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1 第 53 卷第 1 期 219 年 1 月 浙江大学学报 ( 工学版 ) Journal of Zhejiang University (Engineering Science) Vol.53 No.1 Jan. 219 DOI: /j.issn X 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩弯剪性能试验研究 张正旋 1, 陈刚 2, 徐铨彪 2, 龚顺风 1, 肖志斌 2, 刘承斌 1 (1. 浙江大学结构工程研究所, 浙江杭州 3158;2. 浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江杭州 3128) 摘要 : 为了解决河道护岸和基坑围护工程中普通预应力混凝土管桩水平承载力低及变形延性差的问题, 研发了 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩. 通过对 2 种规格的 8 根 H 型桩试件进行足尺抗弯及抗剪性能试验, 研究 H 型 桩的抗裂性能 抗弯 ( 剪 ) 承载力 变形延性及破坏特征. 结果表明 : 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩抗弯破坏 模式为受压区混凝土压溃, 抗剪破坏模式为斜截面剪压破坏 ; 抗弯试验桩身竖向裂缝较多且分布均匀, 抗剪试验 桩身裂缝较少且斜裂缝出现滞后于竖向裂缝 ; 试件抗裂弯矩和开裂剪力试验值与规范公式计算值相近, 极限抗 弯承载力较计算值偏大约 3%. 对比预应力超高强混凝土管桩抗弯试验结果表明,H 型桩具有更好的变形延性和 整体性. 关键词 : H 型桩 ; 超高强混凝土 ; 钢绞线 ; 抗弯性能 ; 抗剪性能 中图分类号 : TU 473 文献标志码 : A 文章编号 : X(219) Experimental study on flexural and shear performance of prestressed steel strand ultra-high strength concrete H-type piles ZHANG Zheng-xuan 1, CHEN Gang 2, XU Quan-biao 2, GONG Shun-feng 1, XIAO Zhi-bin 2, LIU Cheng-bin 1 (1. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 3158, China; 2. The Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co. Ltd, Hangzhou 3128, China) Abstract: Prestressed steel strand ultra-high strength concrete H-type piles were developed to solve the problem of low horizontal load-carrying capacity and poor deformation ductility of ordinary prestressed concrete pipe piles in river bank protection and foundation pit retaining engineering. The anti-cracking performance, flexural and shear load-carrying capacity, deformation ductility and failure characteristics of H-type piles were analyzed through fullscale flexural and shear performance experiments of eight H-type pile test specimens of two kinds of specifications. Results show that the flexural failure mode of prestressed ultra-high strength concrete H-type piles is the concrete crushing