混合配筋预应力混凝土管桩研究现状简述

时间：2024-07-28

郭冬冬，张耀文，朱怀龙

（1、广东三和管桩股份有限公司广东中山 528414；2、华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与重点实验室南昌 330013）

0 引言

预应力高强混凝土管桩（PHC 管桩）是现阶段最为常用的水泥制品构件，其具有单桩承载力高、工程造价低廉、施工便捷等特点被广泛用于各类基础工程。实际工程中，管桩主要是作为承受竖向荷载的基础构件［1-3］。然而在一些对基础抗震和抵抗水平力有较高要求的场合，预应力混凝土管桩存在抗弯能力不足及延性差等问题，在地震多发区域管桩的水平承载力不足是造成管桩破坏的主要原因［4-9］。为改善管桩的抗震性能，研究人员在管桩中预应力钢棒的分布圆上均匀加入一定数量的非预应力钢筋，设计出了混合配筋的预应力混凝土管桩（PRC 管桩）。目前国内外已经对混合配筋预应力混凝土管桩进行了许多理论和试验研究，为简要了解其在工程领域的应用及研究现状，本文将从以下几个方面对混合配筋预应力混凝土管桩的研究现状展开综述，总结出PRC 管桩的力学性能特点，为PRC 管桩市场推广前景及进一步研究提供借鉴。

1 混合配筋预应力混凝土管桩抗弯、抗剪性能

对于混合配筋预应力混凝土管桩（PRC 桩），相比传统管桩，其内部钢筋布置增加了非预应力钢筋，如图1所示。

图1 PRC管桩横断面示意图Fig.1 Cross-sectional Diagram of PRC Pipe Pile

为了解增加非预应力钢筋对管桩水平承载力的影响，许多研究者针对混合配筋预应力混凝土管桩（PRC 管桩）的抗弯承载力进行了试验研究。王新玲等人［10-11］对5种配有非预应力钢筋的新型预应力混凝土管桩（每种形式制作2根）与2根普通预应力混凝土管桩进行了抗弯试验，结果表明配置非预应力钢筋后的管桩具有好的抗弯性能。杨泽东［12］在室内进行了PRC 管桩的抗弯试验，发现PRC 管桩的开裂弯矩和极限弯矩分别是《预应力混凝土管桩：10G409》规定值［13］的1.56 倍和1.42 倍。杜新喜等人［14］开展混合配筋预应力混凝土管桩（PRC 桩）和传统管桩（PHC 桩）的抗弯性能试验，根据试验结果他们发现，相比PHC 桩，PRC12（非预应力钢筋为1612）管桩的极限弯矩平均提高了43.7%，PRC16（非预应力钢筋为1616）管桩的极限弯矩平均提高了63.3%，说明加入非预应力钢筋可以显著提高抗弯承载力，随后又采用“等效钢带法”推导出了预应力混凝土管桩正截面的承载力简化计算公式；郭杨等人［15］利用试验测试了PRC600AB-Ⅰ和PRC600AB-Ⅱ两种常用规格PRC 管桩的受弯和受剪性能，分析指出配置1212 的PRC桩的开裂弯矩和极限弯矩分别是配置812 的PRC桩的1.1倍和1.4倍，增加非预应力钢筋能提高PRC 桩的受弯承载性能，并且建议采用式⑴～式⑹［16-17］计算PRC 桩的抗弯承载力。在理论计算方面，王清等人［18］推导了混合配筋预应力环形截面构件正截面受弯承载力理论计算方法，并且与《混凝土结构设计规范（2015 年版）：GB 50010—2010》［16］中给出的叠加法计算公式进行了比较，结论为使用式⑴～⑶适用于PRC管桩的受弯承载力设计值的计算。另外，也有许多学者通过有限元模拟展开了对混合配筋管桩抗弯承载力的研究。王新玲等人［19］基于管桩的抗弯模型试验数据，结合有限元软件对混合配筋预应力混凝土管桩的抗弯刚度进行了模拟分析，进而修正了适用于PRC桩开裂前后抗弯刚度计算公式；张锡治等人［20］的有限元模型讨论了轴压比、配筋强度比、预应力度和混凝土强度等参数对混合配筋管桩受力性能的影响，结果表明管桩极限承载力随着配筋强度比的增大而小幅度增大；郭杨等人［21］在PRC管桩抗弯承载力试验的基础上，采用ANSYS 有限元程序对PRC 管桩在集中荷载作用下的开裂荷载和极限荷载进行了模拟分析。可见，配置非预应力钢筋的管桩极限弯矩有了显著提高，然而抗裂弯矩增加幅度并不显著。

