先张法预应力离心混凝土复合配筋钢绞线桩的性能试验与分析

摘要: 为进一步推广先张法预应力离心混凝土钢绞线桩（PSC桩）在高烈度地震区的应用，在PSC桩上增设与钢绞线相同数量的螺纹钢筋，并预应力混凝土钢绞线桩。 - 开发了张拉预应力混凝土桩。采用离心混凝土组合钢筋钢绞线桩（PSRC桩），对3个规格共12个管桩试件进行了足尺抗弯、抗剪试验，对比分析了PSC桩与PSRC桩的抗裂性能。 、弯曲（剪切）承载能力、变形能力和裂纹分布的异同。试验结果表明，非预应力钢筋的配置对管桩的抗裂影响不大，但能提高管桩的抗弯、抗剪性能； PSRC桩的开裂弯矩和开裂剪力与PSC桩相似，但极限弯矩和极限剪力分别提高了约55%和20%；与PSC桩相比，PSRC桩失效时，桩体内裂纹数量较多、分布范围较宽，但最大裂纹宽度较小。

关键词：钢绞线；复合材料加固；抗弯曲性；抗剪力

0 前言

预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）具有承载能力高、生产工艺方便、桩体质量可靠、经济效益突出等优点，广泛应用于各类基础工程。但部分工程中出现的管桩开裂、倾斜甚至折断等问题，暴露了其抗侧力和抗震能力稍显不足，在一定程度上限制了预应力混凝土管桩的应用和推广。近几十年来，国内外学者对预应力混凝土管桩的抗弯、抗剪、抗震等性能进行了大量的试验研究，并提出了多种优化方法。魏洪超对预应力高强混凝土（PHC）管桩和预应力钢纤维高强混凝土（PHGC）管桩的抗弯性能进行了对比研究。他发现PHGC管桩的抗裂能力和抗弯能力得到了很大的提高，而钢纤维桩则可以限制混凝土裂缝的发展，使管桩具有更好的韧性和延性。岸田等人。研究了增大箍筋比和桩内填充混凝土对大直径预应力混凝土管桩抗剪性能的影响，指出增大箍筋比可以提高管桩的抗剪承载力和变形延性。采用混凝土填芯只能提高管桩的抗剪承载力，而不能提高变形延性。秋山等人。考虑了各种因素对预应力混凝土管桩抗弯性能的影响，得出桩面采用碳纤维布包裹并采用混凝土芯填充的方式，可以对受压区混凝土提供一定的侧向约束，从而提高桩体的抗弯能力，防止脆性损坏。张忠苗等.对新型主筋预应力混凝土管桩进行了足尺抗弯、抗剪性能试验。结果表明，非预应力钢筋的配置可以显着提高管桩的抗弯能力，控制弯曲工况下裂缝的发生。发展，同时可以减少桩体在剪力作用下的变形。郭阳等.开发了采用玻璃纤维棒和钢筋复合增强材料的预应力混凝土管桩。通过弯曲和剪切性能试验，他们指出，玻璃纤维筋的配置可以在一定程度上改善普通管桩的弯曲和剪切性能。更有效地解决普通管桩水平承载力不足的问题。徐全标等.对复合钢筋混凝土预制方桩进行了弯曲试验。经测定，方桩具有良好的抗弯性能和变形延性。他们发现复合材料加固试件的破坏模式是非预应力筋首先在受拉区屈服，然后预应力筋被拉开，最终受压区混凝土崩塌。为了解决PHC管桩低周往复性能不足的问题，王文金通过掺入钢纤维、配置非预应力钢筋、采用混凝土芯填充等方法得到了改进的PHC管桩。改进后的PHC管桩通过低周往复试验进行了验证。其对提高PHC管桩抗震性能的作用。

目前，国内PHC管桩的主要钢筋多为PC钢棒，具有诸多优点。但PC钢棒常常存在质量不合格、脆性高等问题。管桩在生产和使用过程中，容易发生脆性断裂，对桩造成影响。体力。另外，对PC钢棒进行热镦时，镦锻部分的材质和强度都会受到损伤，而且每根PC钢棒的镦锻精度都不同。如果张拉过程控制不好，很容易出现应力不一致的情况。平均现象。本文采用高强度、高延性预应力钢绞线代替PC钢杆作为管桩的主筋，并采用夹式锚栓对钢绞线进行锚固，制备出先张法预应力离心混凝土钢绞线桩（下图）简称PSC桩）。考虑到钢绞线对桩身开裂的约束能力不足以及PSC桩的水平承载力有限，本文在PSC桩的基础上配置与预应力钢绞线相同数量的非预应力钢筋，开发了预应力钢绞线。预应力离心混凝土复合钢筋钢绞线桩（以下简称PSRC桩）的张拉方法及相关弯曲、剪切性能试验研究，为新型管桩的设计和推广提供参考。

1 测试概述

1.1 试件规格

选取常用的预应力混凝土管桩尺寸，根据图集，制备外径400 mm、500 mm、600 mm 3种桩型，共12个试件进行全尺寸抗弯、抗剪试验。 PSRC桩试件加固图如图1所示。其中，弯曲试件总长度为8.0 m，两端箍筋密度区为2.0 m，剪切试件总长度为5.0 m，箍筋均匀布置，PSC桩和PSRC桩试件的几何尺寸和配筋情况如表1所示。

