螺鎖式預應力混凝土方樁連接接頭受剪性能研究

劉雨松， 齊金良， 龔順風， 周兆弟

(1 浙江大學土木工程學系， 杭州 310058； 2 兆弟集團有限公司， 杭州 310012)

0 引言

預應力混凝土預制樁憑借單樁承載力高、生產(chǎn)工藝純熟、施工高效便捷以及經(jīng)濟效益突出等優(yōu)點，被廣泛應用于基礎工程當中。工廠標準化生產(chǎn)時，為了起吊、運輸和堆放的方便，預制樁單樁長度一般不超過15m。當單樁長度無法滿足設計要求時，不可避免需要進行現(xiàn)場接樁處理，早期常采用法蘭盤連接的方式，現(xiàn)已逐步被硫磺膠泥粘結連接和焊接連接所取代[1]。目前，焊接連接在工程接樁中使用較為廣泛，連接方式比較簡單，但施工質(zhì)量易受到人為因素和天氣環(huán)境的影響。而近些年出現(xiàn)的各種機械連接接頭則能有效避免這些問題，在提高施工效率的同時也能保證連接的可靠性。

預制樁連接接頭是樁基中較為薄弱的部位，其可靠程度直接影響樁身承載性能，國內(nèi)外學者對此進行了大量的研究。劉芙蓉等[2]對預應力混凝土空心方樁焊接接頭進行了抗彎性能試驗研究。李偉興等[3]研究了改進的外貼焊接鋼板標準焊接接樁節(jié)點在受力性能、施工工藝和焊接質(zhì)量等方面的優(yōu)勢。戴曉芳等[4]介紹了一種由插接式接樁扣和預制件連接的接樁方式，結合試驗和有限元分析對經(jīng)加速劣化處理管樁的耐久性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)該機械連接接頭相較于傳統(tǒng)焊接接頭具有安全環(huán)保、快速便捷、耐久性好、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。徐銓彪等[5]研究了復合配筋方樁增強型連接接頭的抗彎性能，得到了其破壞形式為樁身抗彎破壞和端板與樁身連接破壞。路林海等[6]進行了使用承插式樁接頭的預制方樁的受彎承載力試驗和有限元分析，考查樁接頭在各階段的受力變形特征，并用試驗結果驗證了所推導樁接頭受彎承載力計算式的正確性。王云飛等[7-8]研發(fā)了一種彈卡式連接預應力混凝土方樁接頭，通過足尺受拉、受彎試驗和有限元分析肯定了彈卡式連接接頭良好的力學性能。趙慧玲等[9]對采用翼緣L型鋼板-鋼連接板-高強螺栓連接的預應力工字型圍護樁接頭開展了剪切試驗和有限元分析，研究了接頭的破壞模式、承載能力及影響因素，為接頭形式的改進提供了依據(jù)。Korin等[10]提出了一種改進型機械連接接頭，通過拉伸試驗驗證了該接頭優(yōu)秀的抗拉性能和較好的適用性，可以用于不同尺寸的方樁拼接。Ptuhina等[11]則總結研究了目前幾種使用廣泛的預制樁拼接方法在經(jīng)濟性、耐久性和現(xiàn)場工作量等方面的優(yōu)缺點，指出插銷式機械接頭是最有效的連接方法。

上述研究中，有對焊接接頭的加固改進，也有機械接頭的研發(fā)應用，這些方法都不同程度上提高了連接接頭的可靠性，但也有相應的不足。加固改進傳統(tǒng)焊接接頭的做法進一步增加了施工工序，降低了工作效率，仍然沒有解決焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。而研發(fā)的各種機械接頭往往要配備特定的端板和連接配件，連接方式復雜，生產(chǎn)成本有所提高。

