有無焊接接頭的PHC管樁抗剪性能試驗研究

楊光,陳吉果,譚瑋,韓雪

(1. 湖南文理學院土木建筑工程學院,湖南常德,415000;2. 常德定海管樁有限公司,湖南常德,415701;3. 湖南博聯檢測集團有限責任公司,湖南常德,415000)

管樁是按照標準化生產的工業預制產品,單根長度一般為5～15 m,當設計長度超過單根PHC 管樁的長度時就需要多根進行拼接。PHC 管樁拼接一般采用樁端端板電焊連接工藝,焊接質量必須符合相關質量規范要求,因為樁身與焊接部位的抗彎剪性能是PHC 管樁最重要的力學性能要求之一[1]。作為高強預應力混凝土管樁,PHC 管樁比其它類型樁的單位面積承載能力要高,在水平力作用下的抗彎穩定性能和抗剪切性能相對較弱[2],在工程實際中往往由于抗剪承載力不足而導致樁體破壞[3]。例如,在強震作用下有液化傾向的地基土產生側移,致使在PHC 管樁與承臺之間產生較大的彎矩和剪力,因安全儲備不足而使PHC 管樁出現剪切和彎曲破壞; 由于PHC 管樁的接頭布置在物理力學性質差異較大的巖土層分界面,也會出現因分界面上下兩層較大水平力作用差異而導致PHC 管樁接頭部位受到彎剪力作用致使PHC 管樁喪失使用功能等。

目前,PHC 管樁剪切性能的相關研究大致分為理論研究、試驗研究和數值模擬研究。理論研究方面,圍繞PHC 管樁在工作期間是否允許出現裂縫,有單獨考慮樁身混凝土橫向受剪承載力設計值計算和同時考慮箍筋因素下樁身橫向受剪承載力設計值計算兩種抗剪承載力計算方式[4]。實驗研究方面,國內不少學者開展PHC 管樁剪切性能試驗,得到了剪切試驗裂縫、撓度和極限剪力等一些規律[5]。為了增強PHC 管樁的抗剪性能,張忠苗等[6]、杜新喜等[7]在樁身增加普通非預應力螺紋鋼筋或將箍筋同時加密等方式提高PHC 管樁抗水平剪切荷載能力; 鄭剛等[8]在樁身中孔填筑混凝土芯等措施提高PHC 管樁抗剪切能力,并取得了一定的效果?，F有試驗條件難以對PHC 管樁的構造形式和軸壓狀態進行多工況測試,在數值模擬研究方面就相對容易實現,閆潔民等[9]模擬了在不同螺距及箍筋構造形式下PHC 管樁的剪切受力特征,郭浩東等[10]進行了不同的剪跨比和軸壓下PHC 管樁的破壞形態模擬研究;Oktiovan Y P等[11]模擬了在大地震荷載作用下的PHC 管樁抗剪性能。

目前,對有焊接拼裝狀態下PHC 管樁的力學性能研究的文獻較少,為了研究有無焊接接頭情形下PHC 管樁的抗剪性能和破壞形態,選用PHC 500 AB 125 型管樁在標準試驗工況下進行了足尺抗剪性能試驗。

1 試驗概況

1.1 試驗樁情況

試驗采用的是常德定海管樁有限公司生產的PHC 500 AB 125 型管樁,外徑D=500 mm,內徑d=250 mm,壁厚t=125 mm,鋼筋保護層厚度c=45 mm; 混凝土強度等級為C80; 縱筋采用12 根φ10.7 mm 的預應力螺旋肋鋼棒,鋼棒抗拉強度標準值為fptk=1 420 MPa; 螺旋箍筋配φ6 mm 冷拉低碳刻痕鋼絲,鋼絲抗拉強度標準值為fpyk=600 MPa; 預應力螺旋肋鋼棒的張拉控制應力為σcon=994 MPa。其主要標準抗剪性能指標參數見表1。

表1 PHC 500 AB 125 型管樁標準抗剪性能指標[1]

根據《先張法預應力混凝土管樁》(GB/T 13476—2009)[12]的規定,抗剪性能試驗時在外觀質量和尺寸允許偏差檢驗合格的同批次PHC管樁產品中隨機抽取2 根進行抗剪性能的試驗。為了滿足規范要求并與試驗裝置匹配,共制作了2 種類型共4 根PHC 500 AB 125 型標準抗剪試驗樁。其中有2 根總長4 m 無焊接接頭抗剪試驗樁,用于模擬單樁抗剪試驗工況,分別編號為1#試樁和2#試樁; 另2 根總長4 m 經端板對焊連接加工形成有接頭的抗剪試驗樁,用于模擬有兩根PHC 管樁焊接拼接而成的抗剪試驗工況,分別編號為3#試樁和4#試樁。