混合配筋管桩正截面受弯承载力设计值计算：

式中：M为PRC管桩正截面受弯承载力设计值（kN·m）；Mu为PRC 管桩正截面受弯承载力极限值（kN·m）；A为管桩桩身横截面面积（mm2）；AS为全部纵向非预应力钢筋的总截面面积（mm2）；Ap为全部纵向预应力钢棒的总截面面积（mm2）；r1、r2为环形截面的内外半径（mm）；rS为纵向非预应力钢筋所在分布圆的半径（mm）；rp为纵向预应力钢棒所在分布圆的半径（mm）；α为矩形应力图中，混凝土受压区面积与全截面面积的比值；αt为矩形应力图中，纵向受拉预应力钢棒达到屈服强度的钢筋面积与全部纵向预应力钢棒截面面积的比值；σp0为预应力钢棒合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢棒应力（N/mm2）；fc、fck分别为混凝土轴心抗压强度设计值和标准值（N/mm2）；fpy、fptk分别为预应力钢棒的抗拉强度设计值和标准值（N/mm2）；fpy′为预应力钢棒抗压强度设计值（N/mm2）；fy、fyk分别为非预应力钢筋抗拉强度设计值和标准值（N/mm2）；γ′为考虑实际条件下的综合折减系数，取γ′=0.95。

另一方面，混合配筋管桩的抗剪性能也是不容忽视的研究重点。张忠苗等人［22-23］选取PRC600（110）桩为对象依据国标试验方法进行抗弯抗剪试验，指出在剪力作用下配置非预应力螺纹钢筋改变了桩身的应力和裂缝分布规律，显著减小了桩的变形量，然而对抗剪承载力的提高没有显著影响；胡新喜等人［24-25］对3 根PHC600（110）桩和7 根PRC600（110）桩进行了抗剪承载力对比试验，试验数据显示，无轴压时PRC桩的极限剪力比PHC 桩提高了3.6%，在同一级竖向荷载作用情况下，PRC 桩跨中挠度比PHC 桩减小17%～30%，后续的有限元模拟结果与试验结果也基本吻合，说明在PHC桩中加入非预应力钢筋可以提高管桩的抗剪承载力和抗剪刚度。徐金等人［26］的PRC 桩抗弯抗剪试验与有限元模拟结果显示，相比普通管桩，PRC 桩的开裂弯矩增加不显著，但是其极限弯矩明显增大，所有PRC 桩比普通管桩的抗裂剪力略微减小，随着与非预应力钢筋直径增加，抗裂剪力逐渐减小，极限弯矩逐渐增大；崔川［27］的有限元模拟结果同样认为混合配筋管桩的延性有所提高，抗弯性能显著提高，但是其极限剪力会有所降低。通过对以上研究的回顾不难发现，配置非预应力螺纹钢筋改变了桩身的应力和裂缝分布规律，显著减小了桩的变形量，桩的延性有所提高，然而，不能有效提高抗剪承载力。

