玄武岩纤维筋与预应力钢筋复合配筋管桩抗弯性能研究

卢 睿， 邬守军

(安徽城市管理职业学院，安徽 合肥 230012)

近年来在管桩施工过程中，由于管桩的抗弯承载能力不足，工程事故屡见不鲜，工程技术人员曾采用多种措施提高预应力混凝土管桩抗弯承载能力，如配置螺纹钢筋、大直径钢管混凝土管桩、填芯混凝土及管桩锚杆复合技术等，但效果并不是很理想。为了提高预应力混凝土管桩抗弯承载力，本文在预应力混凝土管桩中加入玄武岩纤维增强复合筋(BFRP筋)，形成预应力筋与玄武岩纤维筋复合配筋截面，即为复合配筋(BFRP筋)预应力混凝土管桩，在现场实际制作符合要求的管桩并进行室内抗弯对比试验，对玄武岩纤维筋与普通预应力钢筋配筋(BFRP筋)混凝土管桩的抗弯承载能力进行分析。

1 性能试验

本文采用4根桩长10m的桩进行抗弯性能试验，桩径500mm，壁厚100mm，按照圆截面均匀布置复合钢筋。制作桩体分别编号为PRC-B 500100-10型PRC-B 500AB和PRC 500AB桩。按照现有流水作业的工艺流程和技术要求制作PRC-B桩，按照河南图集《混合配筋预应力混凝土管桩》[3]制作PRC桩。PRC-B桩的桩身配筋横剖面如图1和图2所示。

图1 PRC-B桩断面尺寸及配筋

图2 PRC桩断面尺寸及配筋

4根预应力钢筋混合配筋混凝土管桩均采用C80混凝土，外径D=500mm，预应力钢筋为20Φ10.7，BFRP筋为20Φ14，非预应力热轧带肋钢筋为20Φ14。BFRP筋物理力学参数如表1所列[4]。

表1 BFRP筋的力学性能

普通预应力钢筋和热轧带肋钢筋物理力学参数如下：

图3 试验所用BFRP筋

(1)HRB400。抗拉强度标准值fk≥400 MPa，极限拉应变ε=7.5%。

(2) 预应力筋。抗拉强度标准值fk≥1750 MPa，极限拉应变ε=7.0%，弹性模量E=200 MPa。

试验所用玄武岩纤维增强复合材料筋(简称BFRP筋)如图3所示，它具有轻质、抗拉强度高、耐腐蚀性好等特点。

2 试验设计和加载方案

2.1 试验装置

试验加载装置参考文[1]和文[2]制作而成。加载设备为1000kN液压千斤顶，应变观测采用3mm×100mm型电阻应变片，挠度观测采用5cm数字位移计，信号采集装置选用江苏东华测试技术股份有限公司DH3815N静态应变测试系统。

抗弯试验装置示意图如图4所示[5]。

图4 抗弯试验装置示意图

2.2 试验步骤

首先，计算钢管桩理论抗裂弯矩及极限破坏弯矩；其次，从零到抗裂弯矩的4/5，采用分级加载，每级加载为理论抗裂弯矩的1/5，每1级荷载持续时间3min；再次，超过理论抗裂弯矩4/5后，继续以每级为抗裂弯矩的1/10加载，直到加载至理论抗裂弯矩，每级的加荷持续时间依然为3min，在加载过程中时刻观察管桩桩身是否出现裂缝，一旦出现裂缝，立即测定裂缝宽度，并观察裂缝发展情况；最后，一旦出现裂缝，将每级加载调整为极限弯矩的5%接着加载，直到管桩破坏停止试验。在试验过程中出现以下情况时试验终止：①管桩受拉区钢筋拉断或受压区混凝土被压碎；②荷载作用下管桩表面出现宽度达1.5mm的裂缝。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果对比分析

直径为500mm的PRC-B桩和PRC桩的试验结果如表2所列。

表2 抗弯试验结果对比表

分析试验结果可得，普通复合配筋(PRC-500-AB桩)，当跨中位置出现裂缝时，荷载加载至194.5kN，测得裂缝宽度为11.50mm；继续加载至398.3kN时，钢管桩中预应力钢筋被拉断，管桩破坏，测得最大裂缝宽度为58.44mm。相比较而言，玄武岩纤维筋与预应力筋复合配筋(PRC-B-500-AB桩)在达到上述2级荷载的跨中挠度分别为7.33mm和34.56mm，比前者减少了36%和41%。与此同时，PRC-500-AB桩的极限荷载和开裂荷载要比PRC-B-500-AB桩下降21%和14%，但是破坏时的跨中挠度却比PRC-B-500-AB桩增加69%。另外，配置同样数量和直径大小钢筋的PRC-B-500-AB桩和PRC-500-AB桩的桩身裂缝分布情况明显不同，PRC桩破坏时有21条裂缝，而PRC-B桩破坏时只有10条裂缝；当2种类型的管桩达到极限承载能力而破坏时，玄武岩纤维复合配筋管桩是受压区混凝土被压碎而失去承载能力，有明显的安全储备和破坏预示；而普通钢筋复合配筋管桩是受拉区钢筋被拉断而桩突然发生破坏，无破坏征兆，属于脆性破坏。

3.2 荷载-跨中挠度曲线分析

PRC-B-500-AB桩和PRC-500-AB桩荷载挠度变化曲线情况如图5和图6所示。由图可见，在构件开裂之前，2种桩型的挠度变化增长较慢，2根桩型的荷载跨中挠度曲线均处于弹性阶段，PRC桩荷载-跨中挠度曲线的斜率小于PRC-B桩荷载-跨中挠度曲线，说明PRC-B桩的挠度变化小于PRC桩。管桩达到开裂荷载后，2种类型的桩挠度变化曲线斜率都呈现下降趋势，这说明管桩桩身由于荷载左右变形速度增长加快。对玄武岩纤维筋复合配筋管桩，荷载增至463.5kN时，构件的受压区混凝土被压碎而失去承载能力，而普通钢筋复合配筋管桩，当荷载增加至398.3kN时，由于内部钢筋突然被拉断而失去承载能力。

图5 PRC-B-500-AB桩抗弯试验挠度变化图

图6 PRC-500-AB桩抗弯试验挠度变化图

4 结 论

经现场试验，得到的结论如下：

(1)抗弯承载能力。BFRP筋与预应力筋共同作用下的钢筋混凝土管桩，BFRP筋的配置发挥了玄武岩纤维筋自身的优势，PRC-500-AB桩的极限荷载和开裂荷载要比PRC-B-500-AB桩下降21%和14%，但是破坏时的跨中挠度却比PRC-B-500-AB桩增加69%，说明玄武岩纤维筋对于普通钢筋的等量代换，提高了普通预应力混凝土管桩的抗弯承载能力。

(2)破坏机理。采用玄武岩纤维筋与预应力筋共同作用而形成的复合配筋管桩，在荷载的作用下，是由于受压区混凝土破碎而破坏的，但是普通预应力混凝土管桩是由于内部钢筋被拉断而发生的脆性破坏，充分说明了玄武岩纤维筋预应力筋复合配筋管桩具有一定的破坏征兆，属于塑性破坏，为我们应对工程事故的发生提供的警示和预警。

本文的研究成果为我们以后改进预应力混凝土管桩的水平抗弯能力提供了新的思路，为我们以后在工程应用中采用新方法提供了试验依据。