PHC管樁在輸電線路應(yīng)用中的抗拔分析及改進(jìn)

付建明

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(以下簡稱PHC管樁)基礎(chǔ)具有樁身強(qiáng)度高、生產(chǎn)速度快、施工快捷、易保證成樁質(zhì)量等優(yōu)點，在國內(nèi)外工民建工程中得到廣泛應(yīng)用。但國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集中的樁型不適用于抗拔樁。因此，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)［1］指出PHC管樁主要適用于承壓樁，當(dāng)承受水平荷載或者用作抗拔樁時，應(yīng)根據(jù)工程實際情況適當(dāng)加強(qiáng)樁與樁、樁與承臺的連接構(gòu)造。本文根據(jù)鐵塔基礎(chǔ)長期承受上拔和下壓荷載的交替作用的特點，對PHC管樁基礎(chǔ)進(jìn)行了抗拔計算和分析，指出影響PHC管樁抗拔性能主要體現(xiàn)在樁身抗拉強(qiáng)度與端板抗剪強(qiáng)度的匹配、樁與樁之間的連接、樁與承臺之間的連接等方面，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并應(yīng)用于某工程對改進(jìn)方案進(jìn)行了試驗驗證，結(jié)果證明該改進(jìn)方案可行。

1 樁身及端板強(qiáng)度計算及改進(jìn)

本文以《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［1］PHC 500 AB 100為例進(jìn)行分析和計算，為方便以后的計算，首先給出其計算參數(shù)，如表1所示。

在表1中，ts為端板厚度;d1為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口直徑;d2為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口直徑;h1為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離;h2為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離。

1.1 樁身抗拉強(qiáng)度的計算

國內(nèi)常用的管樁樁身豎向抗拔承載力計算方法有如下幾種:

1)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［1］計算方法:

式中:T為管樁樁身軸向拉力設(shè)計值，kN;fpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值1000 MPa;Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積，mm2;C為考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響而取的折減系數(shù)，C=0.85。

表1 PHC 500 AB 100樁計算參數(shù)Tab.1 PHC 500 AB 100 pile calculation parameters

故T≤0.85×1000×11×3.14×10.72/4≈

840 kN

2)江蘇省標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》［2］計算方法:

式中:σpc為管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，取值6.59 MPa;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值2.22 MPa;A為管樁有效的橫截面面積，mm2。

故T≤(6.59+2.22)×3.14×(5002－3002)/4≈1107 kN

3)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》［4］計算方法:

故T≤6.59×3.14×(5002－3002)/4≈828 kN

由以上計算結(jié)果可知，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與廣東省標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果相近，但與江蘇省標(biāo)準(zhǔn)相差約32%，其原因如下:

1)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計按預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度為控制，并考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭的折減系數(shù)。

2)廣東省標(biāo)準(zhǔn)按樁身不出現(xiàn)拉應(yīng)力為控制條件，只考慮了混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力。

3)江蘇省標(biāo)準(zhǔn)按樁身不出現(xiàn)裂縫為控制條件，既考慮了混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力又考慮了混凝土的抗拉能力。

從表面上看，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)似乎更有道理，但是江蘇省標(biāo)準(zhǔn)混淆了強(qiáng)度控制和裂縫控制的概念，強(qiáng)度控制是以荷載效應(yīng)基本組合對應(yīng)與材料強(qiáng)度的設(shè)計值，而裂縫控制是以荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合對應(yīng)與材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。因此，筆者認(rèn)為樁身抗拉強(qiáng)度計算公式采取國家建筑標(biāo)準(zhǔn)或廣東省標(biāo)準(zhǔn)均可，為方便后文對比分析，本文采取國家建筑標(biāo)準(zhǔn)的計算方法。

1.2 端板結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的計算

端板與預(yù)應(yīng)力鋼筋連接如圖1所示。

根據(jù)表1和圖1，端板沉頭孔的抗剪強(qiáng)度計算為

式中:T為管樁樁身軸向拉力設(shè)計值，kN;n為預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量;fv為端板抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2，端板材質(zhì)為Q235B，取值120 N/mm2。

圖1 端板與預(yù)應(yīng)力鋼筋連接圖Fig.1 End plate with prestressed rebar connection diagram

