混合配筋預應力混凝土管樁研究現(xiàn)狀簡述

郭冬冬，張耀文，朱懷龍

（1、廣東三和管樁股份有限公司 廣東中山 528414；2、華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與重點實驗室 南昌 330013）

0 引言

預應力高強混凝土管樁（PHC 管樁）是現(xiàn)階段最為常用的水泥制品構(gòu)件，其具有單樁承載力高、工程造價低廉、施工便捷等特點被廣泛用于各類基礎工程。實際工程中，管樁主要是作為承受豎向荷載的基礎構(gòu)件［1-3］。然而在一些對基礎抗震和抵抗水平力有較高要求的場合，預應力混凝土管樁存在抗彎能力不足及延性差等問題，在地震多發(fā)區(qū)域管樁的水平承載力不足是造成管樁破壞的主要原因［4-9］。為改善管樁的抗震性能，研究人員在管樁中預應力鋼棒的分布圓上均勻加入一定數(shù)量的非預應力鋼筋，設計出了混合配筋的預應力混凝土管樁（PRC 管樁）。目前國內(nèi)外已經(jīng)對混合配筋預應力混凝土管樁進行了許多理論和試驗研究，為簡要了解其在工程領(lǐng)域的應用及研究現(xiàn)狀，本文將從以下幾個方面對混合配筋預應力混凝土管樁的研究現(xiàn)狀展開綜述，總結(jié)出PRC 管樁的力學性能特點，為PRC 管樁市場推廣前景及進一步研究提供借鑒。

1 混合配筋預應力混凝土管樁抗彎、抗剪性能

對于混合配筋預應力混凝土管樁（PRC 樁），相比傳統(tǒng)管樁，其內(nèi)部鋼筋布置增加了非預應力鋼筋，如圖1所示。

圖1 PRC管樁橫斷面示意圖Fig.1 Cross-sectional Diagram of PRC Pipe Pile

為了解增加非預應力鋼筋對管樁水平承載力的影響，許多研究者針對混合配筋預應力混凝土管樁（PRC 管樁）的抗彎承載力進行了試驗研究。王新玲等人［10-11］對5種配有非預應力鋼筋的新型預應力混凝土管樁（每種形式制作2根）與2根普通預應力混凝土管樁進行了抗彎試驗，結(jié)果表明配置非預應力鋼筋后的管樁具有好的抗彎性能。楊澤東［12］在室內(nèi)進行了PRC 管樁的抗彎試驗，發(fā)現(xiàn)PRC 管樁的開裂彎矩和極限彎矩分別是《預應力混凝土管樁：10G409》規(guī)定值［13］的1.56 倍和1.42 倍。杜新喜等人［14］開展混合配筋預應力混凝土管樁（PRC 樁）和傳統(tǒng)管樁（PHC 樁）的抗彎性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，相比PHC 樁，PRC12（非預應力鋼筋為1612）管樁的極限彎矩平均提高了43.7%，PRC16（非預應力鋼筋為1616）管樁的極限彎矩平均提高了63.3%，說明加入非預應力鋼筋可以顯著提高抗彎承載力，隨后又采用“等效鋼帶法”推導出了預應力混凝土管樁正截面的承載力簡化計算公式；郭楊等人［15］利用試驗測試了PRC600AB-Ⅰ和PRC600AB-Ⅱ兩種常用規(guī)格PRC 管樁的受彎和受剪性能，分析指出配置1212 的PRC樁的開裂彎矩和極限彎矩分別是配置812 的PRC樁的1.1倍和1.4倍，增加非預應力鋼筋能提高PRC 樁的受彎承載性能，并且建議采用式⑴～式⑹［16-17］計算PRC 樁的抗彎承載力。在理論計算方面，王清等人［18］推導了混合配筋預應力環(huán)形截面構(gòu)件正截面受彎承載力理論計算方法，并且與《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》［16］中給出的疊加法計算公式進行了比較，結(jié)論為使用式⑴～⑶適用于PRC管樁的受彎承載力設計值的計算。另外，也有許多學者通過有限元模擬展開了對混合配筋管樁抗彎承載力的研究。王新玲等人［19］基于管樁的抗彎模型試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元軟件對混合配筋預應力混凝土管樁的抗彎剛度進行了模擬分析，進而修正了適用于PRC樁開裂前后抗彎剛度計算公式；張錫治等人［20］的有限元模型討論了軸壓比、配筋強度比、預應力度和混凝土強度等參數(shù)對混合配筋管樁受力性能的影響，結(jié)果表明管樁極限承載力隨著配筋強度比的增大而小幅度增大；郭楊等人［21］在PRC管樁抗彎承載力試驗的基礎上，采用ANSYS 有限元程序?qū)RC 管樁在集中荷載作用下的開裂荷載和極限荷載進行了模擬分析。可見，配置非預應力鋼筋的管樁極限彎矩有了顯著提高，然而抗裂彎矩增加幅度并不顯著。

