有无焊接接头的PHC管桩抗剪性能试验研究

杨光,陈吉果,谭玮,韩雪

(1. 湖南文理学院土木建筑工程学院,湖南常德,415000;2. 常德定海管桩有限公司,湖南常德,415701;3. 湖南博联检测集团有限责任公司,湖南常德,415000)

管桩是按照标准化生产的工业预制产品,单根长度一般为5～15 m,当设计长度超过单根PHC 管桩的长度时就需要多根进行拼接。PHC 管桩拼接一般采用桩端端板电焊连接工艺,焊接质量必须符合相关质量规范要求,因为桩身与焊接部位的抗弯剪性能是PHC 管桩最重要的力学性能要求之一[1]。作为高强预应力混凝土管桩,PHC 管桩比其它类型桩的单位面积承载能力要高,在水平力作用下的抗弯稳定性能和抗剪切性能相对较弱[2],在工程实际中往往由于抗剪承载力不足而导致桩体破坏[3]。例如,在强震作用下有液化倾向的地基土产生侧移,致使在PHC 管桩与承台之间产生较大的弯矩和剪力,因安全储备不足而使PHC 管桩出现剪切和弯曲破坏; 由于PHC 管桩的接头布置在物理力学性质差异较大的岩土层分界面,也会出现因分界面上下两层较大水平力作用差异而导致PHC 管桩接头部位受到弯剪力作用致使PHC 管桩丧失使用功能等。

目前,PHC 管桩剪切性能的相关研究大致分为理论研究、试验研究和数值模拟研究。理论研究方面,围绕PHC 管桩在工作期间是否允许出现裂缝,有单独考虑桩身混凝土横向受剪承载力设计值计算和同时考虑箍筋因素下桩身横向受剪承载力设计值计算两种抗剪承载力计算方式[4]。实验研究方面,国内不少学者开展PHC 管桩剪切性能试验,得到了剪切试验裂缝、挠度和极限剪力等一些规律[5]。为了增强PHC 管桩的抗剪性能,张忠苗等[6]、杜新喜等[7]在桩身增加普通非预应力螺纹钢筋或将箍筋同时加密等方式提高PHC 管桩抗水平剪切荷载能力; 郑刚等[8]在桩身中孔填筑混凝土芯等措施提高PHC 管桩抗剪切能力,并取得了一定的效果。现有试验条件难以对PHC 管桩的构造形式和轴压状态进行多工况测试,在数值模拟研究方面就相对容易实现,闫洁民等[9]模拟了在不同螺距及箍筋构造形式下PHC 管桩的剪切受力特征,郭浩东等[10]进行了不同的剪跨比和轴压下PHC 管桩的破坏形态模拟研究;Oktiovan Y P等[11]模拟了在大地震荷载作用下的PHC 管桩抗剪性能。

目前,对有焊接拼装状态下PHC 管桩的力学性能研究的文献较少,为了研究有无焊接接头情形下PHC 管桩的抗剪性能和破坏形态,选用PHC 500 AB 125 型管桩在标准试验工况下进行了足尺抗剪性能试验。

1 试验概况

1.1 试验桩情况

试验采用的是常德定海管桩有限公司生产的PHC 500 AB 125 型管桩,外径D=500 mm,内径d=250 mm,壁厚t=125 mm,钢筋保护层厚度c=45 mm; 混凝土强度等级为C80; 纵筋采用12 根φ10.7 mm 的预应力螺旋肋钢棒,钢棒抗拉强度标准值为fptk=1 420 MPa; 螺旋箍筋配φ6 mm 冷拉低碳刻痕钢丝,钢丝抗拉强度标准值为fpyk=600 MPa; 预应力螺旋肋钢棒的张拉控制应力为σcon=994 MPa。其主要标准抗剪性能指标参数见表1。

表1 PHC 500 AB 125 型管桩标准抗剪性能指标[1]

根据《先张法预应力混凝土管桩》(GB/T 13476—2009)[12]的规定,抗剪性能试验时在外观质量和尺寸允许偏差检验合格的同批次PHC管桩产品中随机抽取2 根进行抗剪性能的试验。为了满足规范要求并与试验装置匹配,共制作了2 种类型共4 根PHC 500 AB 125 型标准抗剪试验桩。其中有2 根总长4 m 无焊接接头抗剪试验桩,用于模拟单桩抗剪试验工况,分别编号为1#试桩和2#试桩; 另2 根总长4 m 经端板对焊连接加工形成有接头的抗剪试验桩,用于模拟有两根PHC 管桩焊接拼接而成的抗剪试验工况,分别编号为3#试桩和4#试桩。