1.2 弯曲试验

参照GB 13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》，选用YAW-10000F微机控制电液伺服多功能试验机对管桩试件进行加载。当管桩试件受拉区预应力钢筋断裂或受压区混凝土压碎或试件不能继续承受荷载时，终止加载。桩身上设置5个位移计，分别位于1/4跨、中跨、3/4跨及左右支架处，测量桩体位移和支架沉降。此外，桩体上还布置了9个应变片，用于监测裂缝发展和截面应变分布。每个管桩试件长8.0m，两支撑间距离4.8m，跨内纯弯曲段1.0m。弯曲试验载荷如图2所示。

试件纯弯曲截面截面弯矩的计算公式为：

式中：Me为管桩试件跨中截面弯矩试验值，kN·m； P——试验机的载荷值，kN； L——试样长度，m； W为试件自重，kN。

参照10G409《预应力混凝土管桩》计算试件的开裂和极限荷载。加载前，通过预加载检查各仪器是否正常，施加的载荷不超过开裂载荷的60%；正式加载首先按20%开裂荷载至80%开裂荷载的阶梯加载，然后逐渐减小阶梯荷载，直至试件出现。裂纹；试件破裂后，按极限荷载的10%～100%的范围加载；然后改为位移控制加载，每级加载2毫米，直至试件失去承载能力。加载过程中，每级加载保持3分钟，以稳定读数并便于观察和记录。

1.3 剪切试验

剪切试验的加载方案与弯曲试验相同。以钢筋断裂、混凝土倒塌或试件不能继续承受荷载作为终止标志。桩身上设置三个位移计，分别位于跨中和左右支架处，测量桩体位移和支架沉降；桩体上布置了8个应变片来监测裂缝的发展情况。每个试件长5.0 m，跨中纯弯曲段为1.0 m，剪跨段长度为桩径D。由于试验机加载平台地面结构的限制，将桩径为600mm的试件荷载跨度调整为600mm。加载过程与弯曲试验类似。首先分段加载至开裂剪切力，然后分段加载至极限剪切力，最后施加位移加载直至试件失效，如图3所示。

1.4 材料力学性能

制作9块尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体混凝土试块，并在与试件相同的条件下养护。混凝土试块达到规定龄期后，通过压缩试验测得立方体试块的平均抗压强度为116.1MPa，属于超高强混凝土。根据文献提出的换算公式计算，混凝土立方体抗压强度fcu=106.65 MPa，轴压强度fc=87.24 MPa，抗拉强度ft=5.85 MPa。

另外，分别取ΦD11.1预应力钢绞线、C16钢筋和ΦB6冷拉钢丝（因试验机夹住Φb4、Φb5钢丝较困难，故采用同批次Φb6钢丝）代替），按GB/T 21839-2008《预应力混凝土用钢试验方法》进行拉伸试验。试验中测得的钢筋弹性模量Ep、屈服强度fy、极限强度fu和最大拉力伸长率Agt见表2。

2 弯曲试验结果及分析

2.1 弯曲能力

弯曲性能试验共对3种规格6根桩进行。采用分级加载法对桩进行加载，直至试件破坏。实测试件荷载-跨中挠度曲线如图4所示。

从图4可以看出，试件的弯曲加载过程大致分为三个阶段：①加载初期，各试件处于弹性变形阶段，载荷与中期呈线性关系。跨度挠度。 PSC桩和PSRC桩的荷载-挠度曲线基本重合，两者刚度相当； ②当纯弯曲断面出现第一条竖向裂缝时，试件的弯曲刚度逐渐减小，荷载增长速率慢于跨中挠度增长速率。 PSRC桩未施加预应力，由于肋的配置仍具有较高的抗弯刚度； ③试件接近破坏，随着跨中挠度的增大，桩身受压侧混凝土逐渐剥落，试件承载力稳步增大，直至混凝土完全压碎。预应力钢绞线、螺纹钢筋无断裂现象。

试验中测得的PSC桩和PSRC桩的破坏模式相似，均为受压区混凝土垮塌，局部破坏图如图5所示。普通PHC管桩弯曲试验中桩身裂缝过大，PSC桩和PSRC桩中混凝土的抗压能力得到了充分发挥，有利于提高管桩的极限承载力。力和变形能力。

PSC桩与PSRC桩试件的抗弯性能对比如表3所示。从表3可以看出，与PSC桩相比，PSRC桩的开裂弯矩与其接近，极限弯矩增大平均高出 55% 左右。其中，PSC400I桩的开裂弯矩远小于PSRC400I桩。推测这可能是由于PSC400I桩混凝土的初始预压应力较小所致。此外，尽管PSRC桩增设了非预应力钢筋且桩体刚度较高，但其变形能力依然良好，最大跨中挠度在PSC桩的10%以内。

