钢筋机械锚固技术在抗浮预制桩中的应用

钟凯强

中铁十七局集团建筑工程有限公司，山西 太原 030006

预制桩施工主要采用锤击法和静压法，且目前预制桩生产多采用先张法预应力桩，桩顶设置有桩帽，用于锚固预应力钢筋和承受预制桩施打直接作用力。采用预制桩作为抗拔桩，需要桩基主筋锚入基础内，预制桩锚筋则需要破除桩头，且对于预制桩采用预应力钢绞线作为主筋，钢绞线锚固力较小，需增加锚固长度。鉴于以上特点，抗拔预制桩锚固引入钢筋机械锚固技术，利用桩帽锚板作钢筋锚固板，很好地解决了预制桩桩头难破除、锚固钢筋增加等问题。

1 工程概况

某综合管廊位于滨海吹填区，区域地层较软，有液化现象，地下水位高。管廊地基设计采用预制方桩进行地基加固处理，并做抗浮桩使用。预制桩为尺寸为400mm×400mm的预应力混凝土实心方桩，桩基为混凝土C60，主筋采用12根直径为12.6mm的预应力钢筋，箍筋采用直径为5mm的钢丝，设计桩长为9m，单桩竖向承载力标准值Quk=800kN，单桩抗拔力设计标准值Tuk=100kN。桩端入持力层中砂厚度≥2m，桩顶嵌入管廊底板深度为50mm。

2 钢筋锚固板设计

2.1 设计依据

钢筋机械锚固技术是将螺帽与垫板合二为一的锚固板通过螺纹与钢筋端部相连形成的锚固装置。其作用机理是钢筋的锚固力全部由锚固板承担或锚固板和钢筋的黏结力共同承担。结合该技术的应用、预制桩结构特点及生产工艺，将预制桩桩帽锚板优化制作成钢筋连接锚板，用于预制桩与伸入基础内锚固钢筋的连接。该连接装置和方式必须使锚固钢筋与桩帽锚板连接作用力大于抗拔桩承载力，才能满足使用要求。

2.2 锚垫板设计

根据设计要求，每根预制桩抗拔力设计标准值Tuk=100kN，承载力要求分析连接装置受力情况，并进行应力验算，该连接装置从上到下依次为锚固钢筋、锚垫板、预制桩主筋。解析结构组成，并进行力学分析如下：抗拔桩设计抗拔力方向沿桩身竖直向上，抗拔力最先作用于锚固钢筋上，拉力通过锚固钢筋传至锚固钢筋与锚垫板连接处，通过螺纹连接将拉力传给锚垫板，锚垫板承受拉力主要形成剪切应力，并通过与桩基主筋锚固分散传入预制桩桩身。考虑该工程预制桩单桩竖向抗拔承载力设计值较小，确定锚固钢筋采用8根直径为16mm的螺纹钢筋，锚垫板结合预制桩生产标准，采用Q235钢板。

（1）各部件承载力验算。根据各部位受力情况分析，要满足抗拔设计要求，锚固钢筋、预制桩主筋应满足承载力要求。锚固钢筋采用HRB400钢筋，锚固钢筋强度标准值fyk=400N/mm2，考虑钢筋螺纹连接，按标准要求剥肋有效直径取15.1mm。

式中：σ1为锚固钢筋受拉应力；F1为单根锚固钢筋承受拉力，F1=Tuk÷n（n为钢筋根数）；S1为受拉钢筋有效截面面积。

验算得σ1=69.83N/mm2＜fyk=400N/mm2，满足要求。

预制桩预应力钢筋直径为12.6mm，预应力钢筋强度标准值fptk=1420N/mm2，有效截面面积取公称面积125mm2。

式中：σ2为预制桩预应力钢筋受拉应力；F2为单根预制桩预应力钢筋承受拉力，F2=Tuk÷n（n=12）；S2为受拉预制桩预应力钢筋有效截面面积。

验算得σ2=66.7N/mm2＜fptk=1420N/mm2，满足要求。

（2）锚板厚度设计。根据力学分析，锚板厚度需同时满足两个条件：一是满足自身抗剪强度要求，二是满足钢筋螺纹连接长度要求。

满足锚板抗剪强度的钢板厚度t1的计算。由于预制桩采用先张法生产，即预制桩生产过程中预应力钢筋已张拉至设计强度，且锚固位置均匀分布于锚板四周，为保证受力均匀，后锚固钢筋连接点分布于预制桩预应力钢筋之间，使锚板受力均匀。受力计算按照锚板上下等效计算。锚板采用Q235钢板，抗剪强度标准值fv=125N/mm2，钢板中间割除直径为250mm的圆，钢板横截面面积最小锚固钢筋间距Bp=296mm，取钢板抗剪截面有效面积长度L=Bp-D=46mm。