基于此，本文研發(fā)了一種新型預應力混凝土方樁連接接頭，取消了樁端傳統(tǒng)端板的設置，上下兩節(jié)方樁受力鋼筋通過上螺下鎖式機械連接件[12]相連，接樁界面灌入環(huán)氧樹脂、固化劑等密封材料，以提高接樁部位的耐久性能。使用該機械連接方式的竹節(jié)樁具有豎向抗壓和抗拔承載力高、耐久性好、成本經(jīng)濟等優(yōu)勢，在沿海軟土地基工程中應用廣泛[13]。通過開展螺鎖式機械連接件的拉伸試驗和兩種類型共6根方樁連接接頭試件的足尺受剪性能試驗，研究機械連接件和方樁連接接頭試件的承載能力和破壞形式，為此新型螺鎖式機械連接接頭的應用和推廣提供重要的理論依據(jù)。

1 螺鎖式預應力混凝土方樁連接接頭試件

本文主要研究螺鎖式預應力混凝土方樁連接接頭的受剪性能，采用4點式加載，以試件失去承載能力作為終止加載的條件。試驗共選取了兩種類型的方樁，分別為普通方樁和異型方樁。其中異型方樁在普通方樁基礎上對外形進行了改進，樁身縱向每隔一段沿樁周外側設置凸肋，可有效提高樁身摩擦性能和抗拔能力。

方樁連接接頭試件由兩根相同長度的方樁通過螺鎖式機械連接件拼接而成，所用方樁的幾何尺寸和配筋如圖1和表1所示。其中B為普通方樁截面邊長和異型方樁小截面邊長，BL為異型方樁大截面邊長，Bp為預應力鋼筋分布邊長。3根普通方樁截面邊長為250，450，600mm，對應編號為T-PF-B250，T-PF-C450，T-PF-B600；3根異型方樁截面最小邊長為300，530，600mm，最大邊長為350，750，850mm，對應編號為T-FZ-C350-300，T-FZ-B750-530和T-FZ-B850-600。

圖1 預應力混凝土方樁配筋示意圖

方樁幾何尺寸和配筋 表1

在生產(chǎn)方樁連接接頭試件的同時澆筑了9個標準混凝土立方體試塊(邊長150mm)，與試件在同等條件下進行養(yǎng)護，當達到規(guī)定齡期后，依據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[14]對試塊進行抗壓試驗。試驗測得9個混凝土立方體試塊的抗壓強度平均值為63.1MPa，滿足樁身混凝土設計強度等級C60的要求。

方樁連接接頭試件所用預應力鋼筋為低松弛預應力混凝土用螺旋槽鋼棒，抽取與試件同一批次的φD9.0和φD10.7兩種規(guī)格預應力鋼棒各2根，依據(jù)《預應力混凝土用鋼材試驗方法》(GB/T 21839—2019)[15]對其進行拉伸試驗。試驗測得的預應力鋼棒應力-應變(σ-ε)曲線如圖2所示，彈性模量Ep、屈服強度fy、抗拉強度fpt和最大力總延伸率Agt等性能參數(shù)見表2。由試驗結果可知，同規(guī)格兩根預應力鋼棒的性能參數(shù)較為相近，4根鋼棒的力學性能均滿足規(guī)范《預應力混凝土用鋼棒》(GB/T 5223.3—2017)[16]要求。

圖2 預應力鋼棒實測應力-應變曲線

預應力鋼棒拉伸試驗結果 表2

2 螺鎖式機械連接件抗拉性能試驗

一套螺鎖式機械連接件包括機械連接裝置和兩根縱向預應力鋼棒，如圖3所示。機械連接裝置由大小螺母拼接而成，小螺母一端連接預應力鋼筋，另一端旋入球頭插桿；大螺母一端連接預應力鋼筋，中間放置彈簧、彈簧墊片和卡片，另一端則旋入并頂緊中間螺母。連接件對接時，球頭插桿通過中間螺母頂入大螺母中，壓縮彈簧向外推開卡片，當插桿頭部穿過卡片環(huán)后，彈簧的回彈力使卡片恢復到卡緊狀態(tài)，完成有效的對接?？ㄆ瑑?nèi)側呈鋸齒狀，配合插桿頭部的凹槽，可實現(xiàn)有效卡接，避免插桿被拔出。

為檢驗螺鎖式機械連接件的連接性能，分別抽取預應力鋼棒φD9.0和φD10.7的兩種規(guī)格連接件各3套，使用液壓試驗機進行拉伸試驗。圖4所示為測得的各連接件荷載-位移(P-s)曲線，相應的承載能力和破壞形式如表3所示。