in the compression zone, and the shear failure mode is the shear-compression failure of the oblique section. The flexural test piles have more uniformly-distributed vertical cracks, while the shear test piles have fewer cracks and the oblique crack lags behind the vertical cracks. The experimental results of the cracking bending moment and the cracking shear force for test specimens are close to the calculated values of the code formula, and the ultimate bending bearing capacity is about 3% larger than the calculated value. The comparison with the flexural test results of prestressed ultra-high strength concrete pipe piles shows that the H-type piles have better deformation ductility and integrity. 收稿日期 : 网址 : 基金项目 : 浙江省重点研发资助项目 (218C333-1); 国家自然科学基金资助项目 ( , , ). 作者简介 : 张正旋 (1993 ), 男, 硕士生, 从事混凝土结构研究. orcid.org/ @zju.edu.cn 通信联系人 : 龚顺风, 男, 教授. orcid.org/ sfgong@zju.edu.cn

2 32 浙江大学学报 ( 工学版 ) 第 53 卷 Key words: H-type pile; ultra-high strength concrete; steel strand; flexural performance; shear performance 目前在河道护岸和基坑围护工程中, 通常采用预应力混凝土管桩结合水泥搅拌桩进行围护, 或采用通过在水泥中置入可回收型钢形成围护墙的水泥土搅拌桩墙工法. 上述方法存在普通预应 [1-2] 力混凝土管桩水平承载力低及变形延性差 施工泥浆污染环境 型钢回收繁琐等缺点. 钢绞线具有较高的抗拉强度和良好的变形延性, 并且预应力钢绞线锚接技术成熟可靠. 本文提出以钢绞线代替传统预应力钢棒作为主筋, 研发了先张法预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩, 弥补了上述工法的不足. 因该 H 型桩具有良好的力学性能 便捷的施工方法, 在太湖避风港岸堤 绍兴浙东运河护岸 嘉兴河道整治等工程中迅速得到了推广应用. 预应力混凝土桩在水平荷载作用下的承载能力已引起国内外学术界和工程界的重视. 张忠苗 [3] 等对主筋加强型预应力混凝土管桩的抗弯抗剪性能进行试验研究, 结果显示, 非预应力钢筋的配置显著提高了管桩的抗弯性能, 减小了剪力作 [4] 用的变形量. Akiyama 等开展预应力高强钢筋混凝土管桩在多因素影响下的抗弯性能试验研究, 结果表明, 通过桩身采用高强度混凝土 混凝土填芯 桩表面粘贴碳纤维布等方法, 能够显著提 [5] 高管桩的抗弯承载力. 徐铨彪等对复合配筋混凝土预制方桩进行抗弯性能试验研究, 结果表明, 施加轴向预应力在一定程度上降低了方桩的变形延性, 配置非预应力钢筋能够显著提升方桩 [6] 的抗弯承载力及变形延性. 杨志坚等对预应力高强混凝土管桩在轴力和水平荷载共同作用下的受力性能进行数值模拟研究, 结果表明, 预应力管桩抗弯承载力随着轴向压力的增大而提高, 且管桩在实际工程中轴压比宜控制在.35 以内. 郭 [7] 杨等指出采用玻璃纤维筋与钢筋复合配筋的预应力混凝土管桩在受弯和受剪性能方面均有所提高. 本文依据工程中常用的预应力混凝土桩尺寸, 分别选取桩宽为 5 mm 和 6 mm 的 2 种 H 型桩, 共 8 根试件, 开展足尺抗弯抗剪性能试验. 将预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩 ( 下称 H 型桩 ) 分别编号为 PH3-5-II 和 PH4-6-II. 