预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究.pdf
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1、第 4 l 卷第 1 2期 2 0 1 0年 1 2月 Vo 1 4 1 No 1 2 De c 2 0 1 0 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y l 1 01 预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究 刘俊伟 , 张忠苗 , 于秀霞2 , 齐 垄s , 毕经鹏4 ( 1 浙 江大学 岩土 工程研究所 ,3 1 0 0 5 8 , 杭州 ; 2 青岛万合建筑设计有限公司 , 2 6 6 5 2 0, 山东青岛; 3 青建集 团股份有限公司 , 2 6 6 0 0 0, 山东青岛; 4 中铁 十四局集 团有限公司 ,2 5 0 0
2、 1 4, 济 南) 摘要 : 通过一系列原型试验 , 对预应力混凝土管桩的抗弯及抗剪性能进行研究。抗弯试验结果显示 试验 所采用的预应力混凝土管桩抗弯性能明显优于规范值 , 在弯矩作用下桩身裂缝分布于跨 中约3 m 范围内。 管桩弯 曲断裂 时呈脆性破坏性状 ,最大应力处位于跨中纯 弯段 内, 裂缝出现前跨 中界面应变基本符合平截面假定 , 裂 缝出现 后中性轴上移。 桩身破坏后仍具有较高的抗 弯承载力 , 但裂缝出现后桩身刚度明显降低。 抗剪试验显示试 验桩的抗剪性 能优于规范值 , 断裂处为大致4 5 。 的剪切破碎带 。抗剪试验中管桩的应力主要集中在剪弯段内 , 管 桩破坏后仍具有较高
3、的抗剪承载 力。 关键词 : 预应力混凝土管桩 ; 抗弯承载力 ; 抗剪承载力 ; 挠度 ; 裂缝 中图分类号 : T U4 7 3 1 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 0 ) 1 2 1 1 0 1 0 4 EXPEI 江M ENTAL S TUDY oN FLEXURAL AND S HEAR G PRoPERTm S oF PRESTRESS ED CONCRETE PI PE PI LE L I U J u n we i ,Z HA NG Z h o n g - mi a o ,YU Xi u - x ia 2 ,Ql Ku n 。 ,B
4、 I J i n g - p e n g ( 1 _ I n s t i t u t e o f G e o t e e h n i e al E n g i n e e r i n g Z h i a n g U n i v e r s i t y , 3 1 0 0 5 8 ,Ha n g z h o u ,C h i n a ;2 Q i n g d a o I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l D e s i g n C o ,L t d 2 6 6 5 2 0 , Qi n g d a o ,S h a n d o n g ,
5、C h i n a ;3 Q i n g J i a n G r o u p C o ,L t d 2 6 6 0 0 0 , Q i n g d a o ,S h a n d o n g ,C h i n a ; 4 C h i n a R a i l w a y S h i s i j u C o L t d 2 5 0 0 1 4 , J i n a n ,C h i n a ) Abs t r a c t : T h e f l e x u r al a n d s h e a r i n g p r o p e r t i e s o f p r e s t r e s s e d
6、c o n c r e t e p i p e p i l e we r e r e s e a r c h e d b y a c o mp r e h e n s i v e fi e l d t e s t p r o g r a mT h e t e s t r e s u l t s s h o w t ha t t h e fle x u r a l a n d s h e a r i n g p r o p e rti e s a r e b e t t e r t h a n c o d e v a l u e s T h e c r a c k s c r e a t e d
