Ф600×130C型管桩的设计和应用

Ф600×130C型管桩的设计和应用谈维汉（高级工程师13928871382）[内容提要]本文介绍了Ф600×130C型管桩的设计计算方法、生产中遇到的困难和解决办法、试验方法和结果、工程应用实例。[关键词]C型管桩设计试验应用管桩在建筑基础中有着明显的优势，发挥的作用也越来越大，这些都得到了人们的认同，管桩的应用范围也不断扩大，甚至在基坑支护工程中，也有取代以往常用的搅拌桩和灌注桩等桩型的趋势。当然，这对管桩的抗弯性能也提出了更高的要求，以往的A型、AB型桩已不能满足要求。在2001年9月我们应甲方要求，设计和生产了C型管桩，并在基坑支护工程中取得了良好的效果。一、设计计算按照国家标准，Ф600C型预应力高强砼（PHC）管桩的极限弯矩为552kN，抗裂弯矩为276kN，结合我公司的生产条件，我们进行了设计分析，具体的计算过程如下：1.计算参数砼轴心抗压强度、弯曲抗压强度标准值fck=fcmk=50.0MPa砼轴心抗压强度、弯曲抗压强度设计值fc=fcm=37.0MPa砼立方体抗压强度fce=80MPa砼的弹性模量Ec=3.90×104MPa砼轴心抗拉强度标准值ftk=3.10MPa砼轴心抗拉强度设计值fc=fcm=37.5MPa施加预压应力时砼抗压强度f'cu=40MPa钢筋抗拉强度fptk=1420MPa钢筋的弹性模量Es=1.96×105MPa钢筋抗压强度设计值f'py=400MPa钢筋规定非比例伸长应力fpy=1275MPa管桩直径D=600mm，内径d1=340mm，t=130mm管桩截面面积:A=π(D-t)t=191951mm2预应力主筋:22Φ10.7mm钢筋面积:Ap=22×90=1980mm2主筋配置直径:Dp=510mm管桩换算截面面积:Ao=A+(Es/Ec-1)Ap=199922mm22.砼的有效预压应力预应力钢筋张拉控制应力值:σcon=1.05×0.7ｆptk=1043.7MPa1)锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失值σL1（按桩长10m计）:σL1=(1/L)Es=19.6N/mm22)预应力钢筋应力松驰引起的应力损失σL4=0.035σcon=36.5N/mm23)温度应力损失σL3不考虑，第一批预应力损失σLI=σL1+σL4=56.1N/mm24)第一批预应力损失后,钢筋的有效应力σpo1=σcon-σLI=987.6N/mm25)第一批预应力损失后,砼的有效预压应力σpc=σpo1Ap/Ao=9.78N/mm26)第一批预应力损失是砼收缩引起的预应力损失σL3:σLII=σL3=(45+220√28/ｆcσpc/ｆ'cu)/(1+15Ap/Ao)=79.9N/mm27)总的预应力损失σL=σLI+σLII=56.1+79.9=136MPa8)钢筋的有效预应力σpo=σcon-σL=1043.7-136=907.7MPa9)砼的有效预压应力σpc=σpoAp/Ao=907.7×1980/199922=8.99MPa3.管桩极限抗弯弯矩Mu:(图1)1)根据GBJ10-89第4.1.18-4条,按公式4.1.18-3α=ｆpyAp/(ｆcmA+ｆ'pyAp+1.5ｆpyAp-1.5σpoAp)=0.2148αt=1-1.5α=1-1.5×0.2148=0.67782)根据GBJ10-89中公式4.1.18-4，管桩极限抗弯弯矩：Mu=fcmkA(r1+r2)sinπα/2π+ｆ'pyApΥpsinπα/π+(ｆpy-σpo)ApΥpsinπαt/π=549kN.m4.管桩抗裂弯矩Ms:1)管桩换算截面抵抗矩:ωo=2Io/D=2[(d12+D2)A/16+(Es/Ec-1)ApDp2/8]/D=19.88×1062)环形截面抵抗矩塑性系数:Υm=Υ=2-0.4d1/D=1.773)管桩的抗裂弯矩Ms=(αctΥmｆtk+σpc)ωo=288kN·m5.