针对天津地方规程、预应力管桩在厚层软土地区性能的抗震研究

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天津宝丰混凝土桩杆有限公司总工程师梁俊

引 言

虽然2009年6月上海莲蓬河畔13层在建楼房整体倒塌事件的事故原因不在PHC管桩自身的刚度问题，但人们对管桩水平荷载下产生的弯矩还是有所怀疑。苏建科[2010]78号文规定管桩的适用范围并提出抗拨桩的管桩在承受较大水平荷载作用可能出现拉应力的桩基工程中应慎用。之后的扬州地区对沿江地带特别是对淤泥土层也作出了相应的规定，提出了预应力管桩使用时均应按《建筑抗震设计规范》等标准进行相应的桩的水平承载力、抗震承载力和稳定性的验算。到2010年10月1日天津市建交委颁布的《预应力混凝土管桩技术规程》，规定了民用建筑适用层数，厚层软土地区≥5米的地区对适用楼层作了特别规定。厚层软土地区抗震设防烈度为8度时，不宜采用预应力管桩，提出了管桩的抗水平荷载在承受水平侧压力作用，达到极限状态下，桩顶荷载由桩身刚度和桩侧土共同承受，应进行管桩抗震承载力验算。最后是规定了民用建筑楼层不超过18层高度，伴随着房地产的调控，天津地区整个管桩行业不容乐观，客户对管桩自身的怀疑兼而有之，有的客户手拿规程来签定购货合同。这么多年管桩的使用限制楼层的高度还是第一回，管桩自身的抗震性能的验证已经是不可回避的事实，而且在国内这方面的试验研究和相关的资料又很少，只有零星地查到日本板神大地震和美国加州某大学做过这方面的耗能试验，且数据也不全。作为挤土桩的管桩在厚层软土地区由于各方面原因植桩时被抬起、偏移、断桩的现象也时逢有之，长桩吊运施工时也略有微环裂。相反不密实、不环保、不安全的灌注桩却工程量越有偏多的现象。为了进一步验证管桩的抗震性能，研究其破坏机理，从而使得预应力管桩更安全和有效的在高层建筑的桩基工程中的使用。我公司研发部在公司韦总的带领下经与清华大学、北京建工学院、湖南大学、河海大学、汕头大学、天津大学等联合走访，进行了前期的课题的调研工作，最后进行了综合论证评估，决定由在日本回国的专门从事过抗震研究工作的天津大学的王铁成教授合作，开展这一课题更深层次的研究。

一、管桩的自身刚度和创新优化

1.1预应力钢棒的应力测试和钢筋笼经创新后的抗震性能的试验

整过试验我们分两部分进行，一部分是以天津地方新的标准图集做为依据，第二部分在原来的基础之上，进行了创新优化后的新型管桩也做了对比、还对管桩性能有较大改善的也进行了反复的对比试验。前期在生产车间做预制构件，再运往天大试验室做抗震试验，前后参与研究试验的博士生、研究生、试验员十人以上，掌握了大量的现场采取的数据，历时三年多的时间，到目前为止试验已基本上结近尾声，这些试验包括：预应力高强钢棒经张拉后的应力测试、由于高强钢棒的脆性较大，潜伏着延时断裂和经时断裂的因素。改良前后管桩钢筋笼箍筋的截面积大小、加密区的长度、间距等，在低周往复荷载作用下的变形情况，通过试验掌握了箍筋对管桩自身的约束能力和管桩的抗剪能力应由两部分贡献而成，公式是：

在轴力作用下的抗剪强度公式由两部分组成，一是预应力混凝土管桩自身的混凝土部分来承担的剪力，是日本工业标准JISA5337-1993的中的公式：

另一部分是由螺旋箍筋来承担的剪力公式为：

对于环形截面管桩箍筋的抗剪承载力Vs，其表达式可以由桁架模型推导得到，如图1所示。假定：

斜裂缝与圆环纵轴的夹角为45°；

与斜裂缝相交的箍筋在极限状态下达到屈服；

箍筋的间距S与箍筋中心线所围成的圆周直径D相比较小。

将与斜裂缝相交的箍筋拉力全部投影到平面上,则所有拉力在竖直方向的投影之和就是极限状态下箍筋所承受的剪力：

式中：计算起来比较复杂，可做如下简化处理：当s较小时，弧长 , 处竖向分布力 ；点b处的竖向分布力 。

假想将1/4圆周弧ab拉直，并假定ab之间竖分布力按线性分布，则该区段箍筋合力Vs′(图1(c))：

对于整个圆周有：

对于螺旋箍筋，只考虑在纵向承受剪力，则：

式中D为箍筋中心线所围成的圆周直径，Asv1为单根箍筋的截面积， 为箍筋与环形截面中心线的夹角。

根据材料力学及试验验证推导出管桩的抗剪强度公式，是由管桩水平承载力设计值和螺旋箍筋共同贡献的。加强螺旋筋的配筋，是提高抗震性能的有效措施。

1.2 管桩钢筋笼掺配非预应力筋延性性能的试验

由于预应力筋的断裂伸长率较小，高强钢棒自身存在有延时断裂和侵蚀断裂，延时断裂是随时间的长短而易，侵蚀断裂是经外界的各种因素，慢慢锈蚀而断裂。而PHC管桩易发生脆性破坏，在承受地震荷载作用时，掺入的非预应力筋具有良好的塑性，使得管桩的耗能能力大为改善，通过加掺非预应力的管桩进行大量的分析和对比试验，其中从根数、直径、长度、数量、焊接和邦扎形式等，找到了最佳的掺量和配筋量。特别对于基坑支护围堰等工程管桩的抗弯性能大为改善，扩展了PHC管桩的应用范围。

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