7、 b y b e n d i n g mo me n t c o n c e n t r a t e o n t h e s h a f t 3 0 m i n l e n g t h a n d b rit t l e f r a e t u r e wa s d i s c o v e r e d i n t h e mi d- s pa n o f s h a f t Th e p i l e k e e p s r e l a t i v e l y h i g h e r fle x u r a l c a p a c i t y aft e r c r a c k i n g ,
8、wh e r e a s t h e b e n d i n g s t i ffn e s s i s we a k e n e d Th e s t r a i n o f mi d s p a n c r o s s s e c t i o n a c c o r d s wi t h t h e h y p o t h e s i s o f p l a n a r s e c t i o n u n t i l t h e c o n c r e t e c r a c k s a n d n e u t r a l a x i s mo v e s T h e s t r e s
9、s e s o f t e s t pi l e u n d e r s h e a rin g a c t i o n c o n c e n t r a t e o n p u r e b e n d i n g s e c t i o n T h e s h e a r b r o k e n z o n e a t t h e a n g l e o f 4 5 。 wa s d i s c o v e r e d i n t h e t e s t Th e pi l e k e e p s rel a t i v e l y h i g h e r s h a rin g c a
10、p a c i t y aft e r b r o k e n Ke y wo r d s :p r e s t r e s s e d c o n c r e t e pi p e p i l e ;fl e x u r a l c a p a c i t y ;s h e a r i n g c a p a c i t y ;d e fle c t i o n ;c r a c k 预应力混凝土管桩具有单桩竖向承载力高 、生产 工厂化 、 施工速度快 、 质量可靠等优点 。 已大量应用于 工业民用建筑 、 铁路码头等众多领域 , 成为我国应用最 广泛的桩型之- 。 现有国内外研究成果主要侧
11、重于预应力混凝土管 桩的轴向受力性能【 蛐。 对其抗弯及抗剪性能的研究却 鲜有报道 。本文结合一系列原型试验结果 , 对预应 力管桩抗弯及抗剪性能进行了较 为全面 的研究与分 析 。 l 试验概况 试验共采用2 根P H C 6 0 0 ( 1 I O ) A原型试验桩 , 其生 产采用现有国内通用工艺流程及技术要求。本次试验 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 6 2 0 作者简介 :刘 俊伟 ( 1 9 8 3 一 ) ,男 ,山东 潍坊 人 ,博 士研究 生 , e m a i l : z j u lj w z j u c n 为破坏性试验,以试验桩完全断裂破坏为终止加载条 件 , 试验
12、内容分抗弯试验及抗剪试验两大部分, 测试内 容包括桩身内力( 应力 ) 分布 、 挠度变化 、 裂缝发展及断 裂性状等四大部分 。 2 试验装置及试验桩制备 试验装置按相关规范制作而成I叫 , 采用反力架加 载装置 , 最大可施加竖向荷载3 2 0 0k N( 图1 ) 。 挠度测读 采用5 c m型数字位移计 : 应变观测采用1 0 0 m mx 3 m i l l 型 电 阻应变 片 ,采集装 置使 用D H 3 8 1 5 N 分 布式静 态应 变 测试系统 瘙 缝宽度的测读采用Z B L F 1 0 1 型裂缝宽度 观测仪 ;裂缝分布及发展的记录综合采用数码摄像装 置及毫米方格纸 。抗