式中：v为钢板承受剪切力；t1为钢板厚度。

由于v≤Tuk，计算得t1≥17.4mm。

满足钢筋螺纹连接厚度t2的计算。钢筋螺纹连接长度（钢板厚度）满足锚固要求，根据国标钢筋套筒要求，不同直径钢筋螺纹连接的螺纹尺寸有基本规定。采用普通三角形螺纹牙，将螺纹展开按三棱柱尺寸作近似计算，依据《机械设计手册》，得到：

式中：P为螺纹间距；d为螺纹大径；d1为螺纹小径；h为螺纹工作高度；b为螺纹牙底宽度。

螺纹承受静力荷载，为单向受弯构件，考虑螺纹受力不均匀等情况，采取修整系数γ=5P÷d,螺纹弯曲应力计算如下：

式中：Z为螺纹工作牙圈数；F为轴向拉力。

锚板材质与锚固钢筋材质不同，选取强度较小的锚垫板进行计算。根据规定，直径为16mm的螺纹钢丝头螺距P=2mm，考虑剪切力效应，由σ≤fv计算取整得Z≥4，即满足钢筋螺纹长度的锚板厚度t2≥8mm。

锚板厚度确定。通过计算，锚板厚度必须同时满足t1、t2的要求，考虑机械锚固连接钢筋丝头加工的精度、安装误差等对钢筋和锚板连接质量的影响，在满足理论验算的基础上，增加2圈螺纹，确定锚板厚度t=22mm。

2.3 锚板加工

预制桩桩帽锚板由预制桩生产厂家根据设计要求在工厂定制生产，加工应注意以下内容：（1）锚板几何尺寸按设计加工，厚度尺寸误差为正误差；（2）锚板锚固孔应采用机械自动加工，保证其精度，两相邻孔之间的距离偏差不得＞0.5mm；（3）锚固钢筋锚固孔加工应按照《钢筋锚固板应用技术规程》（JGJ 256—2011）技术要求进行，螺纹规格要符合国标要求；（4）加工好的锚板应进行防腐处理，钢筋锚固孔要做好保护和防锈。

3 预制桩锚固钢筋安装

3.1 预制桩生产

预制桩在预制场集中加工生产，生产过程严格按照预制桩生产工艺进行，生产过程控制还应注意以下三点：（1）在进行桩帽锚板安装时，要严格控制锚板安装精度，保证锚板顶平面与桩身中线垂直；（2）采用先张法进行桩身主筋张拉，控制张拉力应均匀施加，张拉应力要满足设计要求；（3）预制桩生产过程中，钢筋锚固孔要采用有效措施进行保护，防止污染或堵塞。

3.2 预制桩施工

预制桩进场后，应对预制桩进行检查验收，确保施打预制桩混凝土强度达到设计要求，检查合格后准许进行沉桩施工。预制桩应严格按照施工工艺进行施工，保证沉桩和桩头质量。预制桩沉桩完成后，应及时进行桩顶剩余土层清理，对有锈蚀锚板进行除锈，再次进行防腐防锈蚀处理。

3.3 锚固钢筋加工

锚固钢筋加工与一般钢筋机械连接丝头加工工艺相同，根据锚固长度采用砂轮机或带锯进行钢筋切割，切割面平整；按照对应钢筋大小更换刀片，调整丝头加工内孔尺寸，严格按照国标尺寸进行加工；丝头加工长度应在设计计算锚孔深度基础上增加1P长度。

3.4 锚固钢筋安装

锚固钢筋安装采用管钳扳手拧紧，钢筋丝头应在锚孔中央位置相互顶紧，外漏丝扣不超过2P；钢筋安装后应用扭力扳手校核拧紧扭矩，最小扭矩要符合规范要求。

4 桩基抗拔力检测

桩基抗拔力用单桩竖向抗拔静载试验进行检测，试验采用慢速维持荷载法。

5 结束语

目前，装配式建筑正蓬勃发展，预制桩的使用将更加广泛。工程施工过程中，针对预制抗拔桩节点的处理问题，引入和采用了钢筋机械锚固新技术，简化了预制桩桩基锚固方式，既解决了预制桩桩头破除处理难题，又在节约成本、缩短工期上起到了很好的效果，同时也保证了桩基的使用效果。