架空输电线路PHC管桩基础设计研究

余 亮，李 宁，宁帅朋，龙海波

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

预应力高强度混凝土管桩（prestressed high concrete pile，PHC）基础具有单桩承载力高、桩身质量稳定性好、施工效率高及环保效益好等优点，在工业建筑和民用建筑中得到了广泛应用，并主要应用于承压桩。基础的抗压稳定性是其他行业建筑物或构筑物的设计控制条件，而架空输电线路杆塔基础则为竖向承受交替往复的上拔和下压荷载作用，水平向亦同时承受较大荷载作用，其抗拔和抗倾覆稳定通常才是设计控制条件，因此，在应用PHC管桩时需重点考虑抗拔设计工况。国家建筑标准设计图集10G409《预应力混凝土管桩》[1]（以下简称“国标图集”）指出：PHC管桩用作抗拔桩时，应根据工程情况适当加强连接构造等相关措施。

针对PHC管桩作为抗拔桩使用的情况，国内外学者进行了广泛的研究[2-5]，得到了许多重要的结论。同时，在工程中应用PHC管桩时，存在需要重点关注的问题，如沉桩过程的挤土效应易导致断桩（接头处）、桩端上浮，以及对周边建筑物和临近地下设施造成破坏等[6]；PHC管桩不能穿透硬夹层，往往影响基础选型和基础适用范围，造成桩长过短，持力层不理想。本文基于国内外研究现状，进一步研究架空输电线路PHC管桩基础设计方法。

本文以PHC 600 AB 130[1]型为例，研究PHC管桩作为抗拔桩时竖向抗拔承载力特征值、桩身抗拉强度承载力、桩—桩连接强度、桩—承台连接强度等方面的设计方法，指出PHC管桩在架空输电线路杆塔基础中推广应用时应关注的重点问题，提出改进措施和设计方案。

1 竖向抗拔承载力特征值

PHC管桩竖向抗拔承载力特征值主要通过单桩抗拔静载试验法、经验参数法和高应变动测法等三种方法确定。三种方法的特点不同，适用于不同工况下的架空输电线路。

1.1 单桩抗拔静载试验法

架空输电线路杆塔基础沿线路走向呈点状分布，地质条件复杂多变，采用单桩抗拔静载试验法成本较高且试验结果不具有代表性，故不推荐采用这种方法。但是，对于PHC管桩应用在大跨越基础或集中应用在重要工程常规线路段并且地质条件较为单一时，可采用单桩抗拔静载试验法。

1.2 经验参数法

国家标准、行业标准及各地方标准中均给出了抗拔桩竖向抗拔承载力特征值经验参数计算公式，在广东省标准DBJ/T 15—22—2008《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》（以下简称“广东省标准”）中指出，按管桩基础的最小中心距3d做抗拔分析，管桩基础的抗拔能力基本上是由单桩抗拔能力组合而成，仅需做单桩或群桩呈非整体破坏验算而不必进行群桩整体破坏的验算[7]。

架空输电线路应用PHC管桩基础时，鉴于成桩方法的挤土效应，为减小挤土效应负面影响，桩距应适当加大，当桩基的排数大于3排且桩数大于9根时，相邻桩的中心距取4d，其它情况取3.5d。不考虑群桩整体破坏模式下，单桩竖向抗拔承载力特征值推荐采用广东省标准经验公式计算：

式中：Rta为单桩竖向抗拔承载力特征值，kN；Up为管桩桩身外周长，m；λi为抗拔摩阻力折减系数；ξsi为管桩第i层土（岩）的侧阻力修正系数值；qsia为管桩第i层土（岩）的侧摩阻力特征值，kPa；li为管桩穿越第i层土（岩）的厚度，m；Gp为管桩自重，对地下水位以下部分应扣除水的浮力，kN。