通过试验研究 H 型桩的抗裂性能 抗弯 ( 剪 ) 承载力 变形延性及破坏特征, 为新型 H 型桩的设计和工程应用提供重要依据. 1 试验概况 1.1 试件规格 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩试件的几 何尺寸及配筋详见表 1 和图 1. 图 1 中,H 和 B 分别为桩 高和桩宽. 预应力钢绞线的张拉控制应力 σ con 取 钢绞线抗拉强度标准值 f ptk =1 86 MPa 的.7 倍. Tab 抗弯试验 表 1 试件配筋规格 Reinforcement specifications of test specimens 试件规格主筋配置箍筋配置配筋率 /% PH3-5-Ⅱ 18Ф D 11.1 Ф b 5@ PH4-6-Ⅱ 26Ф D 11.1 Ф b 5@ 该试验重点研究 H 型桩试件的抗弯性能, 以 混凝土压碎破坏 试件不能继续承载作为终止加 载条件. 抗弯试验加载装置参考国家标准 [8-9], 采 用 2 加载点加载方式进行布置, 使用 YAW-1F 型微机控制电液伺服多功能试验机对试件进行加载. 在开裂荷载理论值附近荷载分级加密加载, 当加载至 极限荷载理论值时转换为位移加载, 直至达到试验终 止加载条件, 试件不能继续承载. 试验加载装置及测 点布置如图 2 所示. 采用数字位移计进行挠度测量, 采 用 5 mm 3 mm 型电阻应变片进行混凝土应变测量, 使用 DH3816 静态应变测试仪采集数据. 裂缝宽 度测读采用 DJCK-2 型裂缝测宽仪, 裂缝分布及发展 记录采用数码摄像装置. 考虑到桩身自重及分配钢梁 自重 1 kn 的影响, 试件跨中截面弯矩可以计算为 M t = P + 1 ( ) L WL. (1) 4 式中 :M t 为 H 型桩试件跨中截面弯矩试验值, P 为试验机荷载,L 为试件长度,W 为试件自重. 1.3 抗剪试验 该试验重点研究 H 型桩试件的抗剪性能, 以 腹板处混凝土破坏或箍筋断裂, 试件不能继续承 载作为终止加载条件. 在抗剪试验中,PH3-5- Ⅱ 与 PH4-6-Ⅱ 型桩试件剪跨比 λ 分别为 1.13 和 1.25, 配箍率 ρ sv 分别为.26% 和.2%. 抗 剪试验加载装置参考国家标准 [8-9], 采用 2 加载点 加载方式进行布置, 加载制度同抗弯试验. 试验 加载装置及测点布置如图 3 所示. 抗剪试件各项

3 第 1 期 张正旋, 等 : 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩弯剪性能试验研究 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 219, 53(1): A 桩套箍箍筋拼接 B 2 卡头 A 单位 : mm H 端板 B 预应力钢筋 8 1 桩套箍 拼接卡槽 上下翼缘均设置 端板 吊钩 吊钩 B 2 下翼缘 上翼缘 A-A (a) 预应力超高强混凝土 H 型桩 箍筋 预应力钢筋 箍筋预应力钢筋单位 : mm 拼接卡头拼接卡头 (PH3-5-II 型桩截面 ) (PH4-6-II 型桩截面 ) (b) 预应力超高强混凝土 H 型桩 B-B 截面配筋 Fig.1 图 1 预应力超高强混凝土 H 型桩配筋示意图 Reinforcement schematic diagram of prestressed ultra-high strength concrete H-type piles (a) 抗弯试验加载装置实物图 55 集中荷载 P 分配梁位移计 #7 应变片位移计 位移计 单位 : mm 1 6 H 型桩 (a) 抗剪试验加载装置实物图 55 集中荷载 P 分配梁位移计位移计 位移计应变片 2 H 5+H 5+H 单位 : mm H 型桩 H (b) 抗弯试验加载装置及测点布置示意图 (b) 抗剪试验加载装置及测点布置示意图 图 2 抗弯试验加载装置及测点布置图 图 3 抗剪试验加载装置及测点布置图 Fig.2 Loading device and measuring point arrangement of flexural tests Fig.3 Loading device and measuring point arrangement of shear tests

