预应力混凝土抗拔管桩的研究与试制.pdf
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1、7 4 江苏建筑 2 0 1 1 年第 4期 ( 总第 1 4 2期 ) 预应力混凝土抗拔管桩的研究与试制 陈 芳 斌 陈巧 ( 江苏建华管桩有限公司, 江苏镇江2 1 2 4 1 3 ) 【 摘 要】 预应力混凝土管桩( P H c ) 以单桩承栽力高, 抗弯性能好, 造价便宜, 适应性好, 施工便捷等优点广泛应用于建筑 基础工程 中。将 管桩应 用在抗拔工程 中时, 存在管桩与管桩连接 、 管桩 与承 台连接 两个方面的问题仍 需进一步解决。通过理 论分析和计算, 从桩身结构 中进行 了改进 , 开发 了一种用于管桩与管桩的机械连接 方法 , 并通过 室 内试验进行 了论证。试验 表明 ,
2、 加 载至桩身抗拉 承栽力的 2倍 特征 值时 , 桩接 头处 的端板与机械连接卡均 未 出现破坏 。 该机械连接 方法可满足要 求。 根据 实际工程情况对管桩与承 台的连接提 出了 3种连接措施 , 有效的解决管桩与承 台的连接 问题 。 使 管柱的应 用范围更加 广 泛 。 【 关键 词】 预应力混凝土管桩; 抗拔; 连接; 研究; 试制 【 中图分类 - T U 4 7 3 1 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号 1 o o 5 6 2 7 0 2 0 1 1 ) o 4 0 0 7 4 一 O 6 Th e Re s e a r c h a n d T r i a l P r o
3、d u c t i o n o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e An t i - fl o a t i n g P i p e P i l e C H E N F a n g - b i n C H E N Q i a o ( J i a n g s u J i a n h u a C o n c r e t e Hi e C o , L t d , Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 4 1 3 C h i n a ) Ab s r a c t : P r e s t r e s s e d c o n c
4、r e t e p i p e p i l e ( P HC ) a r e w i d e l y u s e d i n b u i l d i n g f o u n d a t i o n e n g i n e e ri n g w i t h t h e h i 【g h b e a r i n g c a p a c i t y ,b e n d i n g p e rf o r ma n c e ,l o w c o s t ,g o o d a d a p t a b i l i t y ,c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n
5、 a n d S O o n T h e p i p e p i l e u s e d i n t h e a n t i - p u l l i n g p r o j e c t s h a d t w o i s s u e s t h a t p i p e p i l e a n d p i p e p i l e c o n n e c t i o n s , p i p e p i l e a n d p i l e c a p c o n n e c t i o n s t i l l n e e d t o b e r e s o l v e d Th r o u g h
6、t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n ,a n d i mp r o v i n g t h e p i l e s t r u c t u r e , a ma c h i n e r y f o r p i p e p i l e a n d p i p e p i l e c o n n e c t i o n me t h o d s wa s d e v e l o p e d , a n d h a s b e e n d e mo n s t r a t e d b y l a b o
7、r a t o r y e x p e rime n t s Th e t e s t s s h o w e d t h a t t h e t e n s i l e l o a d t o t h e p i l e b e a r i n g t w o t i me s t h e c h a r a c t e ri s t i c s t r e n g t h v a l u e , t h e e n d - p l a t e a n d m e c h a n i c a l c o n n e c t i o n c a r d o f t h e p i l e j