由此得知，端板沉頭孔的抗剪強(qiáng)度值小于樁身的豎向抗拔承載力，故樁端板是PHC管樁發(fā)揮抗拔作用的“瓶頸”，需要增加其安全度。

1.3 端板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由端板沉頭孔的抗剪強(qiáng)度計算公式可知，影響端板抗剪承載力的兩個關(guān)鍵因素為端板的材質(zhì)和厚度。

1)端板材質(zhì)的影響。在《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［1］中，端板采用的材質(zhì)為 Q235B，抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為120 N/mm2;假設(shè)端板采用Q345B鋼，那么材料的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值將提高到180 N/mm2。與Q235B相比，端板抗剪強(qiáng)度增加了50%。

2)端板厚度的影響。假如將端板的厚度增至22 mm，其抗剪強(qiáng)度為

將其與20 mm的端板相比，端板抗剪強(qiáng)度增加了約16%。因此，在輸電線路工程使用PHC管樁時，一定要注意驗算樁身抗拉強(qiáng)度與端板抗剪強(qiáng)度是否匹配，應(yīng)適當(dāng)增加端板厚度或使用更高強(qiáng)度的材質(zhì)，以提高端板的抗剪強(qiáng)度，增加安全儲備。

2 樁的接頭方式及改進(jìn)

民用建筑采用的PHC管樁基本上屬于承壓樁，若接頭質(zhì)量不好，其危害一般不會馬上顯現(xiàn)出來，但是，隨著輸電塔的基礎(chǔ)長期承受上拔和下壓荷載的交替作用，尤其耐張塔的拉基礎(chǔ)長期處于上拔荷載的作用很容易因斷樁而出現(xiàn)嚴(yán)重的事故，所以抗拔樁的接頭質(zhì)量至關(guān)重要。

目前工程中連接方式主要采取電焊焊接，此種連接方式存在一定的安全隱患。首先，輸電線路施工現(xiàn)場多數(shù)在荒郊野外，施工環(huán)境非常惡劣，只能采取人工施焊，施工單位的管理水平及施工人員的水平差異造成焊接質(zhì)量差異較大。其次，焊接時一般先在坡口圓周上對稱點焊4～6點，待上下樁節(jié)固定拆除導(dǎo)向箍，再由兩名熟練焊工對稱施焊。焊接層數(shù)一般為3層，內(nèi)層焊渣必須清除干凈后方可施焊外一層。每個接頭一般需要20 min焊完，再等焊縫自然冷卻8 min后，才能繼續(xù)沉樁，浪費(fèi)了大量的時間，影響施工的效率。同時許多施工人員不等焊縫冷卻就進(jìn)行沉樁，以致形成接頭淬火，甚至出現(xiàn)脆裂，造成隱患。鑒于電焊連接存在這些缺點，本文將推薦兩種機(jī)械連接方式，即機(jī)械嚙合連接和機(jī)械連接卡連接。機(jī)械連接一般耗時1～2 min，即可繼續(xù)沉樁，相對焊接方法，工作效率提高80%以上，操作方便簡捷。

2.1 機(jī)械嚙合連接

機(jī)械嚙合連接技術(shù)是在管樁樁端每個接頭的預(yù)埋鋼板上，均勻焊上一定數(shù)量的接樁用的連接槽，內(nèi)藏鋼銷板和壓力彈簧，如圖2所示。

圖2 嚙合連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of meshing connection

鋼銷板為帶齒牙向樁身的滑塊，用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，其后面以壓力彈簧緊固。管樁接駁時，首先把兩根接樁樁端預(yù)埋鋼板表面和鋼板上各個連接槽內(nèi)填塞的聚苯乙烯泡塑等雜物清理干凈，然后將連接銷(絲牙部分)涂上防水膠，待接樁用扳手旋入各根連接銷(絲牙部分)擰緊，連接銷有一半長度外露，這時把待接樁吊起，清掃干凈連接銷，在連接槽內(nèi)涂抹適量的防水膠，然后讓樁端的各個連接銷對準(zhǔn)下部入土樁的連接槽后插入，從而使連接槽內(nèi)的空隙被防水膠溢滿，將兩根樁通過連接銷的機(jī)械嚙合作用而緊密的連接起來。該連接方式要求連接銷抗拉能力大于樁身的抗拉能力，計算公式不再贅述。