4 34 浙江大学学报 ( 工学版 ) 第 53 卷 力学性能的检测设备同抗弯试验. 1.4 材料力学性能 H 型桩试件混凝土设计强度等级为 C15, 水 泥 水 砂子 碎石的质量配合比为 制作 9 个 1 mm 1 mm 1 mm 混凝土立 方体试块, 制作时间和养护条件与 H 型桩试件完 全相同, 实测立方体试块抗压强度平均值 f cu,1 = MPa, 根据柯晓军 [1] 提出的公式进行计算, 混凝土标准立方体抗压强度 f cu 轴心抗压强度 f c 和抗拉强度 f t 如表 2 所示. 根据 f cu =16.7 MPa, 判定其为超高强混凝土. Tab.2 强度计算公式 表 2 混凝土强度 Concrete strength 强度 /MPa f cu =.91f cu, f c =.818 f cu 87.3 f t =.26 f cu 2/3 预应力钢筋采用低松弛钢绞线, 螺旋箍筋 采用甲级冷拔低碳钢丝. 分别取 Ф D 11.1 钢绞线和 Ф b 5 钢丝各 3 根进行材料性能拉伸试验, 测得钢 筋材料弹性模量 E p 屈服强度 f y 极限强度 f u 和 最大力总伸长率 A gt, 如表 3 所示. 根据标准 [11] 将 钢绞线拉伸试验中引伸计标距的非比例延伸达 到.2% 时所对应的强度实测值作为屈服强度 f y. 5.9 开展抗弯承载力试验. 每种规格 2 根试件截面配 筋完全相同, 采用分级加载直至试件破坏. 如图 4 所示为 H 型桩试件荷载 - 跨中挠度 S 曲线. 如表 4 所示为 H 型桩各试件抗弯承载力试验 结果与规范 [12] 公式计算值的对比情况. 试件抗裂 弯矩试验值与规范公式计算值 M cr 基本一致, M t cr 极限弯矩试验值 M t u 试件跨中最大挠度 较计算值 M u 偏大约 3%, 各 f t u 均超过 5 mm. 通过将钢绞 线屈服强度实测值代入规范公式所得的弯矩承载 力计算值与试验施加的荷载及截面所受弯矩实测 值进行对比, 可以确定试件破坏时受拉区钢绞线 已达到屈服强度并进入强化阶段. 综合分析 2 种 H 型桩试件的抗弯试验结果可 知, 全加载过程可以分为以下 3 个阶段 :1) 加载 (a) PH3-5-II 型桩试件 8 PH3-5-II-KW-1 PH3-5-II-KW-2 Tab.3 表 3 钢筋材料参数 Material parameters of reinforcing bars 6 钢筋规格 E p /GPa f y /MPa f u /MPa A gt /% Ф D Ф b PH4-6-II-KW-1 PH4-6-II-KW-2 2 抗弯试验结果分析 2.1 抗弯承载力 试验共对 2 种规格的 H 型桩, 共计 4 根试件, Fig (b) PH4-6-II 型桩试件 图 4 抗弯试验荷载 - 跨中挠度曲线 Load-deflection curves at mid-span for flexural tests Tab.4 表 4 抗弯承载力试验结果与规范公式计算值对比 Comparison of flexural performance between experimental results and calculated values of code formulas 试件编号 M crt /(kn m) M cr /(kn m) M crt /M cr M ut /(kn m) M u /(kn m) M ut /M u f ut /mm PH3-5-Ⅱ-KW PH3-5-Ⅱ-KW PH4-6-Ⅱ-KW PH4-6-Ⅱ-KW

5 第 1 期 张正旋, 等 : 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩弯剪性能试验研究 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 219, 53(1): 初期,H 型桩试件处于弹性阶段, 跨中挠度随着荷载的增加呈线性变化 ;2) 加载至纯弯段出现竖向裂缝后, 试件抵抗变形的能力开始下降, 竖向裂缝数目不断增多且分布均匀, 跨中挠度增长迅速且刚度退化明显 ;3) 开展位移加载, 上翼缘混凝土开始出现水平纵向裂缝, 荷载随位移加载量的增加而稳定上升, 直至受压区混凝土完全压溃, 破坏后上翼缘混凝土水平纵向裂缝开展明显. 2.2 抗弯试验裂缝分布及应变发展如图 5 所示为 PH3-5-Ⅱ 和 PH4-6-Ⅱ 型桩试件抗弯试验裂缝分布图. 图中,l 为距跨中的距离. PH3-5-Ⅱ 型桩试件分别在跨中弯矩达到 和 kn m 时出现第 1 条竖向裂缝, 受压区混凝土压溃时裂缝分布基本位于跨中两侧 1 ~1 mm, 主裂缝居中且裂缝最大宽度分别为.46 和.6 mm, 裂缝数分别为 16 和 14 条. 