1.3 高应变动测法

PHC管桩截面均匀，侧面光滑，打桩过程更接近高应变动测法中凯斯法（Case法）的理论模型，故采用Case法所得结果准确率较高。PHC管桩基础应用于架空输电线路还处于起步阶段，可以结合工程情况选取使用Case法的塔位。应用该方法时，PHC管桩的抗拔极限承载力可以采用承压桩的桩侧摩阻力乘以抗拔摩阻力折减系数得到。

2 桩身抗拉强度计算

PHC管桩桩身抗拉强度的计算，各方观点并不统一，国标图集和各地方如广东省、江苏省等地方标准中均有相关的计算方法。

2.1 国标图集推荐方法

管桩桩身受拉承载力应符合下列公式：

式中：N为管桩桩身轴向拉力设计值，kN；C为考虑预应力钢筋镦头与端板连接处受力不均匀等因素影响而取的折减系数，取0.85；fpy为预应力钢筋的抗拉强度设计值，MPa；Ap为预应力钢筋面积，mm2。

对于PHC 600 AB 130桩：C取0.85，fpy为16 000 MPa，按截面直径10.7 mm计算Ap，经计算，CfpyAp=1 222.30 kN。

2.2 部分地方标准

1）广东省标准推荐方法：

式中：Qt为单桩竖向拔力设计值，kN；σpc为管桩混凝土的有效预压应力值，MPa；A为管桩截面面积，mm2。

对于PHC 600 AB 130桩：σpc为6.31 MPa，A=π×（6002-3402）/4，经计算，σc•A=1 210.60 kN。

2）江苏省标准DGJ 32/TJ 109—2010《预应力混凝土管桩基础技术规程》（简称“江苏省标准”）[8]推荐方法：

管桩处于腐蚀环境或设计严格要求不出现裂缝时：

管桩处于一般环境或设计一般要求不出现裂缝时：

式中：N1为单桩上拔力设计值，kN；ft为桩身混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2。

对比上述各标准计算公式，国标图集推荐方法没有考虑预应力管桩的有效预压应力，江苏省标准按地基腐蚀性情况进行了区分，但对于零裂缝控制的情况，预应力管桩在受拉过程中，难以理想化界定有效预压应力的清除和混凝土抗拉强度的发挥两者前后发生的界面，而实际中两者是共同作用。架空输电线路铁塔传递到基础的荷载为拉压循环荷载，荷载条件较为特殊，同时塔位地质条件多样，加之预应力管桩应用尚处于经验积累阶段。为此，本文推荐采用广东省标准计算方法，按桩身混凝土不出现拉应力为标准，在计算中考虑预应力管桩的有效预压应力。

2.3 桩身配筋

GB 13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》将原来预应力钢筋的混凝土保护层从25 mm加大到40 mm（φ300 mm管桩保护层仍为25 mm，不宜作抗拔桩），预应力钢筋的分布圆直径也随之内缩，而桩身的抗弯要求基本不变，故提高了钢筋的配置数量。

但是，目前有些预应力钢筋厂家生产的钢筋存在较为普遍的负公差，故建议输电线路建设单位在开展物资采购时，在招标文件中明确每米预应力钢筋允许的最小重量；对于重要工程可提出各检测尺寸正公差的要求，同时明确工程中应用的管桩应按一定比例抽检钢筋的数量及重量，若抽检钢筋的重量小于最小重量，应不予使用并要求重新发货。

3 桩—桩连接计算

3.1 机械啮合接头

架空输电线路基础承受上拔荷载和下压荷载的往复交替作用，荷载随机，荷载条件复杂，需要合理的桩与桩接头方式。同时，架空输电线路工程现场施工条件较工业建筑和民用建筑差，采用PHC管桩基础常用的焊接接头连接方式时，焊缝质量等级检测不易开展，焊接施工质量可靠性低。另外，架空输电线路PHC管桩基础适应锤击沉桩施工方案，而焊接接头经重锤击打后，往往容易产生裂缝，抗拉强度降低。