混合配筋管樁正截面受彎承載力設計值計算：

式中：M為PRC管樁正截面受彎承載力設計值（kN·m）；Mu為PRC 管樁正截面受彎承載力極限值（kN·m）；A為管樁樁身橫截面面積（mm2）；AS為全部縱向非預應力鋼筋的總截面面積（mm2）；Ap為全部縱向預應力鋼棒的總截面面積（mm2）；r1、r2為環(huán)形截面的內(nèi)外半徑（mm）；rS為縱向非預應力鋼筋所在分布圓的半徑（mm）；rp為縱向預應力鋼棒所在分布圓的半徑（mm）；α為矩形應力圖中，混凝土受壓區(qū)面積與全截面面積的比值；αt為矩形應力圖中，縱向受拉預應力鋼棒達到屈服強度的鋼筋面積與全部縱向預應力鋼棒截面面積的比值；σp0為預應力鋼棒合力點處混凝土法向應力等于零時的預應力鋼棒應力（N/mm2）；fc、fck分別為混凝土軸心抗壓強度設計值和標準值（N/mm2）；fpy、fptk分別為預應力鋼棒的抗拉強度設計值和標準值（N/mm2）；fpy′為預應力鋼棒抗壓強度設計值（N/mm2）；fy、fyk分別為非預應力鋼筋抗拉強度設計值和標準值（N/mm2）；γ′為考慮實際條件下的綜合折減系數(shù)，取γ′=0.95。

另一方面，混合配筋管樁的抗剪性能也是不容忽視的研究重點。張忠苗等人［22-23］選取PRC600（110）樁為對象依據(jù)國標試驗方法進行抗彎抗剪試驗，指出在剪力作用下配置非預應力螺紋鋼筋改變了樁身的應力和裂縫分布規(guī)律，顯著減小了樁的變形量，然而對抗剪承載力的提高沒有顯著影響；胡新喜等人［24-25］對3 根PHC600（110）樁和7 根PRC600（110）樁進行了抗剪承載力對比試驗，試驗數(shù)據(jù)顯示，無軸壓時PRC樁的極限剪力比PHC 樁提高了3.6%，在同一級豎向荷載作用情況下，PRC 樁跨中撓度比PHC 樁減小17%～30%，后續(xù)的有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果也基本吻合，說明在PHC樁中加入非預應力鋼筋可以提高管樁的抗剪承載力和抗剪剛度。徐金等人［26］的PRC 樁抗彎抗剪試驗與有限元模擬結(jié)果顯示，相比普通管樁，PRC 樁的開裂彎矩增加不顯著，但是其極限彎矩明顯增大，所有PRC 樁比普通管樁的抗裂剪力略微減小，隨著與非預應力鋼筋直徑增加，抗裂剪力逐漸減小，極限彎矩逐漸增大；崔川［27］的有限元模擬結(jié)果同樣認為混合配筋管樁的延性有所提高，抗彎性能顯著提高，但是其極限剪力會有所降低。通過對以上研究的回顧不難發(fā)現(xiàn)，配置非預應力螺紋鋼筋改變了樁身的應力和裂縫分布規(guī)律，顯著減小了樁的變形量，樁的延性有所提高，然而，不能有效提高抗剪承載力。

2 混合配筋預應力混凝土管樁抗震性能

在地震多發(fā)區(qū)域，研究人員最關(guān)心的就是樁的抗震性能。早在1983 年日本就已經(jīng)開發(fā)出ST 樁、PRC樁，以增強管樁的抗震性能。為了解混合配筋管樁抗震性能，學者們已經(jīng)對其展開了研究。戎賢等人［28-30］，寧飛［31］，徐金等人［32］，YANG 等人［33-34］對配置不同直徑非預應力鋼筋的混合配筋混凝土管樁進行了低周往復荷載試驗及有限元模擬，分析了樁的破壞形態(tài)與受力性能。結(jié)果表明布置適當直徑的非預應力鋼筋能提高管樁位移延性系數(shù)，改善管樁脆性斷裂的不足；王鐵成等人［35-36］的低周往復加載試驗指出，配置非預應力筋可顯著提高PHC 管樁的極限位移，改善樁的破壞模式從而增強樁的抗震能力；王文進［37］研究表明PRC 管樁在往復荷載作用下發(fā)生延性破壞，其極限承載力相比PHC 管樁提高了30%～60%；劉彥坡［38］通過開展現(xiàn)場試驗和有限元模擬研究了考慮樁-土相互作用下PRC 管樁的水平承載性能及其在地震作用下的受力和變形特點，分析認為在低周水平往復荷載作用下，增配非預應力鋼筋使得PHC管樁的破壞形式呈現(xiàn)從脆性破壞到延性破壞的一個逐漸過渡的過程，能夠改善常規(guī)PHC 管樁抗震性能；張錫治等人［39］通過擬靜力試驗研究了軸壓比對預制高強混凝土混合配筋管樁的破壞形態(tài)和抗震性能的影響，結(jié)果表明，配置預應力鋼筋的管樁試件殘余應變位移更小，自復位能力更強；劉暢等人［40］在軟土地區(qū)對PHC管樁和復合配筋管樁進行了現(xiàn)場足尺抗震性能試驗，試驗指出混合配筋管樁的抗震性能相比PHC 管樁有顯著提高；鄭剛等人［41］針對預應力管樁、預應力方樁和鉆孔灌注樁等38根樁，在典型軟土場地展開了原位單樁擬靜力試驗，考慮樁-土相互作用對比了低周往復水平荷載作用下不同樁型的承載性狀及抗震性能，試驗結(jié)果表明常規(guī)預應力樁延性較差，呈脆性破壞，而增配非預應力筋的預應力樁的位移延性及耗能能力得到顯著改善，抗震能力得到加強?？梢?，相比于傳統(tǒng)PHC管樁，在管樁中增配非預應力鋼筋確實能夠增強管樁的延性和抗震能力，這為PRC 管樁在抗震地區(qū)的推廣提供了更加可靠的證據(jù)，然而目前的研究對水平荷載作用下預應力鋼筋與非預應力鋼筋的共同工作機理尚不夠清晰，因此PRC 管樁抗震性能及其優(yōu)化方案有待進一步探索。