8、o i n t s a l l w i t h n o d e s t r u c t i o n , a n d t h e me c h a n i c a l c o n n e c t i o n me t h o d s c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l p r o j e c t s , t h r e e me a s u r e s t o t h e p i p e p i l e a n d p i l e c a p c o n n e c t
9、 i o n a r e p u t f o r w a r d t h a t e ff e c t i v e s o l u t i o n t o t h e c o n n e c t i o n o f p i p e p i l e a n d t h e c a p i s s u e s , S O t h a t a wi d e r r a n g e o f p i p e p i l e a p p l i c a t i o n s 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 p i p e p i l
10、 e ; a n t i - p u l l i n g ; c o n n e c t i o n ; r e s e a r c h ; t ri a l p r o d u c t i o n O前 言 在 2 O世纪 9 O年 代初 。 我国引进 日本 、 韩 国等发达国家 的先进技术 ,研究 开发 了预应力高强混凝 土管桩 ( 简称管 桩, 代号 P HC ) 。 预应力混凝土管桩以单桩承载力高 , 抗弯性 能好 , 造价便宜 , 适应性好 , 施工便捷等优点在长三角 、 珠三 角等地区迅速推广应用,广泛应用于工业与民用建筑的高 层、 多层、 交通领域( t n 铁路 、 公路、 桥
11、梁等) 、 机场、 港 口、 码 头 、 市政 等工程【 1 。以往房屋建筑的混凝土管桩基础主要承 受竖向抗压荷载 ,但 目前 许多桩基础则要同时承受竖向抗 压荷载和竖向拉拔荷载。近年来已有一 些工程在业主要求 降低工程造价的压力推动下 ,将管 桩作为抗 拔管 桩使用田 。 目前用 于抗 拔工程 的管桩存在两个 问题仍需进一 步解决 , 一 个是管桩与管桩的连接 , 另一个为管桩与承 台的连接 。 目 前应用到抗拔 工程中的管 桩与管桩 的连接大部分仍 为电焊 焊接 , 此种焊接方式存在一定的安全隐患 , 主要是 管桩 桩头 处端板与端板焊接存 在安全隐患。 一方 面是施工质量 问题 。 由于
12、现场桩基施 工单 位及人员 的水平差异造成桩 头与桩头 焊接的质量差异较大 。焊接质 量的好坏直接影 响抗拔 管桩 的使用 , 给工程造成安全隐患。 另一方面这种焊接方式所需 时间较大 。影 响了工 程的进度 。同时增加施工人员 的工作 量。因为桩头与桩 头焊接后 , 需要 1 0 mi n 一 1 5 ra i n的等待 , 方可进行沉桩 , 浪费 了大量的时间 , 影响 了施 工的效 率。等 待时间越长 , 桩侧 阻力越大 , 影响施 工质量 , 甚至难 以达 到 收 稿日 2 0 1 1 0 4 1 1 作者简介】 陈 芳 斌 , J ( 1 9 8 1 - ) , 江 苏 建 华 管
13、桩 有 限 公 司 , 从 事 混 凝 土 制 品 方 面 的 研 究 工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年第 4期( 总第 1 4 2期 ) 7 5 设 计标高。同时许多桩基施工人员未等焊接处冷却就 继续 沉 桩 降低 了焊 接的质量 。 目前管桩 与承台的连接主要 是通 过混凝 土填芯方法来增加桩与承 台的粘结力 ,但是这 种方 法存 在一定的问题 ,有时会致使填芯被直接拔 出而影 响抗 拔工程的施工质量 危害建筑物的安全 从而 给工 程造 成了 安全隐患 。 因此开发一种适用 于抗拔 工程 的 P HC管桩显得 十分重要
14、。 1 管桩桩 身的改进 目前 ,当 P H C管桩 在作 为抗拔管桩用 于抗拔工程时 , 其结构强度 的计算主要包括桩 身轴 向抗 拉承载力 、填芯长 度计算等的验算 , 最 终确定管桩抗拔承载力。 而对桩身结构 的计算还应包括端板孔 口抗剪强度 等 , 尤其是在生产 中。 1 1 桩身结构的改进 目前关 于管桩 桩身 轴 向抗拉 承载力 的计算公 式 主要 有 : ( 1 ) 国家建 筑标准 设计 预应力 混凝 土管 桩) ( 1 0 G 4 0 9 ) 推荐公式(3 l : C x f p r x A ( 1 ) ( 2 ) 广东省标准 预应力混凝土管桩基础 技术规程 ( D B J T
15、 I 5 2 2 9 8 ) 推荐公式 : N = t r W 4 ( 2 ) ( 3 ) 江苏省工程建设 推荐性技 术规程 先 张法预应力混 凝土管 桩基础技 术规程 ( 苏 D G J 3 2 T J 1 0 9 2 0 1 0 】推荐公式 ( 管桩处 于一般环境或设计一般要求不 出现裂缝) 阁 : ( c r + f 0 A。 ( 3 ) 式 中: - 一管桩桩身轴 向拉力设计值 , k N; 一 钢棒的抗拉强度设计值 , MP a ; A 预应力钢筋 面积 ; C 一考 虑预应力钢筋镦 头与端 板连接处 受力不均 匀等因素 的影响而取 的折减 系数 , 取 O 8 5 : 仃 管桩混凝