2.2 機(jī)械連接卡連接

機(jī)械連接卡連接技術(shù)是由3個相同的、弧度為120°的“［”型連接卡組成，每個連接卡上設(shè)有一定數(shù)量的螺栓孔，均勻分布，通過螺絲將連接卡與端板進(jìn)行固定，如圖3所示。

圖3 樁間連接示意圖Fig.3 Piles connection diagram

該連接方式要求連接卡的抗剪能力及連接螺栓的抗剪能力均應(yīng)大于樁身的抗拉能力，計算公式不再贅述。

3 樁身與承臺連接

管樁與承臺連接的主要方式為采用微膨脹混凝土填芯并內(nèi)插鋼筋，填芯的高度和插筋應(yīng)進(jìn)行截面抗拉承載力驗算。但是，在實際運(yùn)用中，由于管樁內(nèi)壁不可避免有離心浮漿層的存在，施工問題造成填芯的施工質(zhì)量不同，對填芯的整體抗拉強(qiáng)度造成了損失。因此，將連接方式進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)實際情況提出如下兩種連接方式。

3.1 不截樁與承臺連接

抗拔力由樁身外部鋼筋和填芯混凝土內(nèi)插鋼筋共同承擔(dān)。樁頂與承臺連接方式如圖4所示。

圖4中①號鋼筋為樁身外部鋼筋，② 號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、② 號鋼筋共同承擔(dān)樁與承臺之間抗拔承載力。采用該連接方式時，①號鋼筋與樁身通過連接套管來實現(xiàn)。

3.2 截樁與承臺連接

此種連接方式的抗拔力由預(yù)應(yīng)力鋼筋和填芯混凝土內(nèi)插鋼筋共同承擔(dān)。樁頂與承臺連接方式示意圖如圖5所示。

圖4 不截樁樁頂與承臺連接示意圖Fig.4 No pile top and cap connection diagram

圖5 截樁樁頂與承臺連接示意圖Fig.5 Pile top and cap connection diagram

圖5中①號鋼筋為抗拔管樁樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔(dān)樁與承臺之間抗拔承載力。采用該連接方式時，保留端板，并采取有效措施保證截樁后抗拔管樁的質(zhì)量，嚴(yán)禁野蠻施工。

以上兩種抗拔管樁與承臺連接的措施均能有效地加強(qiáng)抗拔節(jié)點的能力。

4 PHC管樁及機(jī)械連接卡抗拔試驗

將上述提出的端板加強(qiáng)方法以及樁頭機(jī)械連接卡連接方式用于某工程，即通過3個樣品進(jìn)行抗拉試驗，驗證端板的抗剪強(qiáng)度、機(jī)械連接卡連接性能是否滿足要求，以為工程的應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

4.1 加載方式

加載方式按照《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［11］的要求進(jìn)行，當(dāng)加載至2倍的抗拉強(qiáng)度特征值(即1680 kN)時，停止試驗，每級荷載停留3 min。

4.2 試驗樁的材料及參數(shù)

試驗樁外徑500 mm，壁厚100 mm，混凝土強(qiáng)度為C80，樁長3 m，端板厚度為22 mm，機(jī)械連接卡及端板材質(zhì)為 Q345B，采用 M12的高強(qiáng)螺栓，數(shù)量3套。

4.3 試驗步驟

1)完成試驗樁的連接。

2)將連接好的抗拔樁吊至鋼模中，然后合模。

3)開始試驗，利用張拉機(jī)對試件進(jìn)行張拉。

4.4 試驗結(jié)果

荷載載至1680 kN停留3 min，停止試驗，試件未出現(xiàn)斷樁等破壞。卸載后對接頭進(jìn)行拆檢，結(jié)果顯示端板和機(jī)械連接卡完好，說明端板及機(jī)械連接卡能滿足抗拉強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)論

1)在使用PHC管樁時，一定要對圖集中各關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行驗算，使各部件的強(qiáng)度能夠完好匹配。

2)通過對PHC管樁與樁連接方式的改進(jìn)，能夠提高施工效率，提高樁身的抗拉強(qiáng)度，并可用作輸電塔的一種基礎(chǔ)型式。

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