3 混合配筋預應力混凝土管樁的工程應用

與傳統(tǒng)管樁相比，PRC 管樁有更好的延性、抗彎性能和抗震性能，目前已經(jīng)有部分實際工程應用了PRC 管樁，如蔡磊等人［42］將PRC 管樁應用于深厚軟土地區(qū)的基坑支護工程，通過軟件計算與現(xiàn)場實際的檢測數(shù)據(jù)對比，證明了此類軟土區(qū)域采用PRC 排樁支護的可行性。大浪淀樞紐泵站采用了PRC 管樁、錨索支護和水泥土攪拌樁止水帷幕相結(jié)合的基坑支護技術(shù)，基坑周圍環(huán)境監(jiān)測結(jié)果均在安全規(guī)定范圍內(nèi)，支護效果比較理想，大大節(jié)省了施工成本［43］。廣西南寧某深基坑［44］、山東煙臺某基坑工程［45］、河南開封某商業(yè)樓項目［46］均采用了PRC管樁加錨索的支護方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑變形滿足設計和規(guī)范要求。某深厚淤泥地質(zhì)條件的基坑工程［47］采用了PRC 管樁加內(nèi)支撐的支護方式，開挖過程中基坑狀態(tài)良好，節(jié)省了施工成本和工期。天津市某廠房項目［48］采用了PRC 管樁加角撐的基坑支護方案，施工過程順利進行，現(xiàn)場觀測結(jié)果也符合設計預期。在青島某基坑支護工程中［49］，第二支護單元使用了單排布置的PRC-I 600AB110 單節(jié)預制管樁加錨桿的支護方案，收集了基坑及周邊監(jiān)測點沉降的檢測數(shù)據(jù)，分析認為此支護方案安全可靠。姚小波［50］和黃偉達［51］介紹的某基坑工程案例中也應用了PRC 管樁作為懸臂支護結(jié)構(gòu)，此外，PRC 管樁作為支護結(jié)構(gòu)也在珠三角地區(qū)的某基坑工程中得到應用［52］。通過對以上實際工程案例的回顧可以看出，PRC 管樁由于其良好的抗彎和抵抗水平荷載的能力在基坑支護方面得到了大量使用，不僅能保證施工安全進行，節(jié)省了成本和工期，能夠達到良好的設計預期，同時可以有效減少對周邊環(huán)境的負面影響。然而目前的實際應用集中于支護領(lǐng)域，在基礎工程領(lǐng)域的應用尚有待推廣應用，特別是抗震設防區(qū)域的實際應用有待進一步的研究。盡管如此，PRC 管樁在工程領(lǐng)域的應用前景仍十分有潛力。

4 結(jié)語與展望

本文從混合配筋預應力混凝土管樁的抗彎、抗剪和抗震性能及其工程應用這幾個方面的研究現(xiàn)狀進行了簡述，通過對已有重要研究成果的回顧匯總出了一些重要觀點與結(jié)論，可為后續(xù)PRC 管樁的優(yōu)化設計提供借鑒。

⑴相比傳統(tǒng)管樁，PRC 管樁的延性、極限彎矩有了顯著提高，但是其抗裂、抗剪性能的改善不顯著。

⑵增配非預應力鋼筋可以顯著改善管樁的極限位移、位移延性、滯回性能及耗能能力，增強了管樁的抗震性能。

⑶PRC 管樁在基坑支護方面得到了大量使用，不僅能保證施工安全進行，還節(jié)省了成本和工期，同時可以有效減少對周邊環(huán)境的不利影響，能夠達到良好的設計預期。

⑷盡管已有的PRC 樁抗彎、抗剪性能的研究已經(jīng)取得較多成果，然而，一方面是PRC 管樁中預應力鋼筋與非預應力鋼筋的共同工作機理尚不夠清晰；另一方面，PRC 管樁的實際應用仍然集中于支護領(lǐng)域，在抗震設防區(qū)域的實際應用尚有待推廣應用。因此，PRC管樁的優(yōu)化設計仍需要更進一步的研究探索。