混凝土压溃 主裂缝 (a) PH3-5-Ⅱ-KW-1 试件 主裂缝 混凝土压溃 (b) PH3-5-Ⅱ-KW-2 试件 PH4-6-Ⅱ 型桩试件分别于跨中弯矩达到 和 282. kn m 时出现第 1 条竖向裂缝, 混凝土压溃时裂缝分布均位于跨中两侧 1 ~1 mm, 主裂缝居中且裂缝最大宽度分别为.8 和.86 mm, 裂缝数分别为 12 和 11 条. 综合观察 2 种规格 H 型桩抗弯试件裂缝发展过程可知, 超高强混凝土的受弯裂缝模式与普通混凝土存在不同, 主要有以下几点特征 :1) 裂缝最大宽度普遍较小, 试件破坏时宽度均小于 1. mm; 2) 裂缝延伸过程中较少出现分叉现象 ;3) 裂缝分布更均匀. 超高强混凝土采用掺和磨细矿渣的高强度水泥, 骨料选用级配良好的中砂及连续级配的碎石. 该类混凝土硬化后骨料与砂浆黏结力高且抗拉 ( 压 ) 强度标准值高于普通混凝土, 裂缝开展单位宽度耗能较高, 相同荷载作用下的裂缝最大宽度较小. 超高强混凝土材料质地优良, 开裂界面受力均匀而不易出现分叉现象, 抗弯试验中桩身裂缝更易呈现均匀分布. 如图 6 所示为 PH3-5-Ⅱ 和 PH4-6- Ⅱ 型桩试件受压区 纯弯段腹板中部和受拉区混凝土应变 ε 随着荷载增加的发展情况. 在裂缝出现前, 各测点应变较小且基本呈线性增长. 综合观察 2 种规格 H 型桩试件跨中截面 ~ 测点的应变情况可知, 裂缝出现前 ( 受压区 ) 与 ( 受拉区 ) 应变增速基本一致,( 腹板中部 ) 应变基本无增长, 裂缝出现前 H 型桩试件跨中截面应变基本满足平截面假定. 在竖向裂缝出现后,( 受拉区 ) 应变增速快于 ( 受压区 ),( 腹板中部 ) 应变开始增长, 截面中性轴上移. 随着荷载的继续增大, 受拉区部分应变片由于超出量程或者拉裂而退出工作, 受压区应变稳定增长直至试件破坏. 破坏时, 各试件最大压应变基本能够达到.2 5. 主裂缝 混凝土压溃 3 抗剪试验结果分析 (c) PH4-6-Ⅱ-KW-1 试件 混凝土压溃 主裂缝 (d) PH4-6-Ⅱ-KW-2 试件 图 5 抗弯试验桩身裂缝分布 Fig.5 Crack distribution of pile body for flexural tests 3.1 抗剪承载力试验共对 2 种规格的 H 型桩共计 4 根试件进行抗剪承载力试验, 每种规格 2 根试件的配筋完全相同, 采用分级加载直至试件破坏. 如图 7 所示为抗剪试验的荷载 - 跨中挠度曲线. 图 7(a) 中, PH3-5-Ⅱ-KJ-2 试件较 PH3-5-Ⅱ-KJ-1 试件开裂后刚度退化较快, 可能是由于试件 2 浇注混凝土后振捣不均匀导致试件刚度偏低所致 ; 图 7(b) 中,PH4-6-Ⅱ-KJ 的 2 根试件刚度退化趋势基本一致.

6 36 浙江大学学报 ( 工学版 ) 第 53 卷 ε/ 裂缝出现 破坏 2.5 #7 ε/ 裂缝出现 破坏 # (a) PH3-5-Ⅱ-KW-1 试件 5. 裂缝出现破坏 (b) PH3-5-Ⅱ-KW-2 试件 5. 裂缝出现破坏 ε/ # (c) PH4-6-Ⅱ-KW-1 试件 ε/ # (d) PH4-6-Ⅱ-KW-2 试件 Fig.6 图 6 抗弯试验混凝土应变发展 Concrete strain development for flexural tests Fig PH3-5-II-KJ-1 PH3-5-II-KJ (a) PH3-5-Ⅱ 型桩试件 PH4-6-II-KJ-1 PH4-6-II-KJ (b) PH4-6-Ⅱ 型桩试件 图 7 抗剪试验荷载 - 跨中挠度曲线 Load-deflection curves at mid-span for shear tests 表 5 给出 H 型桩各试件抗剪承载力试验结果 与规范 [12] 公式计算值的对比情况. 表中, V cr 分别为开裂剪力试验值与计算值, V t u V t cr 为极限剪 力试验值, 件的 V t cr f t u 为跨中最大挠度. 2 种规格 H 型桩试 均与 V cr 相近. 在抗剪试验中, 各 H 型桩试 件均为剪切破坏, 因此桩身跨中挠度较小, 为 4~ 6 mm, 破坏时具有脆性破坏特征. 通过将钢绞线实测屈服强度代入规范公式所得的弯矩承载力计算值与试验施加的荷载及截面所受弯矩实测值进行对比, 可以确定混凝土剪压破坏时受拉区钢绞线已达到屈服强度并进入强化阶段. H 型桩试件破坏后, 腹板处混凝土主斜裂缝宽度显著大于纯弯段竖向裂缝. 