1.2 試驗裝置

試驗場地選在吊裝和運輸軌道設施便捷的PHC 管樁生產車間內,通過錨定在地面的鋼架裝置和液壓千斤頂垂直向下給抗剪試驗裝置施加反力荷載?？辜粼囼炑b置采用規范[12]推薦的簡支梁對稱加載裝置,當進行有接頭試樁抗剪試驗時,需要將接頭中心位置放置在試驗裝置一側兩鉸支座間的剪跨中心。PHC 管樁抗剪試驗構件尺寸和加載機構示意圖如圖1 所示,現場抗剪試驗照片如圖2 所示。

圖1 PHC 管樁抗剪試驗示意圖

圖2 現場抗剪試驗照片

根據表1,PHC 500 AB 125 型管樁標準開裂剪力為322 kN,標準極限剪力為366 kN,試樁抗剪剪力V根據式(1)計算,選用量程為2 000 kN 的千斤頂作為荷載輸出裝置。

其中,Pc—施加在試樁上的荷載或千斤頂輸出的軸力,kN。

1.3 加載方式

試驗采用RSM-JC5(A)型靜載儀作為自動加載控制系統,連接高壓油泵對千斤頂施加荷載,千斤頂輸出的軸力通過反力裝置及分配梁作用在試樁上。由于實際試樁的開裂剪力和極限剪力與標準數值有差異,加上現場加工的有接頭試樁的開裂剪力和極限剪力未知,因此按照規范[12]中的加載方式進行加載,即先按照標準開裂剪力級差設置加載數值和持荷時間,當試樁開始出現裂縫后調整為按照標準極限剪力級差設置荷載數值和持荷時間。

經過計算,具體的加載方法如下[12]:

第一步: 按20%標準開裂剪力的級差由零加載至標準開裂剪力的80%,每級荷載級差為128.8 kN,持荷時間為3 min; 然后按10%標準開裂剪力的級差繼續加載至標準開裂剪力的100%,每級荷載級差為64.4 kN,持荷時間為3 min。觀察樁身是否有裂縫出現,若有裂縫出現,說明該試樁的基本抗剪性能不合格。

第二步: 如果在標準開裂剪力的100%時仍未出現裂縫,則按5%標準開裂剪力的級差繼續加載至裂縫出現。每級荷載級差為32.2 kN,持荷時間為3 min,測定并記錄裂縫寬度。

第三步: 裂縫出現后,按5%標準極限剪力的級差繼續加載至出現極限狀態的檢驗標志之一為止。每級荷載級差為36.6 kN,持荷時間為3 min,觀測并記錄各項讀數。

試驗為破壞性試驗,試驗中測定并記錄試樁裂縫寬度及發展、跨中撓度以及抗剪承載力等三大內容。通過利用F51 型裂縫觀測儀記錄樁身裂縫寬度等狀態信息,利用跨中位置安置的百分表記錄試樁的跨中撓度變化情況,直至試樁達到終止加載條件[12]。

2 試驗過程及破壞形態

2.1 試驗過程

1#試樁當Pc=740.6 kN 其對應剪力為370.3 kN 時,開始在靠近一側剪跨中心試樁的側面出現斜向微裂縫,取上一級對應的剪力354.2 kN 為本次試驗的開裂剪力值; 隨著荷載值的增加裂縫數量及寬度不斷增加,當Pc=1 070.0 kN 其對應剪力為535.0 kN 時,試樁上裂縫最大寬度為1.59 mm(超過1.5 mm),達到終止加載條件,取上一級對應的剪力516.7 kN 為本次試驗的極限剪力值; 寬度最大的裂縫出現在最先出現裂縫的剪跨中心的試樁側面,試樁跨中最大撓度為9.47 mm。

2#試樁當Pc=772.8 kN 其對應剪力為386.4 kN 時,開始在靠近一側剪跨中心試樁的側面出現斜向微裂縫,取上一級對應的剪力370.3 kN 為本次試驗的開裂剪力值; 隨著荷載值的增加裂縫數量及寬度不斷增加,當Pc=1 033.4 kN 其對應剪力為516.7 kN 時,試樁上裂縫最大寬度為1.53 mm(超過1.5 mm),達到終止加載條件,取上一級對應的剪力498.4 kN 為本次試驗的極限剪力值; 寬度最大的裂縫出現在最先出現裂縫的剪跨中心的試樁側面,試樁跨中最大撓度為8.76 mm。