13、弯及抗剪试验装置如图l 及 图2 所 示 。 试验的加载方式根据 先张法预应力混凝土管桩 确定。 试验过程着重研究3 种桩身临界状态 : ( 1 ) 开裂状 l 1 0 2 建筑技术 第4 l 卷第 1 2期 态 , 即桩身 出现 裂缝 ; ( 2 ) 破坏 ( 极 限 ) 状态 , 即 出现 裂 缝 宽度达1 5 mm、受拉钢筋拉断或受压区混凝土被压碎 三种情况之一 ; ( 3 ) 断裂状态 , 即桩身发生完全断裂破 坏 , 再无任何承载能力。 位 ,L 1 5 1 荷载分配梁、 腰I L , J 1 位 、 3 6 瘴鸾 _彤 萋 图 1 抗弯试验装置示意 ( a ) 正面 ; ( b )
14、 测面 荷 载 分 配 粱 I i , 龙 门 一 捏 百 分 毒 , 且 : I且 i r 1 管桩、 ; ; 馥 l j 口 囊 。应 蛙 l_ ; i1 , l _ l 。 , o l5 m 【 ) _ 5 0 6 m 图 2 抗剪试验装置示意 ( a ) 正 面 ; ( b ) 测面 ( b) 形 箍 形箍 3 试验结果及分析 3 1抗弯试 验结果及 分析 ( 1 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A 型预应力混凝土管桩在 弯矩作用 下断裂时的裂缝分布展开图如图3 所示。从图可见 , 裂 缝均匀分布于跨中约3 m 范围内, 断裂时主要竖向裂缝 达1 9 条 , 平均长度为2 7 o n
15、, 呈现跨 中位置长而两端短 的分布规律。 管桩的第一条裂缝位于跨中右侧约3 0 o m 处, 而竖向断裂裂缝则位于跨中位置, 两者均位于长度 为1 0 m的纯弯段内。管桩断裂时呈脆性破坏性状 。 与 预应力钢筋配筋率较低有关。 一 1 5 0 1 2 0 9 0 6 0 3 0 跨 中 3 O 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 轴 向 坐标 c m 图 3 6 o o 0 1 0 ) A型管桩裂缝分布不意图 ( 2 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A型管桩的挠度发展情况如 图4 所 示。从图可见 , 加载初期桩身的挠度较小, 至裂缝出现 后 , 随桩身裂缝宽度及分布范围的进一步发展
16、, 桩身变 形加快。桩身跨中挠度明显大于其他位置,且以跨中 截面为中心左右基本呈对称状。管桩在裂缝出现( 加 载至1 2 0k N) 及破坏时( 加载至1 8 0 k N, 裂缝宽度达 1 5 m m)的跨 中最大 挠度 分 别 为l 2 6 3 m m及 1 8 4 2 m m, 前 者为后者的6 8 6 。 一 ( 3 )6 0 0 ( 1 1 0 ) A 型混凝土管桩的应力发展情况如 图5 所示 ( C 8 0 混凝 土弹 性模 量取 3 8 x 1 0 4 MP a tg J ) 。从 图 可见 , 管桩的最大应力基本位于跨中纯弯段内, 但在此 范围之外的局部位置也会出现 应力突然增长
17、的现象 , 主要归因于此位置可能存在质量缺陷。裂缝出现前桩 身各处的应力均非常小且基本呈线性变化 :裂缝出现 后跨中界面处应力发生突变。分析原因主要是和裂缝 形态及离心成型管桩混凝土径向成层性有关17 ,“ J 。图6 为加载过程中沿截面高度处应变分布变化情况 。可见 在裂缝出现前跨 中界面应变基本符合平截面假定 , 裂 缝 出现后 中性轴 上移 ,随后受拉 边缘混凝 土应变 出现 大幅度增长 。 图 5 6 0 0 ( 1 l o ) A型管桩抗弯试验应力发展 ( 4 )6 0 0 ( I 1 0 ) A d 管桩抗弯性能对比情况如图7 所 示。 从图可见 , 试验采用的预应力混凝土管桩的抗
18、弯性 能明显优于规范中的参考值 :抗裂弯矩高出规范值约 2 4 , 极限弯矩高出规范值约2 0 ; 断裂弯矩值为极限 弯矩值的1 1 9 倍 ,可见当管桩破坏( 破坏标准如前所 r L r 广 , L r - L 蚰 4 加 0 5 m 4 图 g口 I 嚣 得 揖 娉 娉 娉 娉 得 得 蝣 三 v l 2 0 1 0 年 1 2月 刘俊伟 , 等 : 预应力混凝土管桩抗弯及抗剪性能试验研究 1 1 0 3 - 述) 后 , 桩身仍具有较高的抗弯承载力。 。 一 20kN -i , -40kN 6 O k N 裂 缝 出 现 、 -) - - 8 0kN 。 。 一 1 ook N l l
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