1.2 试验装置

试验场地选在吊装和运输轨道设施便捷的PHC 管桩生产车间内,通过锚定在地面的钢架装置和液压千斤顶垂直向下给抗剪试验装置施加反力荷载。抗剪试验装置采用规范[12]推荐的简支梁对称加载装置,当进行有接头试桩抗剪试验时,需要将接头中心位置放置在试验装置一侧两铰支座间的剪跨中心。PHC 管桩抗剪试验构件尺寸和加载机构示意图如图1 所示,现场抗剪试验照片如图2 所示。

图1 PHC 管桩抗剪试验示意图

图2 现场抗剪试验照片

根据表1,PHC 500 AB 125 型管桩标准开裂剪力为322 kN,标准极限剪力为366 kN,试桩抗剪剪力V根据式(1)计算,选用量程为2 000 kN 的千斤顶作为荷载输出装置。

其中,Pc—施加在试桩上的荷载或千斤顶输出的轴力,kN。

1.3 加载方式

试验采用RSM-JC5(A)型静载仪作为自动加载控制系统,连接高压油泵对千斤顶施加荷载,千斤顶输出的轴力通过反力装置及分配梁作用在试桩上。由于实际试桩的开裂剪力和极限剪力与标准数值有差异,加上现场加工的有接头试桩的开裂剪力和极限剪力未知,因此按照规范[12]中的加载方式进行加载,即先按照标准开裂剪力级差设置加载数值和持荷时间,当试桩开始出现裂缝后调整为按照标准极限剪力级差设置荷载数值和持荷时间。

经过计算,具体的加载方法如下[12]:

第一步: 按20%标准开裂剪力的级差由零加载至标准开裂剪力的80%,每级荷载级差为128.8 kN,持荷时间为3 min; 然后按10%标准开裂剪力的级差继续加载至标准开裂剪力的100%,每级荷载级差为64.4 kN,持荷时间为3 min。观察桩身是否有裂缝出现,若有裂缝出现,说明该试桩的基本抗剪性能不合格。

第二步: 如果在标准开裂剪力的100%时仍未出现裂缝,则按5%标准开裂剪力的级差继续加载至裂缝出现。每级荷载级差为32.2 kN,持荷时间为3 min,测定并记录裂缝宽度。

第三步: 裂缝出现后,按5%标准极限剪力的级差继续加载至出现极限状态的检验标志之一为止。每级荷载级差为36.6 kN,持荷时间为3 min,观测并记录各项读数。

试验为破坏性试验,试验中测定并记录试桩裂缝宽度及发展、跨中挠度以及抗剪承载力等三大内容。通过利用F51 型裂缝观测仪记录桩身裂缝宽度等状态信息,利用跨中位置安置的百分表记录试桩的跨中挠度变化情况,直至试桩达到终止加载条件[12]。

2 试验过程及破坏形态

2.1 试验过程

1#试桩当Pc=740.6 kN 其对应剪力为370.3 kN 时,开始在靠近一侧剪跨中心试桩的侧面出现斜向微裂缝,取上一级对应的剪力354.2 kN 为本次试验的开裂剪力值; 随着荷载值的增加裂缝数量及宽度不断增加,当Pc=1 070.0 kN 其对应剪力为535.0 kN 时,试桩上裂缝最大宽度为1.59 mm(超过1.5 mm),达到终止加载条件,取上一级对应的剪力516.7 kN 为本次试验的极限剪力值; 宽度最大的裂缝出现在最先出现裂缝的剪跨中心的试桩侧面,试桩跨中最大挠度为9.47 mm。

2#试桩当Pc=772.8 kN 其对应剪力为386.4 kN 时,开始在靠近一侧剪跨中心试桩的侧面出现斜向微裂缝,取上一级对应的剪力370.3 kN 为本次试验的开裂剪力值; 随着荷载值的增加裂缝数量及宽度不断增加,当Pc=1 033.4 kN 其对应剪力为516.7 kN 时,试桩上裂缝最大宽度为1.53 mm(超过1.5 mm),达到终止加载条件,取上一级对应的剪力498.4 kN 为本次试验的极限剪力值; 宽度最大的裂缝出现在最先出现裂缝的剪跨中心的试桩侧面,试桩跨中最大挠度为8.76 mm。