圖3 螺鎖式機械連接件拆解結構圖

圖4 螺鎖式機械連接件拉伸試驗荷載-位移曲線

螺鎖式機械連接件拉伸試驗結果 表3

由表3可知，3套φD9.0螺鎖式機械連接件的破壞形式均為連接件螺母附近的預應力鋼棒被拉斷(圖5(a))，表現(xiàn)在荷載-位移曲線上為平緩的強化段和下降段；3套連接件的極限拉力試驗值較為接近，平均值為95.8kN，較表2中同規(guī)格預應力鋼棒的極限拉力平均值97.5kN偏小1.7%。3套φD10.7螺鎖式機械連接件的破壞形式既有連接件螺母附近的預應力鋼棒被拉斷(圖5(a))，也有預應力鋼棒鐓頭被拉斷(圖5(b))；預應力鋼棒鐓頭被拉斷的連接件在荷載-位移曲線上出現(xiàn)陡降，效果較差；3套機械連接件的極限拉力試驗值也較為接近，平均值為134.9kN，較表2中同規(guī)格預應力鋼棒的極限拉力平均值131.7kN偏大2.4%。

綜上，螺鎖式機械連接件的破壞形式分為鋼筋母材拉斷和鋼筋鐓頭拉斷，上述6套連接件中只有1套發(fā)生預應力鋼棒鐓頭拉斷，其余均為預應力鋼棒被拉斷，效果較好。而且各連接件與同規(guī)格預應力鋼棒的極限承載力比較相近，表明其具有良好的連接性能。

圖5 螺鎖式機械連接件破壞形式

3 預應力混凝土方樁連接接頭試件受剪性能試驗

3.1 試驗概況

螺鎖式預應力混凝土方樁連接接頭試件由2根相同規(guī)格方樁通過螺鎖式機械連接件拼接而成。為制作方便，受剪試件長度按受彎試驗考慮，結合《先張法預應力混凝土管樁》(GB 13476—2009)[17]規(guī)定和實驗室場地條件確定。采用YAW-10000F型微機控制電液伺服多功能試驗機對試件進行4點式加載，試件樁長和加載點布置如表4和圖6所示。受剪試驗加載中，跨中純彎段長度為1.0 m，彎剪段長度為方樁的截面邊長B，連接接頭位于左側彎剪段中心。對于異型方樁，由于接頭部位為樁身大截面，相應的彎剪段長度取大截面邊長BL。

試件樁長和加載點布置 表4

圖6 預應力混凝土方樁連接接頭試件受剪加載示意圖

預應力混凝土方樁連接接頭試件的應變片和位移計布置及編號如圖6所示，混凝土應變片采用50mm×3mm型電阻應變片，位移計采用YHD-100型位移傳感器。其中應變片分布情況為：試件純彎段上下表面各1片、左側彎剪段接頭兩側沿最大剪應力方向布置4片、右側彎剪段中部沿最大剪應力方向布置3片，共9片應變片；位移計分布情況為：試件跨中和左右支座處各1支，共3支位移計。

參考國家標準《先張法預應力混凝土管樁》(GB 13476—2009)[17]進行受剪試驗。正式加載前先進行預加載，檢查各儀表設備的工作狀態(tài)。首先按照預應力混凝土方樁樁身開裂剪力理論計算值20%的級差加載至開裂剪力的80%，而后改用開裂剪力10%的級差繼續(xù)加載至開裂剪力的100%，觀察彎剪段是否有斜裂縫出現(xiàn)；若在開裂剪力的100%時未出現(xiàn)裂縫，則按開裂剪力5%的級差繼續(xù)加載至彎剪段出現(xiàn)斜裂縫；開裂后按照樁身受剪承載力理論計算值5%的級差加載至受剪承載力的100%；最后改為位移加載，直至試件失去承載能力。

