混合配筋预应力混凝土管桩

建华管桩集团廖振中2013年03月混合配筋预应力混凝土管桩(PRC桩)PrestressedReinforcedPile(PRCPile)题要一前言二结构三应用1黄河的护堤工程2建筑工程基础3湖泊的护岸工程4作构筑物的立柱用5用于深基坑工程支护结构四小结一前言预应力高强混凝土桩，无论管桩还是离心方桩，桩身强度都很高，但由于预应力混凝土桩抗弯性能差，破坏形式呈脆性破坏，延性差，当桩出现开裂后，裂缝迅速蔓延，受拉区钢筋很快进入屈服和颈缩直至断裂，而且具有极限弯矩和开裂弯矩相差不大等缺点。由于桩抗水平承载力不足，因此，在在抗震设防烈度不大于8度的地区抗震建筑的基础施工中，在基坑工程、边坡稳定工程、护岸工程，软土地区建筑桩基中的应用受到限制因此，需要开发适应要求的新型桩。黄河需要护堤桩我们为什么要研发混合配筋制预应力混凝土管桩？黄河是中国的母亲河，她孕育中华灿烂的千年文明，但她也带来了灾难，千百年来，流经黄土高坡的滚滚河水带来大量泥沙，在中下游淤积。在河南段，大约河床每年要升高8～12cm,郑州段花园口河床比市区高5～7m,开封段已高10多m。由于泥沙的淤积，黄河的最大特点是不停的改道，东边河床高了流西边，西边河床高了流东边，频频改道。现在要控制流向，减少对堤岸的冲击，就提出了＂桩坝＂的新概念。“桩坝＂是为大河堤坝的外围设置保护层，即由预制桩组成的缓冲层，减少对大河堤坝的冲击。对护坝桩的要求是：（1）要承受较大的抗弯力和抗剪力，危险断面处的抗弯力达300-500kN；（2）要可将桩沉入和拔出，即桩上必须有预应力钢筋，能承受桩自重的应力设计；（3）要有较好的稳固性，即桩在泥沙中位置的稳定性，桩截面不宜小于500mm,当然可考虑连系梁架构。针对护堤坝桩和基坑、抗震等基础工程的需求，由郑州大学、建华管桩集团共同研发的混合配筋制预应力混凝土管桩。即PRC桩。它同普通预应力混凝土管桩一样，亦是由混凝土、钢筋骨架及端头板组成，不同处在于钢筋骨架中除了有预应力钢筋外，还加入一定数量的非预应力钢筋，形成一种新型的混合配筋的骨架，配筋率高，为普通管桩的1.5～2倍。按非预应力钢筋和预应力钢筋的直径数量分有多种类别、型号，我们可以根据实际工程需要，选择相匹配的混合配筋预应力混凝土管桩。建华管桩委托同济大学，对混凝土混合配筋管桩、PHC管桩、和预制混凝土实心方桩三种桩型进行水平低周反复加载的对比试验，选取有代表性的部位，通过精细的试验量测设计，在整个试验过程中观测裂缝变化情况、混凝土和钢筋的应变变化，并绘制出反映桩在循环荷载作用下荷载与变形关系的滞回曲线及骨架曲线，为确定预应力混凝土管桩的水平抗震性能提供试验基础。二混凝土混合配筋管桩、PHC管桩、实心方桩抗震性能的试验研究加载设备混合配筋管桩PHC管桩实心方桩试验加载程序采用荷载控制和位移控制两种方法。1对比试验试验中观测到的试件损伤发展历程大致如下:(1)、当水平荷载小于开裂荷载时，试件水平力与位移呈线性关系。(2)、随着荷载的增大，混凝土裂缝开始出现，此时裂缝宽度一般在0.02mm以内。(3)、荷载继续增大：1）实心方桩中纵向受拉钢筋开始屈服，接着受压侧混凝土保护层开始压碎、剥落，继而纵向受压钢筋压屈，试验结束；2）PHC管桩中受压侧混凝土保护层开始压碎、剥落，纵向受拉钢筋（预应力钢筋）逐渐达到屈服强度，直至最后断裂，试验结束；3）混合配筋管桩中受压侧混凝土保护层开始压碎、剥落，纵向受拉钢筋（预应力和非预应力钢筋）逐渐达到屈服强度，直至最后预应力钢筋断裂，非预应力钢筋压屈，试验结束。PHC管桩水平位移幅值80mm东侧混凝土破坏情况实心方桩水平位移幅值60mm南侧混凝土破坏情况2试验破坏情况混合配筋管桩水平位移幅值95mm东侧混凝土破坏情况实心方桩在保持80mm峰值位移时，负向峰值荷载随循环次数增多而大幅降低，刚度明显退化，试验结束。PHC管桩在保持70mm峰值位移时，正向峰值荷载随循环次数增多而开始大幅下降，一侧混凝土已压碎；而在保持80mm峰值位移时，另一侧混凝土突然压碎，试验结束。