16、土有效预压应力 , M P a ; A一管桩有效横截 面面积 。 In m 2 : 混凝 土轴 心抗 拉强度设 计值 , MP a 。 从公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 可以看出, 影响管桩桩身抗拉承载力的 因素主要有钢棒 的抗拉强度 , 预应力钢筋面积 , 管桩混凝土 有效预压应力 , 管桩有效横截面面积 。 故桩身结构 的改进主 要为提高钢棒 的抗拉强度 , 增大预应力钢筋面积 即配筋率 , 提高混凝土有效预压应力 , 增大管桩有效横截面面积 。 结合 国标和苏标 , 考虑实际工程情况 将用 于抗拔 工程的预应力 混凝土抗拔 管桩 的桩 身混凝土强 度提高至 C 8 0以上 配筋
17、率 为 0 5 以上 , 钢筋直径 不得小 于 9 0 m m。 钢筋筋数 至少 为 8根 。 桩身直径 为 4 0 0 m m 以上 , 同时适 当提高桩 身有效 横截面面积 。 1 2 端板结构 的改进 在生产 中经常 出现端板沉 头孔 被拉 穿 原因是 由于端 板沉头孔 的厚度未能 达到抗剪 的要求。 以江苏 图集苏 G 0 3 2 0 0 2中的 P H C B 5 0 0 ( 1 0 0 ) 桩参 数为计 算例 , 端 板具体 参数 见表 l 。 表 1 管桩端板部分参数 根据表 1 及 图 1 , 端板厚度 t , = 2 0 mm, 端 板沉头孔抗剪 强度设计值计算如下 : N
18、, n zt(华 ) - - = 1 4 x 3 1 4 ( 1 2 + 2 0 ) , 2 ( 2 O 一 ( 9 5 + 6 5 ) 2 ) x 1 2 0 = 1 0 1 3 k N ( 4 ) 式 中: 一 管 桩单桩抗 拔力设计 值; n 一 预应力钢筋数量 , 根 ; d l 一端板上预应力钢筋锚 固孑 L 台阶上口直径 , m m; 一 端板上预应力钢筋锚 固孑 L 台阶下 口直径 , mm; 一端 板 上预 应 力钢 筋锚 固孔 台 阶上 1:3距端 板 顶 距 离 , m m ; , 一 端 板上 预 应力 钢 筋锚 固孔 台 阶下 口距 端 板 顶 距离 , m m; 一
19、端板 抗剪 强度设计 值( N m mz ) , I Rf = 1 2 0 N mm ; f 一端板 厚度 , m m。 I d 2 I 图 1 端板与预应力连接详图 经计算发现 , 端板沉头孔 的抗剪强度 值小于桩身强度 。 假设将端板 的厚度加 厚至 t = 2 4 mm。可提高端板沉 头孔的 抗剪强度 , 增加其安全度。端板 的厚度加至 2 4 m m时 , 其抗 剪强度为 : N n cr(华 ) 一 毕 = 1 4 x 3 1 4 x ( 1 2 + 2 0 ) 2 x ( 2 4 - ( 6 5 + 9 5 ) 2 ) 1 2 0 = 1 3 5 0 k N ( 5 ) 与 2 0
20、 m m 的端板 比较 。抗剪强度增加 了 f 1 3 5 0 1 0 1 3 ) 1 0 1 3 1 0 o = 3 3 3 。故增 加端 板的厚度尤其是沉头孔 的厚 度有助 于确保抗拔管桩 的质量 。 目前管桩所采用 的端板结构如 图 2所示 。 从 图 2可 以看 出。目前的管桩端板构造决定 了大部分 应用至工程上 的桩 的接桩方式 为电焊焊接 , 如前所述 , 电焊 焊接存 在很 多不 稳定 因素影响了工程基 础建设质量 的稳定 性 和可靠性 。新 型抗拔管桩 的端板舍去原管桩端板 采用的 坡 口、 止 口的形式 , 只采用抱箍 口及 卡槽 口 。 如图 3 所示 。 同 学兔兔 w
21、w w .x u e t u t u .c o m 7 6 江苏建筑 2 0 1 1 年第 4期 ( 总第 1 4 2期 ) 蕾桩| - 板翻视圈 板 结构 图 孔 卡t口 。 螺 丝 加 圈 孔 1 ( 1 ) 俯视图 ( 2 - A剖视图 图 3 新型抗拔管桩端板结构 时增加 了端板 的厚度 , 进一步提高了端板的抗 剪性 能。 2抗拔管桩 连接 方式 的改进 目前管桩进行接桩时 ,多采用桩 顶端板的直接焊接接 头 的方式进行 , 由于现场施工人员的水平参 差不齐 , 致使焊 接质量得 不到保证 , 而且焊接所需的时间较长 , 影响 了工程 施 工进度 。因此新 型抗拔管桩研制 的首要 目
22、的是解决桩 与 桩 的连接方式 。 同时使其在接桩时连接质量可靠 , 施工简单 方便 。 改进后 的连接方式为机械连接卡连接 , 抗拔管桩 与桩 连接成功后如 图 4所示 。 其 中机械连接卡 由 3个相同 、 弧度 约为 1 2 0 。 的 U型 连接卡组 成。机械 连接卡 上设有一 定数 量、 直径相 同的螺栓孔 每片机械连接卡上 的螺栓孔应均匀 分布 , 两螺栓栓孔之间的夹角相等 , 公差 为 1 0 , 其 累积公 差不得大于 l O 。机械连接卡材料采用 Q 2 3 5 B钢, 每个连 接卡之间 的间隙约为 1 。 , 通过 螺丝将机械 连接卡与端板 牢 牢固定 , 避免在沉桩 的过
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