采用預應力混凝土方樁樁身的受剪承載力來評估相應方樁連接接頭試件的受剪承載力，其中異型方樁承載能力按照樁身最小截面進行計算。參照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[18]，預應力混凝土方樁樁身受剪承載力理論值按式(1)計算。由于規(guī)范中沒有提及開裂剪力的計算，為加載方便，樁身開裂剪力理論值按式(2)計算，在式(1)的基礎上忽略箍筋項的貢獻。

(1)

(2)

式中：Vu為樁身斜截面受剪承載力；Vcr為樁身開裂剪力；λ為計算截面剪跨比，取值為1.5～3；ft為混凝土抗拉強度；B為樁截面邊長，異型方樁取小截面邊長；h0為截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強度；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為沿樁身長度方向的箍筋間距；θ為箍筋與縱向軸線的夾角；σce為樁身截面混凝土有效預壓應力；A為樁身截面面積。

圖7 方樁連接接頭試件荷載-跨中(P-f)撓度曲線

3.2 受剪承載力

圖7為試驗測得的6根預應力混凝土方樁連接接頭試件荷載-跨中撓度(P-f)曲線。由于試驗臺地面承重的限制，受剪加載過程中施加荷載超過2 000kN會對試驗機造成一定損害，故3根方樁接頭T-PF-B600，T-FZ-B750-530和T-FZ-B850-600試件未加載至完全破壞。但3根試件停止加載時，樁身剪彎段剪力均超過相應樁身極限剪力計算值，已能初步驗證連接方式的可靠性。

受剪加載初期，各接頭試件均處于彈性變形階段，荷載與跨中撓度呈線性關系；隨著荷載增加，試件純彎段率先出現(xiàn)豎向裂縫，樁身剛度下降，跨中撓度增長加快；繼續(xù)加載，純彎段裂縫數(shù)目增多，高度和寬度增大，彎剪段也開始出現(xiàn)斜裂縫。最終T-PF-B250和T-FZ-C350-300兩根試件發(fā)生正截面受彎破壞，跨中底部預應力鋼棒被拉斷，上部混凝土被壓碎，荷載-跨中撓度曲線呈現(xiàn)明顯的下降段；而T-PF-C450試件發(fā)生斜截面受剪破壞，方樁連接接頭底部被拉開，截面機械連接件中預應力鋼棒鐓頭被拉斷，荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)陡降；其余3根試件未加載至破壞，仍具有良好的承載性能，樁身剛度較大，跨中撓度較小。

預應力混凝土方樁連接接頭試件彎剪段剪力與試驗機荷載值的關系如下：

(3)

式中：Vt為試件彎剪段剪力試驗值；P為試驗機荷載值。

表5給出了各預應力混凝土方樁連接接頭試件的開裂剪力試驗值Vcr,t、極限剪力試驗值Vu,t和理論公式計算的樁身開裂剪力計算值Vcr,c、極限剪力計算值Vu,c，其中開裂剪力試驗值取試件彎剪段出現(xiàn)斜裂縫時的剪力。

方樁連接接頭試件受剪承載力試驗值與樁身受剪承載力計算值對比 表5

由表5可知，各預應力混凝土方樁連接接頭試件的開裂剪力試驗值與相應的樁身開裂剪力計算值有較大的偏差，偏差在20%以內(nèi)，其中普通方樁連接接頭試件的開裂剪力試驗值均偏小。各接頭試件的極限剪力試驗值則較相應的樁身極限剪力計算值偏大較多，顯示出較好的受剪性能。

3.3 裂縫分布

3根普通方樁連接接頭試件中，T-PF-B250試件在彎剪段剪力達到70.0kN時，跨中純彎段出現(xiàn)6條豎向裂縫，剪力達到105.0kN時，左側彎剪段接頭處出現(xiàn)1條斜裂縫；破壞前試件純彎段裂縫7條，最大寬度2.50mm，為主要破壞裂縫，彎剪段裂縫3條，最大寬度0.30mm，如圖8(a)所示。T-PF-C450試件在彎剪段剪力達到337.7kN時，左側彎剪段接頭處出現(xiàn)1條斜裂縫，剪力達到414.0kN時，跨中純彎段出現(xiàn)1條豎向裂縫；破壞前試件純彎段裂縫7條，最大寬度0.62mm，彎剪段裂縫3條，最大寬度0.36mm，斜裂縫延伸至加載墊塊處，如圖8(b)所示。T-PF-B600試件在彎剪段剪力達到599.4kN時，跨中純彎段出現(xiàn)7條豎向裂縫，剪力達到674.3kN時，彎剪段出現(xiàn)1條斜裂縫；剪力加載至911.5kN時，試件純彎段裂縫10條，最大寬度0.26mm，豎向裂縫開展寬度和高度均較小，彎剪段裂縫4條，最大寬度0.62mm，開展高度較高，如圖8(c)所示。

