高强预应力混凝土管桩在8度设防地区的探讨

摘要:据地震对于桩基震害特点分析, 高强混凝土管桩(PHC)可避免在设计和施工阶段的问题，做好抗剪承载力不足在地震作用作用下的安全隐患。归纳出有关PHC桩身抗剪设计计算方法上，可供同行参考。

关键词: 桩基；地震；PHC；

引言

高强预应力混凝土管桩(简称PHC) ,该桩型具有单桩承载力高,耐久性好,施工方便快捷,质量可靠,造价与灌注桩和其他桩相比较低,抗弯抗拉性能好,检测方便,穿透力强,对地质条件适应性广等优点,但其也有抗侧移能力差等缺点，上海“莲花河畔景苑”倒塌事件，就是典型的抗侧移能力不足而导致的，即便如此，PHC近年在内地和沿海地区还是得到了广泛的应用,如西安、广东、浙江、上海等地区有大量的工程应用。国家和地方建设部门制定了一些关于PHC管桩设计和施工的规范、标准,对其承压、抗弯及抗裂性能要求有明确的规定,但仍存在一些不完善之处,其地震作用下的抗剪性能计算尚处于简单折减状态,造成经济上的不合理,有待进一步改进;国内外对管桩地震作用下的抗剪性能的研究也比较少,而桩基震害中表现的桩身最大弯矩、剪力达到同一量级的震害现状,使得加强这方面研究的工作成为必须。

1 桩基的震害特点

(1)是桩与承台连接处及承台下的桩身上部,由压、拉、剪压等导致破坏。在未对土层内的桩身破坏重视之前,此破坏为主要的桩基震害表现。常见现象有地震引起地面水平和竖向错动,在建筑物与地面之间形成缝隙,暴露出桩,桩基在桩头处剪切破坏。调查分析表明,地震作用下桩头处的弯矩、剪力值都很大,几乎处于同一量级。还有压力(很可能是偏压),三者共同作用使桩头部位处于危险状态。

(2)是液化土层内及软硬层交界面处,桩截面弯矩、剪力值很大,与桩头处的值不相上下。由于地震作用,液化土层产生较大的位移,土推桩,在某段桩身截面产生较大的剪切应力,同时伴随较大的弯曲变形,当达到一定程度,桩身弯剪破坏。

2 PHC 管桩设计施工中存在的问题

PHC管桩是一种预制桩,其技术要求包括 :原材料、混凝土强度、构造要求、接头技术要求、外观质量、尺寸允许偏差和抗弯性能。PHC 管桩是一种挤土桩,施工中常见的问题主要有: ①桩体上浮(上浮桩或整体完整上浮,或在桩身断裂);②桩弯斜导致桩身断裂(可能在打桩时或施工结束后土体滑移引起);③地质条件差(有孤石等)导致桩头开裂。

3 桩基地震作用下的抗剪性能计算

3．1国外标准及行业规定

日本工业标准JISA5337-1993 中介绍的公式:

式中,Q-抗剪强度,N ; t-管桩壁厚,mm; I-混凝土截面相对中心轴的惯性矩,mm4 ; r0-管桩外半径, mm; r-管桩内半径, mm;s0-相对中心轴以上截面中心截面静矩, s0 = 1/12 ( r302r3 ) , mm3 ;τ-产生斜拉裂缝时剪切应力(N/ mm) ;σce-有效预压应力(N/ mm2 )φ-系数取值015 ;σce-混凝土抗拉强度,PHC 取5139 (N/ mm2 ) 。

日本标准J ISA5337-1995 的编制说明中的公式:

式中,t-有效截面高度,取理论值厚度减5cm计算;σpc-有效预压应力(N/ mm2)。

式(1) 、(2)一致,但式(2) 管壁厚t值取有效厚度,在数值上比式(1)取值减小,增加安全储备。

美国PCI报告中明确规定了地震区管桩的螺旋配筋要求, 即加强螺旋配筋, 提高对桩芯混凝土的侧向限制,从而提高桩的变形性能,具体规定条文是:

①低中级地震地区螺旋配筋抗震设计螺旋配筋的尺寸和螺距必须依地震时预计的曲率提供必要的韧性。螺旋配筋量也不得低于按下列公式计算所得的值:

式中,Ps-螺旋配筋指数,等于螺旋筋体积/芯部混凝土体积;f′c-标准圆柱试件28d 抗压强度, PCI 取41. 1MPa ;fyh-螺旋配筋屈服强度,PCI 取≤586MPa 。

②严重地震地区螺旋配筋抗震设计横向配筋采用圆形螺旋筋,塑性区横向螺旋的体积比将遵循下式:

