混合配筋预应力混凝土管桩研究现状简述.pdf
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1、预应力钢筋螺旋箍筋非预应力钢筋DD螺旋箍筋螺旋箍筋桩套箍端板LtL1tL2L1预应力钢筋非预应力钢筋图1PRC管桩横断面示意图Fig.1Cross-sectional Diagram of PRC Pipe Pile广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.008作者简介:郭冬冬(1994-),男,硕士研究生,助理工程师,主要从事预应力混凝土预制构件方面的研究。E-mail:0引言预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)
2、是现阶段最为常用的水泥制品构件,其具有单桩承载力高、工程造价低廉、施工便捷等特点被广泛用于各类基础工程。实际工程中,管桩主要是作为承受竖向荷载的基础构件1-3。然而在一些对基础抗震和抵抗水平力有较高要求的场合,预应力混凝土管桩存在抗弯能力不足及延性差等问题,在地震多发区域管桩的水平承载力不足是造成管桩破坏的主要原因4-9。为改善管桩的抗震性能,研究人员在管桩中预应力钢棒的分布圆上均匀加入一定数量的非预应力钢筋,设计出了混合配筋的预应力混凝土管桩(PRC管桩)。目前国内外已经对混合配筋预应力混凝土管桩进行了许多理论和试验研究,为简要了解其在工程领域的应用及研究现状,本文将从以下几个方面对混合配筋
3、预应力混凝土管桩的研究现状展开综述,总结出PRC管桩的力学性能特点,为PRC管桩市场推广前景及进一步研究提供借鉴。1混合配筋预应力混凝土管桩抗弯、抗剪性能对于混合配筋预应力混凝土管桩(PRC桩),相比传统管桩,其内部钢筋布置增加了非预应力钢筋,如图1所示。为了解增加非预应力钢筋对管桩水平承载力的影响,许多研究者针对混合配筋预应力混凝土管桩(PRC管桩)的抗弯承载力进行了试验研究。王新玲等人10-11对5种配有非预应力钢筋的新型预应力混凝土管桩(每种形式制作2根)与2根普通预应力混凝土管桩进行了抗弯试验,结果表明配置非预应力钢筋后的管桩具有好的抗弯性能。杨泽东12在室内进行了PRC管桩的抗弯试验
4、,发现PRC管桩的开裂弯矩和极限弯矩分别是 预应力混凝土管桩:10G409 规定值13混合配筋预应力混凝土管桩研究现状简述郭冬冬1,张耀文1,朱怀龙2(1、广东三和管桩股份有限公司广东中山528414;2、华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与重点实验室南昌330013)摘要:近年来,在传统预应力混凝土管桩的基础上增配非预应力钢筋形成的混合配筋预应力混凝土管桩(PRC管桩)因为其较好的力学性能得到学者们的关注。为了解PRC管桩的研究现状,对PRC管桩的抗弯、抗剪和抗震性能研究成果及其在工程中的应用案例进行了综述,以期为PRC管桩的优化设计提供借鉴与参考。调研结果表明,PRC管桩在基坑支护方面
5、的应用达到了良好设计预期。相比传统管桩,PRC管桩的抗震性能显著改善,其延性和抗弯承载力也有显著提高,然而,抗裂和抗剪性能的改善并不明显。关键词:混合配筋;预应力;混凝土管桩;力学性能中图分类号:TU473.1文献标志码:A文章编号:1671-4563(2023)07-032-05Research Status of Prestressed Concrete Pipe Pile with Hybrid ReinforcementResearch Status of Prestressed Concrete Pipe Pile with Hybrid ReinforcementGUO Dongd
6、ong1,ZHANG Yaowen1,ZHU Huailong2(1、Guangdong Sanhe Pile Co.,Ltd.Zhongshan 528414,China;2、Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety and Controlin Geotechnical Engineering,East China Jiaotong UniversityNanchang 330013,China)AbstractAbstract:In recent years,hybrid reinforced prestressed concrete