沿主斜裂缝将腹板混凝土凿开, 观察到 2 种规格 H 型桩的箍筋均已断裂破坏, 表明箍筋在抗剪试验中承担部分剪力并对约束弯剪段核心混凝土变形发挥一定作用. 抗剪试验箍筋破坏形态如图 8 所示. 根据试件抗剪破坏特征, 表明 H 型桩腹板处混凝土及箍筋承担主要剪力. 综合分析 2 种 H 型桩试件的抗剪试验可知, 全加载过程可以分为以下 3 个阶段. 1) 加载初期, H 型桩试件处于弹性阶段, 跨中挠度随着荷载的增加呈线性变化. 2) 加载至纯弯段出现竖向裂缝后, 试件抵抗变形能力开始下降, 竖向裂缝开展数目较少且分布均匀, 跨中挠度有一定增长且刚度退化明显. 3) 弯剪段出现较明显的斜裂缝, 斜

7 第 1 期 张正旋, 等 : 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩弯剪性能试验研究 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 219, 53(1): Tab.5 表 5 抗剪承载力试验结果与规范公式计算值对比 Comparison of shear performance between experimental results and calculated values of code formulas 试件编号 V t cr /kn V cr /kn Vcr t / V cr Vu t /kn fu t /mm PH3-5-Ⅱ-KJ 破坏裂缝 (a) PH3-5-Ⅱ-KJ-1 试件 PH3-5-Ⅱ-KJ PH4-6-Ⅱ-KJ PH4-6-Ⅱ-KJ 破坏裂缝 (b) PH3-5-Ⅱ-KJ-2 试件 箍筋断裂 箍筋断裂 破坏裂缝 (c) PH4-6-Ⅱ-KJ-1 试件 Fig.8 图 8 抗剪试验箍筋破坏形态 Failure pattern of stirrups for shear tests 裂缝的开展速度快于纯弯段竖向裂缝, 并从下翼 缘斜穿过腹板往上翼缘集中荷载作用点处不断延 伸, 使得上翼缘混凝土剪压面逐渐减小, 最终主 斜裂缝上端受压区混凝土在压应力与切应力共同 作用下达到复合受力极限强度而破坏. 3.2 抗剪试验裂缝分布及应变发展 如图 9 所示为 PH3-5-Ⅱ 和 PH4-6- Ⅱ 型桩试件抗剪试验桩身裂缝分布图. PH3-5-Ⅱ 型桩试件分别于两侧剪力达到 和 385. kn 时出现第 1 条竖裂缝, 均于剪力达到 kn 时 出现斜裂缝, 破坏时裂缝分布均位于跨中两侧 9~ 9 mm, 裂缝最大宽度分别为 1.4 和 1.42 mm, 裂 缝数分别为 8 和 7 条. PH4-6-Ⅱ 型桩试件均于 两侧剪力达到 kn 时出现第 1 条竖裂缝, 均 于剪力达到 1. kn 时出现斜裂缝, 破坏时裂 缝分布均位于跨中两侧 1 ~1 mm, 主斜 裂缝最大宽度分别为 2. 和 1.84 mm, 裂缝数分 别为 5 和 9 条. 如图 1 所示为 PH3-5-Ⅱ 和 PH4-6- Ⅱ 型桩试件受压区 弯剪段腹板及翼缘 受拉区 混凝土应变随荷载增加的发展情况. 综合分析 2 种规格 H 型桩试件应变发展可知, 在裂缝出现 前, 各测点应变均较小且基本呈线性增长 ; 在竖 向裂缝出现后, 弯剪段腹板与受拉区的测点应变 显著增加 ; 在斜裂缝出现后, 弯剪段部分应变片 破坏裂缝 (d) PH4-6-Ⅱ-KJ-2 试件 图 9 抗剪试验桩身裂缝分布 Fig.9 Crack distribution of pile body in shear tests 由于超出量程或拉裂而过早退出工作并导致测点 失效, 部分测点应变因两侧裂缝开展导致混凝土 收缩而减小, 受压区应变稳定增长直至试件破坏. 4 与管桩变形延性对比分析 分别选取与 H 型桩 2 种规格试件等桩宽及桩长的 PHC5AB1 和 PHC6AB11 型预应力超高强混凝土管桩进行抗弯性能试验, 对变形延性试验结果进行对比分析. 管桩试件混凝土质量配合比和标准立方体抗压强度 f cu 与 H 型桩相同. 管桩尺寸和配筋规格如表 6 所示. 表中,D 为管桩的外径,D p 为预应力钢筋分布圆直径,t 为管桩壁厚,ρ s 为纵向钢筋配筋率. 预应力钢棒的张拉控制应力 σ con 取抗拉强度标准值 f ptk =1 42 MPa 的.7 倍. 管桩抗弯试验加载装置及加载方式参考 [8-9] 国家标准, 如图 11 所示. 管桩试件加载制度同 H 型桩抗弯试验, 加载至试件纵筋断裂或受压区混凝土压溃破坏作为终止加载条件.