且不小于

式中: Ps-螺旋配筋指数;Ag-桩横截面面积;Ach-螺旋筋外径界定的混凝土芯面积; P-桩的轴向荷载。

3．2国内标准及行业规定

国内在桩身抗剪设计时基本上借用日本标准,有学者刘纯康在第三届全国建筑振动学术会议交流会论文集(2000 年)《桩的抗剪刚度计算方法》一文中提出:

假定桩是埋在土内无限长的竖向地基梁,桩周表面与土紧密接触,桩周土是由无限薄层组成的线弹性体。单根桩的抗剪刚度Kpx :

整个桩基的刚度是由桩本身的抗剪刚度和桩基承台下地基土的抗剪刚度并联组成,计算公式为；

式中: Kpx-桩基抗剪刚度(kN/m) ;np-桩数;Cx-桩基承台下地基土的抗剪刚度系数,按“动规”第3.3.2 条选用(kN/m) ;A-桩基承台的底面积(m2) 。

式(7)中未考虑箍筋的作用,针对此,学者谈在《浅谈PHC 管桩的力学性能计算》一文中,提出圆形截面的抗剪公式:

式中,ftk-混凝土轴拉标准值, (N/mm2) ; s-箍筋间距(mm) ; fyv-箍筋抗拉设计值(N/mm2) ; dp-箍筋直径(mm) 。

式(8)中将箍筋的作用考虑了进去,较日本规范中仅考虑预压应力和混凝土抗拉强度从形式上,更符合实际情况。

4 桩基地震反应研究

国内桩基抗震研究关注的焦点大多在地震作用下桩- 土- 结构相互作用的机理研究。而地震作用下桩- 土- 结构相互作用是很复杂的问题,研究得到一些研究成果,对认识地震作用下桩受力状态提供了有利资料。研究方法主要分两种:数值分析[1 ]和振动台[1 ] 试验。数值分析占研究文献的大部分,主要采用三维模型,进行地震作用下的桩- 土- 结构相互作用分析;而振动台试验因试验费用较高而开展得较少,文献[1]通过振动台试验考虑了不同液化水平下桩基的水平承载特性。

预应力管桩的专题文献较少,偏实践施工,提出施工中存在的问题及解决的方法;理论研究相对于工程应用偏少,其研究主要内容有:

文献[2]进行了PHC 管桩荷载传递的试验研究。通过3根埋设有钢筋计的PHC 管桩的静荷载试验,研究PHC 管桩在轴向荷载作用下,桩侧摩阻力与桩端阻力共同承担外荷载的相互关系。在工作荷载作用下,约有95%的工作荷载均由桩侧摩阻力承担,在最大试验荷载5000 kN 作用下,桩端承载力仅占10%左右,工作机理为端承摩擦桩,以摩擦力为主。另外,实测得到的桩侧摩阻力比规范值和地质报告推荐值均大得多,该工程桩的承载力尚有一定的潜力。仅三根特定土质条件下的现场试验数据,得出的结论较片面。

文献[3]通过在实际工程中进行了一定数量的PHC 桩单桩竖向抗压静载试验和桩身内力测试试验, 分析PHC 桩的荷载～沉降特性,分析桩侧阻力和桩端阻力随桩顶荷载的发挥性状和分担比例, 并对PHC 桩的荷载传递参数和其它施工方法进行比较。

文献[4]对预应力混凝土管桩桩土相互作用进行了有限元分析。分析时采用等效线性模型来模拟土体材料的非线性,并且考虑桩的材料阻尼以及桩土接触界面处状态非线性对动力响应的影响。得到基桩材料阻尼、弹性模量与桩顶位移的关系曲线图,以及桩侧土参数对桩顶位移的影响曲线图。

相比国内,国外近来对地震下软弱土桩基动力反应和横向承载特性研究开展的工作比较多,同时也取得了较多成果。

5 结语

(1)应重视桩基震害的调查分析,从实例着手,考虑从设计施工到使用全过程的不利因素,开展适应各种不利条件下的桩基抗震性能研究。

(2)进一步完善抗震设计方法,合理考虑各项组成部分的作用,在保证一定的安全储备前提下,简化计算方法,使其更加便于应用。

(3)研究方法应以采用现场试验与数值模拟相结合的方法,以现场试验为基础,研究合理的简化数值模型,以得到便于实际应用的有一定可靠度的数值计算方法。

(4)在施工中优先选用新技术,做好施工质量监控,保证桩身质量。

总之,应从震害实例入手,加强理论研究,得到从保证施工质量,足够的承载力水平,充分考虑桩- 土- 结构相互作用的抗震设计方法,以及可靠的抗震构造措施,确保桩基在地震作用下的力学性能得到恰当的发挥。

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