3#试桩当Pc=910.6 kN 其对应剪力为450.8 kN 时,开始在无焊接接头一侧剪跨中心试桩的侧面出现斜向微裂缝,取上一级对应的剪力434.7 kN 为本次试验的开裂剪力值; 随着荷载值的增加裂缝数量及宽度不断增加,当Pc=1 121.2 kN 其对应剪力为560.6 kN 时,试桩上裂缝最大宽度为1.73 mm(超过1.5 mm),达到终止加载条件,取上一级对应的剪力542.3 kN 为本次试验的极限剪力值; 宽度最大的裂缝出现在最先出现裂缝的剪跨中心的试桩侧面,试桩跨中最大挠度为6.87 mm。

4#试桩当Pc=869.4 kN 其对应剪力为434.7 kN 时,开始在无焊接接头一侧剪跨中心试桩的侧面出现斜向微裂缝,取上一级对应的剪力418.6 kN 为本次试验的开裂剪力值; 随着荷载值的增加裂缝数量及宽度不断增加,当Pc=1 157.8 kN 其对应剪力为578.9 kN 时,试桩上裂缝最大宽度为1.68 mm(超过1.5 mm),达到终止加载条件,取上一级对应的剪力560.6 kN 为本次试验的极限剪力值; 宽度最大的裂缝出现在最先出现裂缝的剪跨中心的试桩侧面,试桩跨中最大挠度为7.58 mm。各试桩的抗剪试验数据汇总,见表2。

表2 PHC 管桩抗剪试验数据汇总

2.2 破坏形态

有焊接接头试桩裂缝从无接头一侧的剪跨中心开始出现,试桩从出现第1条微裂缝开始,随着后续荷载增加及持续,裂缝的宽度、长度、数量和分布的位置不断在发展变化,在持荷时间里,桩身裂缝宽度仍然在发生变化,偶尔伴随着混凝土的脆性开裂声音,宽度最大裂缝位置也都产生在剪跨中心侧面。4 根试桩从零荷载加载至试验终止时刻,各试桩桩身与铰支座接触位置无混凝土压碎破坏现象,桩身无受拉钢筋拉断现象,试桩焊接接头无掉焊、破裂等破坏现象,试桩跨中有轻微向下挠曲,最终以桩身最大裂缝宽度≥1.5 mm 作为试验终止条件。

通过观测和记录裂缝的分布状态,各试桩试验终止后桩身裂缝的分布情况为: 试桩抗剪试验开裂区域的斜向裂缝主要分布在分配梁下方铰支座与对应的底部铰支座之间的剪切受力区域内; 由于试桩同时受到弯曲作用,在试桩的跨中底部位置也出现了一定数量的环向裂缝。典型斜向裂缝和环向裂缝的照片见图3,各试桩桩身裂缝分布情况见图4。由图4 可知:(1)各试桩的抗剪试验裂缝在上下铰支座两侧斜向指向两支座中心方向约45°角方向分布,裂缝在桩身侧面呈“八”字形,表现为钢筋混凝土结构斜截面剪压破坏特征;(2)对于有焊接接头的试桩,由于PHC 管桩接头为Q235B 钢端板,且桩端处箍筋间距较桩身中间部位密,因此,在焊接质量过关的情况下经焊接拼接后的试桩在焊接接头部位的刚度较无焊接接头单桩试桩的桩身刚度要大,由于焊接接头部位的桩身受到桩端端板刚度补强作用和桩套箍的包裹约束作用,焊接接头附近的裂缝发育形态要比对称的另一侧剪跨部位弱,在有焊接接头侧的斜向裂缝也大体从焊接的铁套箍部分向外部混凝土桩身沿45°角方向发展;(3)由于试验装置为简支梁对称加载装置,试桩在受压剪作用的同时,在试桩的底部的跨中附近出现了垂直于桩身轴线的环向裂缝,其中有焊接接头试桩底部环向裂缝数量及宽度均高于无接头试桩,根据各试桩的受力特征推测,试桩底部环向裂缝数量及宽度与作用在试桩上部的Pc值大小有直接的联系。