8 38 浙江大学学报 ( 工学版 ) 第 53 卷 ε/ 竖裂缝 斜裂缝 破坏 Tab.6 表 6 管桩试件尺寸和配筋规格 Geometric dimensions and reinforcement specifications of pipe pile test specimens 管桩规格 D/mm D p /mm t/mm 主筋配置 ρ s /% 箍筋配置 PHC5AB Ф D 1.7( 钢棒 ).79 Ф b 5@8 PHC6AB Ф D 1.7( 钢棒 ).74 Ф b 5@8 ε/ (a) PH3-5-II-KJ-1 试件 3. 竖裂缝斜裂缝破坏 (a) 管桩抗弯试验加载装置实物图 ε/1 3 ε/1 3 Fig (b) PH3-5-II-KJ-2 试件 竖裂缝斜裂缝破坏 (c) PH4-6-II-KJ-1 试件 竖裂缝 斜裂缝破坏 (d) PH4-6-II-KJ-2 试件 图 1 抗剪试验混凝土应变发展 如表 7 所示为 4 种桩型试件的抗弯承载力及 变形延性试验结果. 如图 12 所示为通过抗弯试验 测得的不同类型桩的荷载 - 跨中挠度曲线. 表 7 与 图 12 表明,PH3-5-Ⅱ 型桩的平均跨中最大挠 度较等桩宽管桩提高 49.2%,PH4-6-Ⅱ 型桩的 Concrete strain development for shear tests Fig.11 平均跨中最大挠度较等桩宽管桩提高 86.5%,2 种 规格 H 型桩平均极限承载力均高于管桩. 管桩抗 弯破坏时为受拉区钢棒拉断, 桩身变形延性较差. H 型桩破坏时, 受拉区钢绞线均未发生断裂, 桩 身变形延性较好, 破坏前桩身有明显的变形及裂 缝预兆, 且受压区混凝土压溃后桩身保持较好的 整体性. Tab 单位 : mm 分配梁位移计集中荷载 P 位移计管桩 #7 应变片位移计 (b) 管桩抗弯试验加载装置及测点布置示意图 图 11 管桩试件抗弯试验加载示意图 Loading sketch of bending test for pipe pile specimens 表 7 不同类型桩抗弯试验结果对比 Comparison of bending test results among different types of piles 试件桩型 M crt /(kn m) M ut /(kn m) f ut /mm PHC5AB PHC6AB PH3-5-Ⅱ-KW PH3-5-Ⅱ- KW PH4-6-Ⅱ- KW PH4-6-Ⅱ- KW

9 第 1 期 张正旋, 等 : 预应力钢绞线超高强混凝土 H 型桩弯剪性能试验研究 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 219, 53(1): Fig.12 5 结论 (1) H 型桩抗弯破坏模式为受压区混凝土压 溃 ; 抗剪破坏模式为斜截面剪压破坏, 腹板处混 凝土及箍筋承担主要剪力. 抗弯及抗剪破坏时, 受拉区钢绞线均已达屈服强度并进入强化阶段. (2) 抗弯试验中 H 型桩桩身竖向裂缝较密且 分布均匀. 裂缝出现前, 跨中截面应变发展基本 符合平截面假定 ; 裂缝出现后, 中性轴上移. (3) 在抗剪试验中,H 型桩桩身裂缝较少且斜 裂缝出现滞后于竖向裂缝, 弯剪段腹板斜裂缝宽 度显著大于纯弯段竖向裂缝. (4) H 型桩抗裂弯矩和开裂剪力试验值与规 范公式计算值相近, 极限弯矩试验值较规范公式 计算值偏大约 3%. (5) 在抗弯试验中,PH3-5-Ⅱ 型桩跨中挠 度较等桩宽管桩提高 49.2%,PH4-6-Ⅱ 型桩跨 中挠度较等桩宽管桩提高 86.5%; 在抗剪试验中, H 型桩破坏前具有一定的延性, 破坏时具有脆性 破坏特征. 试件加载至破坏后, 钢绞线均未断裂, 桩身保持较好的整体性. 参考文献 (References): [1] [2] 8 PHC6AB11 PH4-6-II-KW-1 PH4-6-II-KW PHC5AB1 PH3-5-II-KW-1 PH3-5-II-KW 图 12 不同类型桩荷载 - 跨中挠度曲线 Load-deflection curves at mid-span for different types of piles 张忠苗, 张乾青, 刘俊伟, 等. 软土地区预应力管桩偏位处理实例分析 [J]. 岩土工程学报, 21, 32(6): ZHANG Zhong-miao, ZHANG Qian-qing, LIU Junwei, et al. Treatment of sloping prestressed pipe piles in the soft soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 21, 32(6): 高文生, 刘金砺, 赵晓光, 等. 关于预应力混凝土管桩工程应用中的几点认识 [J]. 