本文选用已在架空输电线路基础有一定应用经验的机械啮合接头（见图1和图2）作为分析对象。对于实际工程设计中，若采用啮合式接头，建议在设计文件中明确机械连接销、连接板、弹簧和连接盒采用的材质、尺寸及制作要求，给出机械接头零部件的数量、尺寸、构造及质量等要求，提出现场施工操作的步骤、流程和重点关注内容等相关内容，保证机械啮合连接的可靠性和安全性。

图1 啮合接头结构图

图2 架空输电线路工程中应用的机械啮合接头

3.2 端板计算

预应力钢筋两端经电热挤压成半球状的镦头，通过镦头与端板上锚固孔的连接，使端板与预应力钢筋形成一个结构体，张拉力通过端板传到预应力钢筋镦头上，此时端板抗剪强度校验是抗拔管桩设计的重要内容[9]。

PHC管桩总张拉力按约0.7n·Aa·Fpta张拉时，如果端板与镦头之间不出现拉脱情况，那么按广东省标准所规定的桩身抗拉强度计算式（RP= σpc·A）计算的抗拔桩的抗拔力 0.56n·Aa·Fpta是小于张拉力的，此时端板与镦头之间的连接是可靠的，可见广东省标准推荐的桩身抗拉强度计算公式，考虑到了“镦头与锚固孔”的抗拉能力匹配性，但具体如何验算，广东省标准并未给出明确公式。在江苏省标准条文3.6.4中，按端板抗剪强度计算端桩抗拔承载力，采用式（6）计算：

式中：n为预应力钢筋数量，根；d1和d2为端板上预应力钢筋锚固孔台阶上口和下口直径，mm；h1和h2为端板上预应力钢筋孔台阶上口和下口距端板顶距离，mm；fv为端板抗剪强度设计值，N/mm2；ts为端板厚度，mm。

端板与预应力筋连接见图3，其中标注了式（6）的主要参数。

图3 端板与预应力筋连接图

3.3 预应力钢筋镦头计算

在预应力管桩单桩抗拔静载荷试验中，出现过预应力钢棒墩头被拉断的情况[10]，为此在设计中应进行预应力钢筋镦头抗拉强度验算，对于墩头抗拉强度验算不同的规范给出了不同的计算折减系数，考虑到架空输电线路应用PHC管桩基础尚在积累经验阶段，本文推荐采用江苏省标准的计算方法，其计算结果较保守，计算公式见式（7）：

式中：fpy为预应力钢筋抗拉强度设计值，MPa；Ap为预应力钢筋总截面面积，mm2。

对于PHC 600 AB 130桩：fpy为16 000 MPa，按截面直径10.7 mm计算Ap，经计算，0.90 fpyAp=1 294.20 kN，大于式（3）的计算结果。目前，PHC管桩单桩的预应力筋与端板的整体连接在生产制作时确保预应力张拉到位的前提下，其整体连接强度是可靠的。

4 桩—承台连接计算

4.1 微膨胀混凝土填芯连接方式

PHC管桩与承台的连接常采用的做法是用微膨胀混凝土填芯内插钢筋锚入承台，或同时在预应力管桩端板上焊钢筋，一并锚入桩承台或基础底板。该连接方式传力路径是上拔荷载通过承台内的纵向锚筋传递至填芯混凝土，通过填芯混凝土与管桩的粘结力将荷载传递至管桩，因此，填芯混凝土的施工质量是整个PHC管桩基础质量的重要部分。

填芯的连接方式中，抗拔力主要通过填芯混凝土与预应力管桩壁的黏结力传递[11]，国标图集、广东省标准和江苏省标准都给出了类似的计算公式。现结合江苏省标准给出的计算公式进行讨论，见式（8）：

式中：K1为经验系数，取0.8；d1为填芯混凝土直径，即管桩内径，mm；l为填芯混凝土长度，mm；fn为填芯混凝土与管桩内壁之间的粘结强度设计值，宜由现场试验确定。

