針對天津地方規(guī)程、預(yù)應(yīng)力管樁在厚層軟土地區(qū)性能的抗震研究

天津?qū)氊S混凝土樁桿有限公司總工程師梁俊

引言

雖然2009年6月上海蓮蓬河畔13層在建樓房整體倒塌事件的事故原因不在PHC管樁自身的剛度問題，但人們對管樁水平荷載下產(chǎn)生的彎矩還是有所懷疑。蘇建科[2010]78號文規(guī)定管樁的適用范圍并提出抗撥樁的管樁在承受較大水平荷載作用可能出現(xiàn)拉應(yīng)力的樁基工程中應(yīng)慎用。之后的揚州地區(qū)對沿江地帶特別是對淤泥土層也作出了相應(yīng)的規(guī)定，提出了預(yù)應(yīng)力管樁使用時均應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等標準進行相應(yīng)的樁的水平承載力、抗震承載力和穩(wěn)定性的驗算。到2010年10月1日天津市建交委頒布的《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)規(guī)程》，規(guī)定了民用建筑適用層數(shù)，厚層軟土地區(qū)≥5米的地區(qū)對適用樓層作了特別規(guī)定。厚層軟土地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度時，不宜采用預(yù)應(yīng)力管樁，提出了管樁的抗水平荷載在承受水平側(cè)壓力作用，達到極限狀態(tài)下，樁頂荷載由樁身剛度和樁側(cè)土共同承受，應(yīng)進行管樁抗震承載力驗算。最后是規(guī)定了民用建筑樓層不超過18層高度，伴隨著房地產(chǎn)的調(diào)控，天津地區(qū)整個管樁行業(yè)不容樂觀，客戶對管樁自身的懷疑兼而有之，有的客戶手拿規(guī)程來簽定購貨合同。這么多年管樁的使用限制樓層的高度還是第一回，管樁自身的抗震性能的驗證已經(jīng)是不可回避的事實，而且在國內(nèi)這方面的試驗研究和相關(guān)的資料又很少，只有零星地查到日本板神大地震和美國加州某大學(xué)做過這方面的耗能試驗，且數(shù)據(jù)也不全。作為擠土樁的管樁在厚層軟土地區(qū)由于各方面原因植樁時被抬起、偏移、斷樁的現(xiàn)象也時逢有之，長樁吊運施工時也略有微環(huán)裂。相反不密實、不環(huán)保、不安全的灌注樁卻工程量越有偏多的現(xiàn)象。為了進一步驗證管樁的抗震性能，研究其破壞機理，從而使得預(yù)應(yīng)力管樁更安全和有效的在高層建筑的樁基工程中的使用。我公司研發(fā)部在公司韋總的帶領(lǐng)下經(jīng)與清華大學(xué)、北京建工學(xué)院、湖南大學(xué)、河海大學(xué)、汕頭大學(xué)、天津大學(xué)等聯(lián)合走訪，進行了前期的課題的調(diào)研工作，最后進行了綜合論證評估，決定由在日本回國的專門從事過抗震研究工作的天津大學(xué)的王鐵成教授合作，開展這一課題更深層次的研究。

一、管樁的自身剛度和創(chuàng)新優(yōu)化

1.1預(yù)應(yīng)力鋼棒的應(yīng)力測試和鋼筋籠經(jīng)創(chuàng)新后的抗震性能的試驗

整過試驗我們分兩部分進行，一部分是以天津地方新的標準圖集做為依據(jù)，第二部分在原來的基礎(chǔ)之上，進行了創(chuàng)新優(yōu)化后的新型管樁也做了對比、還對管樁性能有較大改善的也進行了反復(fù)的對比試驗。前期在生產(chǎn)車間做預(yù)制構(gòu)件，再運往天大試驗室做抗震試驗，前后參與研究試驗的博士生、研究生、試驗員十人以上，掌握了大量的現(xiàn)場采取的數(shù)據(jù)，歷時三年多的時間，到目前為止試驗已基本上結(jié)近尾聲，這些試驗包括：預(yù)應(yīng)力高強鋼棒經(jīng)張拉后的應(yīng)力測試、由于高強鋼棒的脆性較大，潛伏著延時斷裂和經(jīng)時斷裂的因素。改良前后管樁鋼筋籠箍筋的截面積大小、加密區(qū)的長度、間距等，在低周往復(fù)荷載作用下的變形情況，通過試驗掌握了箍筋對管樁自身的約束能力和管樁的抗剪能力應(yīng)由兩部分貢獻而成，公式是：

在軸力作用下的抗剪強度公式由兩部分組成，一是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁自身的混凝土部分來承擔的剪力，是日本工業(yè)標準JISA5337-1993的中的公式：

另一部分是由螺旋箍筋來承擔的剪力公式為：

對于環(huán)形截面管樁箍筋的抗剪承載力Vs，其表達式可以由桁架模型推導(dǎo)得到，如圖1所示。假定：

斜裂縫與圓環(huán)縱軸的夾角為45°；

與斜裂縫相交的箍筋在極限狀態(tài)下達到屈服；

箍筋的間距S與箍筋中心線所圍成的圓周直徑D相比較小。

將與斜裂縫相交的箍筋拉力全部投影到平面上,則所有拉力在豎直方向的投影之和就是極限狀態(tài)下箍筋所承受的剪力：

式中：計算起來比較復(fù)雜，可做如下簡化處理：當s較小時，弧長 , 處豎向分布力；點b處的豎向分布力。

假想將1/4圓周弧ab拉直，并假定ab之間豎分布力按線性分布，則該區(qū)段箍筋合力Vs′(圖1(c))：

對于整個圓周有：

對于螺旋箍筋，只考慮在縱向承受剪力，則：

式中D為箍筋中心線所圍成的圓周直徑，Asv1為單根箍筋的截面積，為箍筋與環(huán)形截面中心線的夾角。

根據(jù)材料力學(xué)及試驗驗證推導(dǎo)出管樁的抗剪強度公式，是由管樁水平承載力設(shè)計值和螺旋箍筋共同貢獻的。加強螺旋筋的配筋，是提高抗震性能的有效措施。

1.2 管樁鋼筋籠摻配非預(yù)應(yīng)力筋延性性能的試驗

由于預(yù)應(yīng)力筋的斷裂伸長率較小，高強鋼棒自身存在有延時斷裂和侵蝕斷裂，延時斷裂是隨時間的長短而易，侵蝕斷裂是經(jīng)外界的各種因素，慢慢銹蝕而斷裂。而PHC管樁易發(fā)生脆性破壞，在承受地震荷載作用時，摻入的非預(yù)應(yīng)力筋具有良好的塑性，使得管樁的耗能能力大為改善，通過加摻非預(yù)應(yīng)力的管樁進行大量的分析和對比試驗，其中從根數(shù)、直徑、長度、數(shù)量、焊接和邦扎形式等，找到了最佳的摻量和配筋量。特別對于基坑支護圍堰等工程管樁的抗彎性能大為改善，擴展了PHC管樁的應(yīng)用范圍。

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