混合配筋管桩的水平极限承载力出现在80mm荷载级，在保持80mm峰值位移时，负向峰值荷载随循环次数增多而有所降低，但未大幅下降；继续加载，在保持85mm、90mm峰值位移时，峰值荷载随循环次数增加逐渐降低，但依然没有大幅下降，说明混合配筋管桩具有较好的延性性能。最终在95mm峰值位移时，水平承载力明显降低，试验结束。3试验比较与分析从上表中可以看出，三根桩型轴压比相同，剪跨比基本接近，这为比较三种桩型的延性性能提供了可比性。配箍率实心方桩比两根管桩高出30%左右，这对方桩的延性性能有一定的增强作用。抗弯刚度两根管桩超出方桩近30%左右，使管桩的抗弯能力大大提高。另外混合配筋管桩由于增配了非预应力钢筋，因此纵向配筋率超出方桩和PHC管桩近50%左右，这将有助于提高混合配筋管桩的水平极限承载力；而且由于增配的是非预应力钢筋，因此将会改善其延性性能。三种桩型相关参数比较参数桩型规格mm配筋规格EI103KN.m2纵筋配筋率箍筋配筋率（加密区）轴压比剪跨比实心方桩400X4004Φ1878.0921.27%1.08%0.28.6PHC管桩500(100)13φD12.6107.0541.2%0.83%0.28.1混合配筋管桩500(100)16φD10.7,16Φ12111.3072.27%0.83%0.28.14延性性能系数比较从三种桩型试件的延性系数比较来看，实心方桩和混合配筋管桩较为接近，均比PHC管桩的延性系数要大，因此在原有管桩基础上增配非预应力钢筋的混合配筋管桩的延性得到了较大地提高，从而改善了预应力混凝土管桩的抗震性能。5抗震试验结论和建议（1）破坏模式实心方桩的破坏主要表现为受拉钢筋屈服、受压钢筋压屈以及受压区混凝土压碎。PHC管桩的破坏主要表现为预应力钢筋拉断和受压区混凝土压碎。混合配筋管桩的破坏主要表现为受拉钢筋（非预应力钢筋）屈服、受压钢筋（非预应力钢筋）压屈、预应力钢筋拉断以及受压区混凝土压碎。（2）极限承载力反复荷载下，管桩的抗弯极限承载力超出实心方桩的极限承载力约40%，而两种管桩的抗弯极限承载力基本接近。（3）延性与耗能性能三种桩型试件的滞回曲线形状均不够饱满，呈捏拢形（两根管桩的滞回曲线较扁平），延性系数均小于3，耗能系数均小于1，因此表明抗震性能都不是非常理想。在极限荷载前，每级荷载下的滞回环重合良好，试件刚度退化不明显；当荷载加到极限荷载后，每级荷载下的滞回环不再重合，承载力退化明显。混合配筋管桩的延性系数和实心方桩相比较为接近，而且其数值超过了PHC管桩的20%左右；另外，混合配筋管桩的耗能系数也超出了PHC管桩近30%左右，说明PHC管桩的延性性能得到了较大地改善，且与实心方桩的延性性能相近。6结论PRC桩与PHC桩相比，它的性能明显提高；抗裂弯矩提高了10～20%；极限弯矩和设计弯矩提高30～50%；桩身强度提供的竖向承载力提高了10～20%；在标准试验条件下，延性增加8%～30%；裂缝宽度：在工作条件下裂缝宽度减少50%，为管桩受弯、受拉时的裂缝宽度控制、耐久性设计提供了技术条件。破坏形式为塑性破坏；而普通管桩延性稍差，破坏形式为脆性破坏，具有突然性和不可预见性。PRC桩开发四年来，在各类建筑基础工程实践中，得到了成功地应用。二结构预应力钢筋1、非预应力钢筋2，螺旋筋3、混凝土4非预应力钢筋采用扇形轴对称配置混合配筋预应力混凝土管桩图集审核设计某某某某某某校对制图某某某某某某图名管桩配筋图图集号页13预应力钢筋螺旋箍筋＠50预应力钢筋注：1.预应力筋及螺旋箍筋的规格、数量详见第14页。2.端板详见第17、20、21页，桩套箍详见第23页。3.剖面尺寸D、t、Dp详见第10页-第13页，D1=D-2t。4.桩外径D=400时，L1取1200；D=500～600时，L1取1500。5.管桩的长度可视工程实际情况作适当调整，但管桩相应的各力学性能指标需另行计算。