7、pipe pile(PRC pipe pile),which is formed by adding non-prestressedreinforcement on the basis of traditional prestressed concrete pipe pile,has attracted the attention of scholars because of its better mechanicalproperties.In order to understand the research status of PRC pipe pile,the research achie
8、vements of flexural,shear and seismic performanceof PRC pipe pile and its application cases in engineering are reviewed.It is expected to provide reference for the optimal design of PRCpipe piles.The survey results show that the PRC pipe pile has reached the good design expectation in foundation exc
9、avation support.Compared to conventional pipe piles,PRC pipe piles have significantly improved seismic performance,ductility and ultimate flexural capacity.However,the improvement in cracking and shearing capacity is not significant.Key wordsKey words:hybrid reinforcement;prestress;concrete pipe pil
10、e;mechanical property32郭冬冬,等:混合配筋预应力混凝土管桩研究现状简述JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期的1.56倍和1.42倍。杜新喜等人14开展混合配筋预应力混凝土管桩(PRC桩)和传统管桩(PHC桩)的抗弯性能试验,根据试验结果他们发现,相比 PHC 桩,PRC12(非预应力钢筋为1612)管桩的极限弯矩平均提高了43.7%,PRC16(非预应力钢筋为1616)管桩的极限弯矩平均提高了63.3%,说明加入非预应力钢筋可以显著提高抗弯承载力,随后又采用“等效钢带法”推导出了预应力混凝土管桩正截面的承载力简化 计 算 公 式;郭
11、杨 等 人15利 用 试 验 测 试 了PRC600AB-和PRC600AB-两种常用规格PRC管桩的受弯和受剪性能,分析指出配置 1212的 PRC桩的开裂弯矩和极限弯矩分别是配置 812的 PRC桩的1.1倍和1.4倍,增加非预应力钢筋能提高PRC桩的受弯承载性能,并且建议采用式式16-17计算PRC桩的抗弯承载力。在理论计算方面,王清等人18推导了混合配筋预应力环形截面构件正截面受弯承载力理论计算方法,并且与 混凝土结构设计规范(2015年版):GB 50010201016中给出的叠加法计算公式进行了比较,结论为使用式适用于PRC管桩的受弯承载力设计值的计算。另外,也有许多学者通过有限元
12、模拟展开了对混合配筋管桩抗弯承载力的研究。王新玲等人19基于管桩的抗弯模型试验数据,结合有限元软件对混合配筋预应力混凝土管桩的抗弯刚度进行了模拟分析,进而修正了适用于PRC桩开裂前后抗弯刚度计算公式;张锡治等人20的有限元模型讨论了轴压比、配筋强度比、预应力度和混凝土强度等参数对混合配筋管桩受力性能的影响,结果表明管桩极限承载力随着配筋强度比的增大而小幅度增大;郭杨等人21在PRC管桩抗弯承载力试验的基础上,采用 ANSYS有限元程序对 PRC管桩在集中荷载作用下的开裂荷载和极限荷载进行了模拟分析。可见,配置非预应力钢筋的管桩极限弯矩有了显著提高,然而抗裂弯矩增加幅度并不显著。混合配筋管桩正截
13、面受弯承载力设计值计算:M=tfcA()r1+r2sin2+fpyAprpsin2+()fpy-p0Aprpsint2+fyASrSsin+sint=fpyAp+fyAStfcA+fpyAp+1.5()fpy-p0Ap+2.5fyASat=1-1.5a混合配筋管桩正截面受弯承载力极限值计算:Mu=tfckA(r1+r2)sin2+fpyAprpsin+(fptk-p0)Aprpsint+fykASrSsin+sint=fptkAp+fykAStfckA+fpyAp+1.5()fptk-p0Ap+2.5fykASat=1-1.5a式中:M为PRC管桩正截面受弯承载力设计值(kNm);Mu为 PR