2.2 弯曲试验裂纹分布

图6为PSC桩和PSRC桩弯曲试件受前荷载破坏时桩体裂缝分布情况。从图6可以看出，PSC桩损伤前，裂缝主要分布在跨中两侧-1 000~1 000 mm范围内。主要裂缝在中间。 3个桩径试件（管径从小到大）对应的跨中最大裂缝宽度分别为1.54 mm、1.38 mm和1.26 mm，裂缝数量分别为8条、12条和14条。 PSRC桩破坏前，裂缝主要分布在跨中两侧-1 300～1 300 mm范围内，其中主裂缝位于中部。 3个桩径试件（管径从小到大）对应的跨中最大裂缝宽度分别为0.68 mm、0.56 mm和0.70 mm，裂缝数量分别为22条、25条和28条。与同规格的PSRC桩相比，PSRC桩的裂纹分布范围更广，裂纹数量约为PSC桩的2倍。但破坏前PSCR桩跨中最大裂缝宽度明显减小，且配置了非预应力钢筋。可以更好地控制桩体裂缝的发展。

3 剪切试验结果及分析

3.1 抗剪承载力

剪切性能试验对三种规格共6根管桩进行，采用分级加载直至试件失效。管桩试件的实测荷载-跨中挠度曲线如图7所示。从图7中可以看出，管桩试件的弯曲加载过程大致分为四个阶段：①加载初期，各试件均处于弹性变形阶段，荷载随跨中挠度线性变化，PSC桩与PSRC桩的刚度相当； ②当管桩纯弯曲段出现第一条竖向裂缝时，裂缝附近混凝土停止工作，受拉钢筋应力突然增大，两根管桩出现刚度退化； ③继续加载，当管桩弯剪断面出现第一条斜裂缝时，PSC桩和PSRC桩的刚度退化较为明显，且PSC桩的刚度退化较快； ④接近破坏时，管桩上的荷载随着位移的增加而稳定增加，跨中受压区混凝土逐渐被压碎，试件破坏后，无法继续承受荷载。

除PSRC600I桩外，其余5根管桩的破坏模式均为纯弯曲段受压区混凝土崩塌，呈现弯曲破坏形式，表明桩体弯曲剪切段未达到极限此时的剪切力，如图8(a))所示。 PSRC600I桩的破坏模式为弯剪段主要斜裂缝延伸至管桩上垫板，弯剪段上部混凝土被压碎，呈现剪压破坏模式，如图8(b)所示。

表4为PSC桩和PSRC桩试件的剪切性能比较。与PSC桩相比，PSRC桩的开裂剪力相差不大，而极限剪力分别提高了28%、16%和16%，说明非预应力钢筋配置对提高开裂剪力有一定作用。管桩极限剪力。 。两根管桩的桩体变形均随着截面尺寸的增大而减小。相同规格的PSRC桩在剪力作用下变形较小； PSRC500I桩的跨中挠度较大，如荷载-跨中位移曲线所示。从坡度来看，可能是由于桩体刚度较小。

3.2 剪切试验裂纹分布

图9为PSC桩和PSRC桩剪切试件在前一水平荷载作用下破坏时桩体裂缝分布情况。从图9可以看出，PSC桩失效前，主竖向裂缝宽度分别为1.40 mm、1.28 mm和1.32 mm，主斜向裂缝宽度分别为0.70 mm、0.74 mm和0.80 mm。 。弯曲破坏先于剪切破坏。 PSRC400I和PSRC500I桩破坏前，主竖向裂缝宽度分别为0.86 mm和0.66 mm，主斜向裂缝宽度分别为0.56 mm和0.56 mm，呈现弯曲破坏； PSRC600I桩破坏前，主竖向裂缝宽度为0.60 mm，主斜向裂缝宽度为1.62 mm，呈现剪压破坏模式。

从图9还可以看出，随着PSC桩和PSRC桩试件截面尺寸的增大，弯曲和剪切截面的斜裂缝增多且发展更加充分。与同规格的PSRC桩相比，PSRC桩裂缝较多，最大裂缝宽度明显减小。非预应力钢筋起到控制桩体裂缝的作用。

4 结论

(1)非预应力钢筋的配置不会显着改变管桩的抗裂性能。 PSC桩和PSRC桩的开裂弯矩和开裂剪力比较相似；非预应力钢筋的配置可以提高管桩的抗弯、抗裂能力。与PSC桩相比，PSRC桩的极限弯矩约大55%，极限剪力约大20%。

（2）弯曲试验中各管桩的破坏模式为弯曲段受压区纯混凝土塌陷，未观察到预应力钢绞线或螺纹钢筋的断裂；除PSRC600I桩外，各管桩在剪切试验中的破坏模式均为弯曲段受压区纯混凝土受压破坏，且弯曲破坏先于剪切破坏； PSRC600I桩的破坏模式为弯剪段主要斜裂缝延伸至管桩上垫板，弯剪段上部混凝土以剪压形式发生垮塌失败。

(3)在弯曲和剪切性能试验中，与PSC桩相比，PSRC桩桩体内裂缝较多，分布更广，最大裂缝宽度明显减小。非预应力筋的配置可以限制桩体裂缝。正在展开的角色。