螺旋箍筋＠50螺旋箍筋＠100螺旋箍筋＠50端板预应力钢筋螺旋箍筋＠100桩套箍112211管桩配筋图D1tDtD1tDt2—23—3DpDpL2L1L1LD04YG102HRB400钢筋HRB400钢筋（HRB400钢筋）三应用1在黄河护堤郑州段建成移动式不抢险潜坝护堤坝桩设计成两层保护层：桩坝第一保护层设计桩长为15m,是在当水流量为1000m3/s以下时，水从桩与桩间间隙流出，起到缓冲保护河堤的作用；当水流量增大到超过1000m3/s时，就从桩坝上部漫出；流到第二保护层，第二层“桩坝”桩长为24m，控制流量为4000m3/s，水亦是从桩与桩间间隙流出，当流量超过4000m3/s时，从水桩坝上部漫出，保证洪水的顺畅流动，缓解河水对堤坝的冲刷。试验段设计的是第一保护层。混合配筋预应力混凝土管桩正是为适应黄河桩坝的要求而设计的。桩坝利用该坝体可拆装重组和灵活移动特性，有效适应了游荡性河段河势变化的不确定性，解决了已有中水河道整治工程不能较好适应目前及将来小水河势的控制问题，实现了治河工程设计思想的创新，为遏制黄河下游畸形河势发展、提高工程利用效率、稳定主槽提供了技术手段。护堤坝桩的端部在桩坝的施工现场建成的桩坝试验段（A）在黄河激流中的桩坝产生的效益50m坝长试验工程修建后（用桩900m），即对郑州95滩供水机井起到了很好的保护作用，保证了3眼机井及其附属管线在2008、2009和2010年的正常生产和运行，产生了500余万元效益；试验工程在一定程度上阻止延缓了河水对郑州95滩冲蚀，对保护滩地、稳定河势产生了一定的社会效益和防洪效益成果已在黄河下游巩义黄河滩区豫联供水工程和菏泽黄河河道整治工程2处推广应用3km（用桩8万米），洞庭湖安澧垸松滋河软基堤段7+600～8+100和13+400～13+800堤坡抗滑加固设计推广应用1.1km（用桩10万米）该独特设计坝型是可以多年重复使用的，非常适用于旨在调整畸形河势、工程抢险而需快速修建的临时导流工程,可修筑垂直护岸或码头，还可在城市高层建筑基坑开挖施工中，代替钢筋混凝土灌注桩或钢桩进行基坑开挖支护，并可回收重复利用。该项目荣获2011年黄委会科技进步一等奖获2012年水利部大禹科技进步二等奖2建筑工程基础在抗震设防烈度8度或者接近8度边缘的地区的基础工程中采用抗震性能比较好的PRC桩，对抗震要求较高桥梁基础经过核算也得到了应用。采用与PHC桩联合使用，形成上下组合桩，较好解决管桩抗弯、水平承载力不足的问题对完全采用PHC桩可能不适用的工程，可采用上部PRC桩、下部PHC桩；或者，依据计算结果，按不同深度上下混合配置，以满足不同深度位置水平荷载的作用效应要求上下节采用不同类型的管桩。对建筑工程低承台桩，当上部或中部存在软土、可液化土、湿陷性黄土、人工填土等欠固结土时，可以根据水平荷载作用效应，采用分段组合桩形式，以节省工程造价拱桥桩基工程基础3湖泊护岸工程水利部洞庭湖护岸工程某加固段，设计采用抗滑桩和水泥土搅拌桩复合地基抗滑体。抗滑桩设计采用PHC桩，直径600mm，桩长35m，水泥土搅拌桩长20m。经专家论证，考虑稳定性控制时，管桩水平承载力以抗弯承载力为控制条件，调整抗滑桩设计为直径500mmPRC桩，设计试验段约2km，管桩使用量约14万米，每米节省造价40元，光试验段就节约造价560万元4作构筑物的立柱用在主要承受压应力构筑物上，可以当支撑立柱使用，如用作桥式起重机路轨的支撑立柱，混凝土具有良好的抗震性能，可以减少起重机的震动，不会像钢结构立柱一样发生锈蚀，PRC桩还可以作高架运输支撑立柱，已经得到了成功地应用。如成品桩堆放场地的起重机导轨承重支撑立柱。用于场地立柱的PRC桩a.单排桩锚支护在深基坑工程支护结构工程中，也有应用PRC桩，与灌注桩相比，在造价方面具有一定的优势：b.双排桩锚支护4PRC桩用于深基坑工程支护结构阳光三龙商业广场PRC桩抗弯承载力介于普通PHC桩与离心钢管混凝土桩（SC管桩）或实心钢管混凝