图3 试桩抗剪试验终止加载时典型裂缝照片

图4 试桩桩身裂缝分布情况示意图

3 试验数据分析

3.1 开裂剪力和极限剪力变化分析

4 根试桩的加载级数及桩身对应剪力的曲线如图5 所示。由图5 可知: 各试桩曲线中的转折点和终点分别对应试桩的初始开裂时的剪力和终止加载时的剪力,由于剪切试验加载方法的规定,加载级数–剪力曲线斜率呈先大后小的样式,在第9个加载级数后,由于各试桩陆续出现开裂现象后续的剪力荷载增加级差有一定的差异,但是总体的差异数值不大。4 根试桩的开裂剪力最小值为354.2 kN,均大于标准开裂剪力322 kN,说明试桩的抗剪性能合格,其中,无焊接接头试桩的平均开裂剪力是标准开裂剪力的1.13 倍,有焊接接头试桩的平均开裂剪力是标准开裂剪力的1.33倍。4 根试桩的极限剪力最小值为516.7 kN,均大于标准极限剪力366 kN,其中,无焊接接头试桩的平均极限剪力是标准极限剪力的1.41 倍,有焊接接头试桩的平均极限剪力是标准极限剪力的1.51 倍。

图5 加载级数–剪力曲线

3.2 裂缝的发展与变化分析

经过测定并记录,各试桩的最大裂缝宽度–剪力曲线情况如图6 所示。由图6 可知: 两种类型试桩的最大裂缝宽度–剪力曲线斜率总体呈先小后大的非线性变化形式,有焊接接头试桩的开裂剪力数值要大于无焊接接头试桩的开裂剪力数值,但是因有焊接接头的试桩的极限剪力数值大于无焊接接头试桩的极限剪力数值,导致最终的有焊接接头试桩桩身的最大裂缝宽度要大于无焊接接头试桩桩身的最大裂缝宽度。

图6 最大裂缝宽度-剪力曲线

以1#试桩为例,使用裂缝观测仪对该试桩剪跨中心最先出现的裂缝进行跟踪观测,得到各分级加载时连续观测的裂缝照片,通过照片可以直观看到桩身剪力V与裂缝宽度b变化过程,详见图7。

图7 桩身开裂后剪力与裂缝宽度大小的观测照片

3.3 跨中挠度变化分析

在每一级荷载加载完成后,通过监测试桩在加载过程中跨中的百分表数值,整理成跨中挠度–荷载曲线,如图8 所示。

图8 跨中挠度-荷载曲线

由图8 可知: 由于试桩的刚度和抗剪强度较大,4 根试桩均在总荷载Pc=551.2 kN 时开始产生挠度,跨中挠度-荷载曲线随着荷载的增加两种类型的试桩出现分化,但总体趋势呈非线性发展,随着荷载的增大,跨中挠度增加幅度变大。同等荷载下有焊接接头试桩的跨中挠度要比无焊接接头试桩的跨中挠度小,由于有焊接接头试桩终止加载时的总荷载数值较大,有焊接接头试桩到达极限剪力时的最终跨中挠度仍小于无焊接接头试桩的最终跨中挠度,有焊接接头试桩试验终止时的平均跨中挠度为7.06 mm,无焊接接头试桩试验终止时的平均跨中挠度为7.44 mm。

4 结论

通过现场足尺试验,对有无焊接接头的PHC 500 AB 125型PHC管桩的破坏形态和抗剪性能进行了研究,研究表明:

(1)试桩的开裂剪力和极限剪力数值均超出了《先张法预应力混凝土管桩》(GB/T 13476—2009)规定的标准抗剪性能指标,表明实际的PHC 管桩的抗裂剪力和极限剪力都有较好的安全储备。

(2)有无焊接接头试桩的抗剪破坏形态和裂缝、跨中挠度发展变化特征基本一致,由于焊接接头的存在,有焊接接头的试桩要比无焊接接头的试桩的抗剪性能表现要好。因此,可以推测在实际工程中两桩焊接拼装部位的抗剪性能要强于桩身其它部位,保障接头焊接质量和抗锈蚀是保证PHC 管桩使用安全和耐久性的重要措施。