对 于PHC 600 AB 130桩， 若 取 fn为0.35 MPa，取N1为取式（3）计算结果作为管桩单桩上拔力，则l计算结果为4.05 m。结合国标图集总填芯高度不小于3 m的规定，最终推荐l取值为4.05 m。

4.2 端板机械连接锚筋连接方式

微膨胀混凝土填芯连接方式中，填芯混凝土与管桩内壁的粘结作用离散性大、难以准确估算，加上管桩内径直径较小，填芯混凝土施工环境差，质量稳定性也差；当上拔力较大时，填芯混凝土存在脱离和破坏的可能，进而引起管桩与承台的拔出破坏。

为此，针对架空输电线路工程杆塔基础受力特点，本文提出一种新型抗拔管桩承台连接设计的新方案。该方案去除了填芯混凝土，以PHC管桩端部端板为截面，将上锚钢筋通过机械连接接头安装于端板外侧，并作为锚固钢筋锚入基础承台，下锚钢筋安装于端板内侧PHC管桩桩体内且与上锚钢筋对应，上拔荷载通过上锚钢筋传递至机械连接接头，再通过机械接头和端板传递至下锚钢筋及预应力钢筋。

为分析该抗拔管桩承台连接方案的抗拔性能，采用ABAQUS通用有限元软件，建立带有承台、接桩结构和管桩的整体节点有限元模型，其中，承台在保证计算精度的前提下采用与PHC管桩对应的圆柱体局部模型。承台局部几何模型和PHC管桩几何模型定义节点的边界条件为环向约束，PHC管桩同时进行底部轴向约束，在承台顶部施加上拔荷载进行数值验算，混凝土采用C3D8R实体单元模拟，钢筋均采用T3D2桁架单元模拟，管桩预应力通过降温法实现，利用ABAQUS生死单元的功能，在初始分析步中不引入锚固钢筋，对预应力筋施加温度场，预应力仅使管桩结构产生预压变形。承台采用C30强度等级混凝土，上锚钢筋采用16C18的HRB400钢筋，下锚钢筋采用16C18的HRB335钢筋，钢筋锚入长度按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）计算。管桩几何模型见图4。

图4 管桩几何模型

当上拔荷载达到管桩轴心受拉承载力时，上锚钢筋、下锚钢筋及局部承台的应力如图5～图7所示：最大应力出现在上锚钢筋与端板的交界处，其值小于上锚钢筋的设计强度，管桩端部与接桩节点的混凝土应力均未达到混凝土抗拉强度设计值，说明端板机械连接锚筋连接方式是合理的。后续可进一步开展现场试验验证工作，确保该方案用于工程设计的安全可靠性。

图5 局部承台有限模型模型的混凝土应力

图6 管桩端部混凝土应力

图7 上锚钢筋、下锚钢筋及端板应力

5 结论

本文依据现行国家标准和地方标准等技术文件，结合架空输电线路杆塔基础受上拔抗拔荷载控制为主的特点，重点分析了多节管桩连接接头连接、桩—承台连接接头等方面的承载性能，取得的结论如下：

1）PHC抗拔管桩承载力特征值采用经验参数法进行计算时，推荐使用广东省标准中的计算方法；

2）PHC管桩桩身抗拉强度承载力计算，推荐采用广东省标准计算方法；

3）架空输电线路PCH管桩基础桩—桩接头推荐采用机械连接方式；

4）架空输电线路PHC管桩基础的端板厚度需适当加强，端板材料采用Q345B及以上钢材等级；

5）端板机械连接锚筋连接方式，最大应力出现在上锚钢筋与端板的交界处，其值小于上锚钢筋的设计强度，管桩端部混凝土应力小于混凝土抗拉强度设计值，说明该连接方式在理论上是合理的，后续可结合真型试验进行进一步验证；

6）PHC管桩基础作为架空输电线路新型基础型式，具有较广阔的应用前景。应用时应结合架空输电线路工程特点，改进和优化桩身结构、桩—桩接头以及桩顶与承台等部位的连接方法。