岩土力学, 215, 36( 增 2): GAO Wen-sheng, LIU Jin-li, ZHAO Xiao-guang, et al. Some understanding of prestressed concrete pipe piles in engineering application [J]. Rock and Soil Mechanics, 215, 36(Suppl.2): [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1] [11] [12] 张忠苗, 刘俊伟, 邹健, 等. 加强型预应力混凝土管桩抗弯剪性能试验研究 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 211, 45(6): ZHANG Zhong-miao, LIU Jun-wei, ZOU Jian, et al. Experimental study on flexural and shearing property of reinforced prestressed concrete pipe pile [J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 211, 45(6): AKIYAMA M, ABE S, AOKI N, et al. Flexural test of precast high-strength reinforced concrete pile prestressed with unbonded bars arranged at the center of the cross-section [J]. Engineering Structures, 212, 34: 徐铨彪, 陈刚, 贺景峰, 等. 复合配筋混凝土预制方桩抗弯性能试验 [J]. 浙江大学学报 : 工学版, 216, 5(9): XU Quan-biao, CHEN Gang, HE Jing-feng, et al. Flexural performance experiment of composite reinforcement concrete prefabricated square piles [J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 216, 5(9): 杨志坚, 李帼昌, 王琦. 轴力作用下预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究 [J]. 工程力学, 217, 34( 增 1): YANG Zhi-jian, LI Guo-chang, WANG Qi. Nonlinear bending behavior of prestressed high strength concrete pile under axial and lateral loading [J]. Engineering Mechanics, 217, 34(Suppl.1): 郭杨, 吴平. 玻璃纤维筋与钢筋复合配筋预应力混凝土管桩承载力性能试验研究 [J]. 建筑结构学报, 218, 39(2): GUO Yang, WU Ping. Experimental study on bearing capacity of compositely reinforced with GFRP prestressed concrete pipe pile [J]. Journal of Building Structures, 218, 39(2): 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 先张法预应力混凝土管桩 : GB [S]. 北京 : 中国标准出版社, 29: 7 9. 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 混凝土结构试验方法标准 : GB [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社, 212: 柯晓军. 新型高强混凝土组合柱抗震性能及设计方法研究 [D]. 西安 : 西安建筑科技大学, 214. KE Xiao-jun. Study on seismic performance and design method of new high-strength concrete composite columns [D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 214. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 预应力混凝土用钢绞线 : GB/T [S]. 北京 : 中国标准出版社, 214: 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 混凝土结构设计规范 : GB51-21 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社, 21: 34 1.

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