變,和裂縫條數(shù)增加及均勻擴(kuò)展,具體詳見表1、及圖5、圖6。
與此同時(shí),在試驗(yàn)過程中測(cè)得部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在裂縫開展范圍上有較大不同,預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁方位一般為中心點(diǎn)向外1000mm左右,而部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁裂紋范圍最高可達(dá)到2400mm,進(jìn)一步證明了其良好的變形性能。
為進(jìn)一步分析部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗震性能,結(jié)合力學(xué)和變形特征,分析樁體在破壞力作用下吸收能量的能力,繪制力-撓度曲線,曲線和橫軸包圍面積即為樁體在破壞力作用下吸收能量,詳見圖7。
另外,試驗(yàn)樁達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度后繼續(xù)加載直至破壞,主要破壞形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋斷裂,破壞后因變形回彈,荷載降低,穩(wěn)定后繼續(xù)加載,測(cè)得該產(chǎn)品殘余強(qiáng)度較高,破壞后抗彎能力可達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度的85%左右,具有較好抵御再破壞能力。
經(jīng)試驗(yàn)分析,部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁在抗震、變形、力學(xué)性能上優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
1)抗震能力:主要表現(xiàn)為可吸收更多的地震能(即破壞能),以對(duì)比樁為例,可達(dá)到原來樁型的3~4倍;
2)變形性能:主要體現(xiàn)在裂縫和撓度兩個(gè)方面,部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁在裂縫數(shù)量和裂縫開展方面都具有良好的性能,增加裂縫數(shù)量從而延緩裂縫寬度的和縱向的開展;撓度方面,依據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果,在非預(yù)應(yīng)力比例較小情況下,最大撓度得到較為明顯的提高,非預(yù)應(yīng)力比例加大,構(gòu)件抗彎剛度得到大幅度提高,撓度相對(duì)減??;
3)力學(xué)性能:計(jì)算和試驗(yàn)表明配有HRB400φ10的400(240)A-10-12極限彎矩為原來樁型的139.8%,配有HRB400φ18的400(240)A-18-12極限彎矩為原來樁型的222.3%,提高幅度較為明顯。[Page]
4 制作工藝
部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁和部分預(yù)應(yīng)力管樁均采用原預(yù)應(yīng)力樁生產(chǎn)線,在生產(chǎn)過程中積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn),在此基礎(chǔ)上調(diào)整了部分工藝并對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了局部改造,主要為滾焊工藝的改造,增加了非預(yù)應(yīng)力筋滾焊工藝,提高了生產(chǎn)效率,如圖8所示。
5 應(yīng)用與推廣
我們開發(fā)出的部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁理論依據(jù)合理,試驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證充分,該類型產(chǎn)品具有較好的抗震、變形和力學(xué)性能,可在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)推廣使用,具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁進(jìn)行了一些工程應(yīng)用,取得了良好的效果,企業(yè)也獲得了相應(yīng)的效益。
目前,在一些地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在適用范圍進(jìn)行了一定調(diào)整,應(yīng)用區(qū)域受到一定限制(如抗拔樁和一些抗震地區(qū)),且整個(gè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,企業(yè)必須通過加強(qiáng)市場(chǎng)開拓提高自身競(jìng)爭(zhēng)力,在這個(gè)條件下,部分預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁的開發(fā)是個(gè)不錯(cuò)的方向,值得借鑒。
6 小結(jié)
通過以上分析可以得出:
1)部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁產(chǎn)品的開發(fā)具有很好的理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。
2)通過部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁抗彎能力的計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁較預(yù)應(yīng)力離心空心方樁有很好的抗震能力,變形性能突出,力學(xué)性能較好;該類型構(gòu)件破壞后殘余強(qiáng)度較高,具有一定的抵御再破壞能力,可在地震設(shè)防烈度較高地區(qū)使用。
3)部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁生產(chǎn)工藝成熟,在對(duì)原有生產(chǎn)線進(jìn)行工藝調(diào)整和設(shè)備改造的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁的規(guī)?;a(chǎn)。
4)部分預(yù)應(yīng)力管樁的開發(fā)與部分預(yù)應(yīng)力離心空心方樁同步,依據(jù)同樣的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行研發(fā)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品定型,并在同等條件下進(jìn)行計(jì)算和制作,確保開發(fā)出的部分預(yù)應(yīng)力管樁具有同等優(yōu)越的抗震、變形和力學(xué)性能,從這個(gè)層面上來講,部分預(yù)應(yīng)力管樁具有同等的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
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