2 混合配筋预应力混凝土管桩抗震性能

在地震多发区域，研究人员最关心的就是桩的抗震性能。早在1983 年日本就已经开发出ST 桩、PRC桩，以增强管桩的抗震性能。为了解混合配筋管桩抗震性能，学者们已经对其展开了研究。戎贤等人［28-30］，宁飞［31］，徐金等人［32］，YANG 等人［33-34］对配置不同直径非预应力钢筋的混合配筋混凝土管桩进行了低周往复荷载试验及有限元模拟，分析了桩的破坏形态与受力性能。结果表明布置适当直径的非预应力钢筋能提高管桩位移延性系数，改善管桩脆性断裂的不足；王铁成等人［35-36］的低周往复加载试验指出，配置非预应力筋可显著提高PHC 管桩的极限位移，改善桩的破坏模式从而增强桩的抗震能力；王文进［37］研究表明PRC 管桩在往复荷载作用下发生延性破坏，其极限承载力相比PHC 管桩提高了30%～60%；刘彦坡［38］通过开展现场试验和有限元模拟研究了考虑桩-土相互作用下PRC 管桩的水平承载性能及其在地震作用下的受力和变形特点，分析认为在低周水平往复荷载作用下，增配非预应力钢筋使得PHC管桩的破坏形式呈现从脆性破坏到延性破坏的一个逐渐过渡的过程，能够改善常规PHC 管桩抗震性能；张锡治等人［39］通过拟静力试验研究了轴压比对预制高强混凝土混合配筋管桩的破坏形态和抗震性能的影响，结果表明，配置预应力钢筋的管桩试件残余应变位移更小，自复位能力更强；刘畅等人［40］在软土地区对PHC管桩和复合配筋管桩进行了现场足尺抗震性能试验，试验指出混合配筋管桩的抗震性能相比PHC 管桩有显著提高；郑刚等人［41］针对预应力管桩、预应力方桩和钻孔灌注桩等38根桩，在典型软土场地展开了原位单桩拟静力试验，考虑桩-土相互作用对比了低周往复水平荷载作用下不同桩型的承载性状及抗震性能，试验结果表明常规预应力桩延性较差，呈脆性破坏，而增配非预应力筋的预应力桩的位移延性及耗能能力得到显著改善，抗震能力得到加强。可见，相比于传统PHC管桩，在管桩中增配非预应力钢筋确实能够增强管桩的延性和抗震能力，这为PRC 管桩在抗震地区的推广提供了更加可靠的证据，然而目前的研究对水平荷载作用下预应力钢筋与非预应力钢筋的共同工作机理尚不够清晰，因此PRC 管桩抗震性能及其优化方案有待进一步探索。

3 混合配筋预应力混凝土管桩的工程应用

与传统管桩相比，PRC 管桩有更好的延性、抗弯性能和抗震性能，目前已经有部分实际工程应用了PRC 管桩，如蔡磊等人［42］将PRC 管桩应用于深厚软土地区的基坑支护工程，通过软件计算与现场实际的检测数据对比，证明了此类软土区域采用PRC 排桩支护的可行性。大浪淀枢纽泵站采用了PRC 管桩、锚索支护和水泥土搅拌桩止水帷幕相结合的基坑支护技术，基坑周围环境监测结果均在安全规定范围内，支护效果比较理想，大大节省了施工成本［43］。广西南宁某深基坑［44］、山东烟台某基坑工程［45］、河南开封某商业楼项目［46］均采用了PRC管桩加锚索的支护方式，监测数据显示基坑变形满足设计和规范要求。某深厚淤泥地质条件的基坑工程［47］采用了PRC 管桩加内支撑的支护方式，开挖过程中基坑状态良好，节省了施工成本和工期。天津市某厂房项目［48］采用了PRC 管桩加角撑的基坑支护方案，施工过程顺利进行，现场观测结果也符合设计预期。在青岛某基坑支护工程中［49］，第二支护单元使用了单排布置的PRC-I 600AB110 单节预制管桩加锚杆的支护方案，收集了基坑及周边监测点沉降的检测数据，分析认为此支护方案安全可靠。姚小波［50］和黄伟达［51］介绍的某基坑工程案例中也应用了PRC 管桩作为悬臂支护结构，此外，PRC 管桩作为支护结构也在珠三角地区的某基坑工程中得到应用［52］。通过对以上实际工程案例的回顾可以看出，PRC 管桩由于其良好的抗弯和抵抗水平荷载的能力在基坑支护方面得到了大量使用，不仅能保证施工安全进行，节省了成本和工期，能够达到良好的设计预期，同时可以有效减少对周边环境的负面影响。然而目前的实际应用集中于支护领域，在基础工程领域的应用尚有待推广应用，特别是抗震设防区域的实际应用有待进一步的研究。尽管如此，PRC 管桩在工程领域的应用前景仍十分有潜力。