3根異型方樁連接接頭試件中，T-FZ-C350-300試件在彎剪段剪力達到144.9kN時，跨中純彎段出現(xiàn)3條豎向裂縫，剪力達到163.0kN時，右側彎剪段小截面處出現(xiàn)1條斜裂縫；破壞前試件純彎段裂縫6條，最大寬度1.40mm，為主要破壞裂縫，彎剪段裂縫3條，最大寬度0.10mm，如圖9(a)所示。T-FZ-B750-530試件在彎剪段剪力達到476.7kN時，跨中純彎段出現(xiàn)5條豎向裂縫，剪力達到655.6kN時，右側彎剪段小截面處出現(xiàn)1條斜裂縫；剪力加載至910.0kN時，試件純彎段裂縫6條，最大寬度0.60mm，彎剪段裂縫3條，最大寬度0.26mm，裂縫開展均不充分，如圖9(b)所示。T-FZ-B850-600試件在彎剪段剪力達到614.9kN時，跨中純彎段出現(xiàn)1條豎向裂縫，剪力達到807.1kN時，右側彎剪段小截面處出現(xiàn)1條斜裂縫；剪力加載至987.5kN時，試件純彎段裂縫7條，最大寬度0.20mm，彎剪段裂縫2條，最大寬度0.10mm，裂縫開展高度和寬度均較小，如圖9(c)所示。

綜上可知，除了T-PF-C450試件外，其余接頭試件均是純彎段率先出現(xiàn)豎向裂縫，而后彎剪段出現(xiàn)斜裂縫。普通方樁連接接頭試件中，純彎段裂縫大致呈豎向開展，包含接頭的彎剪段斜裂縫較另一彎剪段斜裂縫開展較早，也更充分。異型方樁連接接頭試件中，純彎段裂縫尖部朝樁身大小截面交接處開展，由于連接接頭位于樁身大截面處，該彎剪段斜裂縫較另一小截面彎剪段斜裂縫開展較慢。

3.4 破壞形式

6根方樁連接接頭試件中，受試驗條件限制，只有3根試件加載至完全破壞。其中，T-PF-B250和T-FZ-C350-300兩根小樁徑試件的受剪加載破壞形式為樁身正截面受彎破壞，跨中底部縱向預應力鋼棒被拉斷，上部混凝土被壓碎，如圖10(a)和10(b)所示。而T-PF-C450試件的受剪加載破壞形式為方樁接頭斜截面受剪破壞，彎剪段連接接頭底部被拉開，斜裂縫延伸至加載墊塊處，附近混凝土有輕微壓碎現(xiàn)象，鑿開底部混凝土后發(fā)現(xiàn)部分螺鎖式機械連接件中預應力鋼棒鐓頭被拉斷，如圖10(c)所示。

圖9 異型方樁連接接頭試件受剪裂縫分布圖

圖10 方樁連接接頭試件破壞形式

對方樁試件兩種破壞形式進行簡單的理論分析，將試件當作簡支考慮，忽略樁身自重的影響，則破壞時純彎段彎矩M可表示為M=VS(V為彎剪段剪力，S為彎剪段長度)，將其與截面極限彎矩相比，即可大致判斷破壞形式。如表6所示，在上式中代入樁身極限剪力和極限彎矩理論計算值，發(fā)現(xiàn)Vu,cS/Mu,c的比值隨著樁徑的增大而減小，但均小于1；在上式中代入受彎和受剪試驗測得的極限剪力和極限彎矩，發(fā)現(xiàn)Vu,tS/Mu,t的比值亦隨著樁徑的增大而減小，但比值與1的大小關系與試件破壞形式相吻合。由于規(guī)范[18]中關于矩形截面受剪承載力的計算公式(式(6.3.4-1)～(6.3.4-3))偏于保守，計算值遠小于實際受剪承載力，從而導致代入樁身極限剪力和極限彎矩理論計算值時得到的Vu,cS/Mu,c比值小于1。因此，上述試驗中兩種破壞形式均是合理的，產(chǎn)生何種破壞形式主要取決于加載過程中樁身截面剪彎段剪力和純彎段彎矩哪個先達到極限值。

