針對(duì)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

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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(wèn)題，但人們對(duì)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(hào)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(yáng)州地區(qū)對(duì)沿江地帶特別是對(duì)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(shí)均應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的樁的水平承載力、抗震承載力和穩(wěn)定性的驗(yàn)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(duì)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(shí)，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(dá)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(jìn)行管樁抗震承載力驗(yàn)算。最后是規(guī)定了民用建筑樓層不超過(guò)18層高度，伴隨著房地產(chǎn)的調(diào)控，天津地區(qū)整個(gè)管樁行業(yè)不容樂(lè)觀，客戶(hù)對(duì)管樁自身的懷疑兼而有之，有的客戶(hù)手拿規(guī)程來(lái)簽定購(gòu)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(yàn)證已經(jīng)是不可回避的事實(shí)，而且在國(guó)內(nèi)這方面的試驗(yàn)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(guó)加州某大學(xué)做過(guò)這方面的耗能試驗(yàn)，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(shí)被抬起、偏移、斷樁的現(xiàn)象也時(shí)逢有之，長(zhǎng)樁吊運(yùn)施工時(shí)也略有微環(huán)裂。相反不密實(shí)、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(jìn)一步驗(yàn)證管樁的抗震性能，研究其破壞機(jī)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(jìn)行了前期的課題的調(diào)研工作，最后進(jìn)行了綜合論證評(píng)估，決定由在日本回國(guó)的專(zhuān)門(mén)從事過(guò)抗震研究工作的天津大學(xué)的王鐵成教授合作，開(kāi)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(cè)試和鋼筋籠經(jīng)創(chuàng)新后的抗震性能的試驗(yàn)

整過(guò)試驗(yàn)我們分兩部分進(jìn)行，一部分是以天津地方新的標(biāo)準(zhǔn)圖集做為依據(jù)，第二部分在原來(lái)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化后的新型管樁也做了對(duì)比、還對(duì)管樁性能有較大改善的也進(jìn)行了反復(fù)的對(duì)比試驗(yàn)。前期在生產(chǎn)車(chē)間做預(yù)制構(gòu)件，再運(yùn)往天大試驗(yàn)室做抗震試驗(yàn)，前后參與研究試驗(yàn)的博士生、研究生、試驗(yàn)員十人以上，掌握了大量的現(xiàn)場(chǎng)采取的數(shù)據(jù)，歷時(shí)三年多的時(shí)間，到目前為止試驗(yàn)已基本上結(jié)近尾聲，這些試驗(yàn)包括：預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼棒經(jīng)張拉后的應(yīng)力測(cè)試、由于高強(qiáng)鋼棒的脆性較大，潛伏著延時(shí)斷裂和經(jīng)時(shí)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(zhǎng)度、間距等，在低周往復(fù)荷載作用下的變形情況，通過(guò)試驗(yàn)掌握了箍筋對(duì)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(xiàn)而成，公式是：

在軸力作用下的抗剪強(qiáng)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(lái)承擔(dān)的剪力，是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISA5337-1993的中的公式：

另一部分是由螺旋箍筋來(lái)承擔(dān)的剪力公式為：

對(duì)于環(huán)形截面管樁箍筋的抗剪承載力Vs，其表達(dá)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(dá)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(jì)算起來(lái)比較復(fù)雜，可做如下簡(jiǎn)化處理：當(dāng)s較小時(shí)，弧長(zhǎng) , 處豎向分布力 ；點(diǎn)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(duì)于整個(gè)圓周有：

對(duì)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(yàn)驗(yàn)證推導(dǎo)出管樁的抗剪強(qiáng)度公式，是由管樁水平承載力設(shè)計(jì)值和螺旋箍筋共同貢獻(xiàn)的。加強(qiáng)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(yàn)

由于預(yù)應(yīng)力筋的斷裂伸長(zhǎng)率較小，高強(qiáng)鋼棒自身存在有延時(shí)斷裂和侵蝕斷裂，延時(shí)斷裂是隨時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)，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(guò)加摻非預(yù)應(yīng)力的管樁進(jìn)行大量的分析和對(duì)比試驗(yàn)，其中從根數(shù)、直徑、長(zhǎng)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(duì)于基坑支護(hù)圍堰等工程管樁的抗彎性能大為改善，擴(kuò)展了PHC管樁的應(yīng)用范圍。

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