其他力学性能计算：按英、日等国际通行公式，换成国标符号,则1）管桩轴心受压允许承载力Rp=1/4(ｆce-σpc)A=3408kN2）管桩抗剪强度Q:2tIτ/So=tIpc22-)2(tpc/So=544kN其中:I=π(ro4-r4)/4=57.06×108(mm4)So=2/3(ro3-r3)=14.72×106(mm3)3）按省规程，管桩的抗拉强度Rpl=σpcA=1726kN二、生产技术改造经过了理论分析，我们完全有信心生产出Ф600×130C型管桩，但对于现有的生产设备和技术，要顺利进行批量的生产，我们还进行了一些技术改造。1.模具的改良。由于预应力主筋数量的改变（22根），原有12孔的模头（尾）无法直接使用，必须重新制造多套新的22孔的模头（尾），专门用于Ф600×130C型管桩的生产。另外，由于张拉时所需的拉力成倍增加，而张拉时是以模具本身来承受其反作用力的，因此，对模具两端的局部压力也成倍增加，为了保证模具有足够的刚度和不会发生变形，我们还对模具的两端进行了局部的加固。同时张拉用的螺杆也因为要承受很大的拉力，而必须加粗和加固。2.桩端头板的改造（图2）。根据广东省标准《预应力混凝土管桩基础技术规程》中有关端头板的厚度要求，经过验算（计算过程此略），我们把端头板的厚度确定为20mm。同时，为了保证管桩接头处的抗弯能力大于桩身的抗弯能力，我们在设计时也对焊缝的厚度和宽度进行了相应的验算（计算过程此略），调整了端头板边沿企口的尺寸，确保接头的抗弯能力。3.机械和设备的加强。由于预应力主筋的数量达到22根，以0.75fpck作为控制预应力钢筋的控制应力值来计算，总的张拉力也达到2110kN，加上实际生产时法兰与模身的摩擦阻力，实际所需的张拉力可能达到2400kN。这样，从设备的实际能力考虑，张拉用的千斤顶应采用3000kN以上的级别。此外，由于预应力主筋数量的变化，必须制造专门的花盘和铜盘，与滚焊机配套，用来滚焊钢筋笼。4.其他操作。在实际操作中，也要针对每一个工序的不同特点，进行相应的加强和改进。如在装混凝土入模时，由于主筋较密，为了使混凝土容易入模，必须使用震动棒，同时也要控制送模跑车的运行速度等等。三、抗弯试验为了确保产品符合设计的要求，在实际应用之前，我们委托华南理工大学土建工程实验中心进行了抗弯试验，在现场抽两根桩进行送检，试验严格按照国家标准《先张法预应力混凝土管桩》的有关规定进行，试验结果见下表。检测项目国标值(kN-m)计算值(kN-m)试验实测值(kN-m)实测值/国标值实测值/计算值单项评定1#桩样2#桩样1#桩样2#桩样1#桩样2#桩样抗裂弯矩276288343.0338.11.241.231.191.17合格极限弯矩552549662.4676.21.201.231.211.23合格在这里要说明的是：计算时，管桩的极限弯矩只有549kN-m，小于国标的规定（552kN-m），但考虑到计算时混凝土的强度取值为C80，而实际上我公司生产的管桩，其混凝土强度大多在C90左右，这里有一定的富余，而且计算值与标准值相差不大，只有（552-549）/552=0.5%，所以我们认为是可行的，试验结果也证实了这一点，实测数据最小的也有20%的富余。四、工程实例使用该桩的工程位于广东省江门市区江沙路段，为某局的调度大楼，属于一类建筑，主楼25层，地下室2层，基坑开挖达13米深。为了赶工期和实际需要，设计人员要求采用高抗弯性能的管桩作为配合搅拌桩深基坑的帷幕桩，在基坑内设置两道水平的支撑，支撑采用工字钢等型钢组成，基坑剖面如图3所示。经过设计计算，得出管桩的单桩极限抗弯要求为477kN-m，必须采用Ф600×130C型管桩。在该帷幕工程中共使用210根、合计3780米Ф600×130C型管桩，管桩施打完不久即可进行开挖，工期大大缩短。施工过程一切顺利，没有发现管桩有质量问题。完成施打和基坑开挖后，一直到地下室施工完成，基坑都没有出现不良现象，证明Ф600×130C型管桩经受得住考验。五、结束语从试验的数据以及施工和使用的情况来看，该桩型的设计和生产都是成功的。此次C型管桩在多高层建筑中的使用，可能在广东省内甚至是全国范围内都是第一次，这次成功的经验也使我们对管桩的开发和应用有了一个更深的认识，对管桩行业的发展也是一次很好的促进。文中如有不足之处，请同业们不吝赐教。参考文献：1.国家标准GBJ10-89《混凝土结构设计规范》2.国家标准GB13476-1999《先张法预应力混凝土管桩》3.广东省标准DBJ/T15-22-98《预应力混凝土管桩基础技术规程》4.华南理工大学土建工程实验中心《管桩试验报告》