3#試樁當Pc=910.6 kN 其對應剪力為450.8 kN 時,開始在無焊接接頭一側剪跨中心試樁的側面出現斜向微裂縫,取上一級對應的剪力434.7 kN 為本次試驗的開裂剪力值; 隨著荷載值的增加裂縫數量及寬度不斷增加,當Pc=1 121.2 kN 其對應剪力為560.6 kN 時,試樁上裂縫最大寬度為1.73 mm(超過1.5 mm),達到終止加載條件,取上一級對應的剪力542.3 kN 為本次試驗的極限剪力值; 寬度最大的裂縫出現在最先出現裂縫的剪跨中心的試樁側面,試樁跨中最大撓度為6.87 mm。

4#試樁當Pc=869.4 kN 其對應剪力為434.7 kN 時,開始在無焊接接頭一側剪跨中心試樁的側面出現斜向微裂縫,取上一級對應的剪力418.6 kN 為本次試驗的開裂剪力值; 隨著荷載值的增加裂縫數量及寬度不斷增加,當Pc=1 157.8 kN 其對應剪力為578.9 kN 時,試樁上裂縫最大寬度為1.68 mm(超過1.5 mm),達到終止加載條件,取上一級對應的剪力560.6 kN 為本次試驗的極限剪力值; 寬度最大的裂縫出現在最先出現裂縫的剪跨中心的試樁側面,試樁跨中最大撓度為7.58 mm。各試樁的抗剪試驗數據匯總,見表2。

表2 PHC 管樁抗剪試驗數據匯總

2.2 破壞形態

有焊接接頭試樁裂縫從無接頭一側的剪跨中心開始出現,試樁從出現第1條微裂縫開始,隨著后續荷載增加及持續,裂縫的寬度、長度、數量和分布的位置不斷在發展變化,在持荷時間里,樁身裂縫寬度仍然在發生變化,偶爾伴隨著混凝土的脆性開裂聲音,寬度最大裂縫位置也都產生在剪跨中心側面。4 根試樁從零荷載加載至試驗終止時刻,各試樁樁身與鉸支座接觸位置無混凝土壓碎破壞現象,樁身無受拉鋼筋拉斷現象,試樁焊接接頭無掉焊、破裂等破壞現象,試樁跨中有輕微向下撓曲,最終以樁身最大裂縫寬度≥1.5 mm 作為試驗終止條件。

通過觀測和記錄裂縫的分布狀態,各試樁試驗終止后樁身裂縫的分布情況為: 試樁抗剪試驗開裂區域的斜向裂縫主要分布在分配梁下方鉸支座與對應的底部鉸支座之間的剪切受力區域內; 由于試樁同時受到彎曲作用,在試樁的跨中底部位置也出現了一定數量的環向裂縫。典型斜向裂縫和環向裂縫的照片見圖3,各試樁樁身裂縫分布情況見圖4。由圖4 可知:(1)各試樁的抗剪試驗裂縫在上下鉸支座兩側斜向指向兩支座中心方向約45°角方向分布,裂縫在樁身側面呈“八”字形,表現為鋼筋混凝土結構斜截面剪壓破壞特征;(2)對于有焊接接頭的試樁,由于PHC 管樁接頭為Q235B 鋼端板,且樁端處箍筋間距較樁身中間部位密,因此,在焊接質量過關的情況下經焊接拼接后的試樁在焊接接頭部位的剛度較無焊接接頭單樁試樁的樁身剛度要大,由于焊接接頭部位的樁身受到樁端端板剛度補強作用和樁套箍的包裹約束作用,焊接接頭附近的裂縫發育形態要比對稱的另一側剪跨部位弱,在有焊接接頭側的斜向裂縫也大體從焊接的鐵套箍部分向外部混凝土樁身沿45°角方向發展;(3)由于試驗裝置為簡支梁對稱加載裝置,試樁在受壓剪作用的同時,在試樁的底部的跨中附近出現了垂直于樁身軸線的環向裂縫,其中有焊接接頭試樁底部環向裂縫數量及寬度均高于無接頭試樁,根據各試樁的受力特征推測,試樁底部環向裂縫數量及寬度與作用在試樁上部的Pc值大小有直接的聯系。