14、C 管桩正截面受弯承载力极限值(kNm);A为管桩桩身横截面面积(mm2);AS为全部纵向非预应力钢筋的总截面面积(mm2);Ap为全部纵向预应力钢棒的总截面面积(mm2);r1、r2为环形截面的内外半径(mm);rS为纵向非预应力钢筋所在分布圆的半径(mm);rp为纵向预应力钢棒所在分布圆的半径(mm);a为矩形应力图中,混凝土受压区面积与全截面面积的比值;at为矩形应力图中,纵向受拉预应力钢棒达到屈服强度的钢筋面积与全部纵向预应力钢棒截面面积的比值;sp0为预应力钢棒合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢棒应力(N/mm2);fc、fck分别为混凝土轴心抗压强度设计值和标准值(N/mm2
15、);fpy、fptk分别为预应力钢棒的抗拉强度设计值和标准值(N/mm2);fpy为预应力钢棒抗压强度设计值(N/mm2);fy、fyk分别为非预应力钢筋抗拉强度设计值和标准值(N/mm2);g为考虑实际条件下的综合折减系数,取g=0.95。另一方面,混合配筋管桩的抗剪性能也是不容忽视的研究重点。张忠苗等人22-23选取 PRC600(110)桩为对象依据国标试验方法进行抗弯抗剪试验,指出在剪力作用下配置非预应力螺纹钢筋改变了桩身的应力和裂缝分布规律,显著减小了桩的变形量,然而对抗剪承载力的提高没有显著影响;胡新喜等人24-25对3根PHC600(110)桩和7根PRC600(110)桩进行了
16、抗剪承载力对比试验,试验数据显示,无轴压时PRC桩的极限剪力比PHC桩提高了3.6%,在同一级竖向荷载作用情况下,PRC 桩跨中挠度比 PHC 桩减小17%30%,后续的有限元模拟结果与试验结果也基本吻合,说明在PHC桩中加入非预应力钢筋可以提高管桩的抗剪承载力和抗剪刚度。徐金等人26的PRC桩抗弯抗剪试验与有限元模拟结果显示,相比普通管桩,PRC桩的开裂弯矩增加不显著,但是其极限弯矩明显增大,所有PRC桩比普通管桩的抗裂剪力略微减小,随着与非预应力钢筋直径增加,抗裂剪力逐渐减小,极限弯矩逐渐增大;崔川27的有限元模拟结果同样认为混合配筋管桩的延性有所提高,抗弯性能显著提高,但是其极限剪力会有
17、所降低。通过对以上研究的回顾不难发现,配置非预应力螺纹钢筋改变了桩身的应力和裂缝分布规律,显著减小了桩的变形量,桩的延性有所提高,然而,不能有效提高抗剪承载力。2混合配筋预应力混凝土管桩抗震性能在地震多发区域,研究人员最关心的就是桩的抗震性能。早在1983年日本就已经开发出ST桩、PRC桩,以增强管桩的抗震性能。为了解混合配筋管桩抗震性能,学者们已经对其展开了研究。戎贤等人28-30,宁飞31,徐金等人32,YANG等人33-34对配置不同直径非预应力钢筋的混合配筋混凝土管桩进行33广东土木与建筑JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期了低周往复荷载试验及有限元
18、模拟,分析了桩的破坏形态与受力性能。结果表明布置适当直径的非预应力钢筋能提高管桩位移延性系数,改善管桩脆性断裂的不足;王铁成等人35-36的低周往复加载试验指出,配置非预应力筋可显著提高 PHC管桩的极限位移,改善桩的破坏模式从而增强桩的抗震能力;王文进37研究表明PRC管桩在往复荷载作用下发生延性破坏,其极限承载力相比PHC管桩提高了30%60%;刘彦坡38通过开展现场试验和有限元模拟研究了考虑桩-土相互作用下PRC管桩的水平承载性能及其在地震作用下的受力和变形特点,分析认为在低周水平往复荷载作用下,增配非预应力钢筋使得PHC管桩的破坏形式呈现从脆性破坏到延性破坏的一个逐渐过渡的过程,能够改
19、善常规 PHC 管桩抗震性能;张锡治等人39通过拟静力试验研究了轴压比对预制高强混凝土混合配筋管桩的破坏形态和抗震性能的影响,结果表明,配置预应力钢筋的管桩试件残余应变位移更小,自复位能力更强;刘畅等人40在软土地区对PHC管桩和复合配筋管桩进行了现场足尺抗震性能试验,试验指出混合配筋管桩的抗震性能相比PHC管桩有显著提高;郑刚等人41针对预应力管桩、预应力方桩和钻孔灌注桩等38根桩,在典型软土场地展开了原位单桩拟静力试验,考虑桩-土相互作用对比了低周往复水平荷载作用下不同桩型的承载性状及抗震性能,试验结果表明常规预应力桩延性较差,呈脆性破坏,而增配非预应力筋的预应力桩的位移延性及耗能能力得到
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