圖11 方樁連接接頭試件樁身混凝土應變發(fā)展

受剪試驗試件極限彎矩和極限剪力關系 表6

受剪試驗中，為保證試件發(fā)生斜截面破壞，常取彎剪段長度為一倍的截面邊長B以減小跨中彎矩。而小樁徑方樁截面預應力鋼筋數(shù)目較少，截面彎矩較小，在剪跨比為1的情況下仍出現(xiàn)受彎破壞，需要進一步縮小彎剪段長度才能發(fā)生受剪破壞。隨著方樁樁徑的增大，樁身截面預應力鋼筋數(shù)目增多，截面彎矩提高相較于截面剪力提高更為明顯，方樁傾向于發(fā)生受剪破壞。因此，影響受剪試件破壞形式的主要因素是截面極限剪力、極限彎矩以及剪跨比三者之間的關系。

3.5 混凝土應變發(fā)展

圖11所示為各預應力混凝土方樁連接接頭試件樁身混凝土應變隨荷載的發(fā)展變化曲線，為保證圖的可讀性，混凝土拉應變達到1 000με后不再繪制應變數(shù)據(jù)。由圖可知，方樁連接接頭試件在樁身裂縫出現(xiàn)前，各測點應變均較小，隨著荷載增加呈線性變化。彎剪段測點應變與斜裂縫開展密切相關，一些混凝土應變片處于裂縫開展位置，應變迅速增長繼而破壞失效，部分應變片則因附近裂縫開展導致讀數(shù)有所減小?？缰屑儚澏问軌簠^(qū)混凝土應變片#1讀數(shù)增長較為穩(wěn)定，隨荷載增加而增長，但除了T-PF-B250和T-PF-C450試件，其余試件中應變數(shù)值均未超過1 000με，這與受剪加載不充分有關。而加載至破壞的T-FZ-C350-300試件，由于其混凝土壓碎部位位于樁身大小截面交接處，偏離跨中，混凝土壓碎時應力釋放，導致跨中混凝土應變片#1讀數(shù)出現(xiàn)回縮。

4 結論

(1)螺鎖式機械連接件的極限拉力與同規(guī)格預應力鋼棒的極限拉力比較接近，表現(xiàn)出良好的抗拉性能。除1套機械連接件因預應力鋼棒鐓頭被拉斷而破壞，其余連接件的破壞形式均為連接件螺母附近的預應力鋼棒被拉斷，效果較為理想。

(2)各預應力混凝土方樁連接接頭試件的開裂剪力試驗值與相應的樁身開裂剪力計算值有較大的偏差，通常在20%以內(nèi)；試件極限剪力試驗值則較相應的樁身極限剪力計算值偏大較多，受剪性能較好。

(3)絕大部分接頭試件在加載中均是純彎段率先出現(xiàn)豎向裂縫，而后彎剪段出現(xiàn)斜裂縫；普通方樁連接接頭試件的斜裂縫最先出現(xiàn)在接頭附近，而異型方樁連接接頭試件的斜裂縫則先出現(xiàn)在樁身小截面段。

(4)試件受剪加載破壞形式分為正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞。正截面受彎破壞時，跨中底部縱向預應力鋼棒被拉斷，上部混凝土被壓碎；斜截面受剪破壞時，方樁連接接頭底部被拉開，斜裂縫延伸至加載墊塊處，附近混凝土出現(xiàn)輕微壓碎，鑿開底部混凝土后發(fā)現(xiàn)部分螺鎖式機械連接件中預應力鋼棒鐓頭被拉斷。