圖3 試樁抗剪試驗終止加載時典型裂縫照片

圖4 試樁樁身裂縫分布情況示意圖

3 試驗數據分析

3.1 開裂剪力和極限剪力變化分析

4 根試樁的加載級數及樁身對應剪力的曲線如圖5 所示。由圖5 可知: 各試樁曲線中的轉折點和終點分別對應試樁的初始開裂時的剪力和終止加載時的剪力,由于剪切試驗加載方法的規定,加載級數–剪力曲線斜率呈先大后小的樣式,在第9個加載級數后,由于各試樁陸續出現開裂現象后續的剪力荷載增加級差有一定的差異,但是總體的差異數值不大。4 根試樁的開裂剪力最小值為354.2 kN,均大于標準開裂剪力322 kN,說明試樁的抗剪性能合格,其中,無焊接接頭試樁的平均開裂剪力是標準開裂剪力的1.13 倍,有焊接接頭試樁的平均開裂剪力是標準開裂剪力的1.33倍。4 根試樁的極限剪力最小值為516.7 kN,均大于標準極限剪力366 kN,其中,無焊接接頭試樁的平均極限剪力是標準極限剪力的1.41 倍,有焊接接頭試樁的平均極限剪力是標準極限剪力的1.51 倍。

圖5 加載級數–剪力曲線

3.2 裂縫的發展與變化分析

經過測定并記錄,各試樁的最大裂縫寬度–剪力曲線情況如圖6 所示。由圖6 可知: 兩種類型試樁的最大裂縫寬度–剪力曲線斜率總體呈先小后大的非線性變化形式,有焊接接頭試樁的開裂剪力數值要大于無焊接接頭試樁的開裂剪力數值,但是因有焊接接頭的試樁的極限剪力數值大于無焊接接頭試樁的極限剪力數值,導致最終的有焊接接頭試樁樁身的最大裂縫寬度要大于無焊接接頭試樁樁身的最大裂縫寬度。

圖6 最大裂縫寬度-剪力曲線

以1#試樁為例,使用裂縫觀測儀對該試樁剪跨中心最先出現的裂縫進行跟蹤觀測,得到各分級加載時連續觀測的裂縫照片,通過照片可以直觀看到樁身剪力V與裂縫寬度b變化過程,詳見圖7。

圖7 樁身開裂后剪力與裂縫寬度大小的觀測照片

3.3 跨中撓度變化分析

在每一級荷載加載完成后,通過監測試樁在加載過程中跨中的百分表數值,整理成跨中撓度–荷載曲線,如圖8 所示。

圖8 跨中撓度-荷載曲線

由圖8 可知: 由于試樁的剛度和抗剪強度較大,4 根試樁均在總荷載Pc=551.2 kN 時開始產生撓度,跨中撓度-荷載曲線隨著荷載的增加兩種類型的試樁出現分化,但總體趨勢呈非線性發展,隨著荷載的增大,跨中撓度增加幅度變大。同等荷載下有焊接接頭試樁的跨中撓度要比無焊接接頭試樁的跨中撓度小,由于有焊接接頭試樁終止加載時的總荷載數值較大,有焊接接頭試樁到達極限剪力時的最終跨中撓度仍小于無焊接接頭試樁的最終跨中撓度,有焊接接頭試樁試驗終止時的平均跨中撓度為7.06 mm,無焊接接頭試樁試驗終止時的平均跨中撓度為7.44 mm。

4 結論

通過現場足尺試驗,對有無焊接接頭的PHC 500 AB 125型PHC管樁的破壞形態和抗剪性能進行了研究,研究表明:

(1)試樁的開裂剪力和極限剪力數值均超出了《先張法預應力混凝土管樁》(GB/T 13476—2009)規定的標準抗剪性能指標,表明實際的PHC 管樁的抗裂剪力和極限剪力都有較好的安全儲備。

(2)有無焊接接頭試樁的抗剪破壞形態和裂縫、跨中撓度發展變化特征基本一致,由于焊接接頭的存在,有焊接接頭的試樁要比無焊接接頭的試樁的抗剪性能表現要好。因此,可以推測在實際工程中兩樁焊接拼裝部位的抗剪性能要強于樁身其它部位,保障接頭焊接質量和抗銹蝕是保證PHC 管樁使用安全和耐久性的重要措施。