基于PHC管桩抗弯性能研究分析

基于 PHC管桩抗弯性能研究分析

凌志朋

江苏建盛工程质量鉴定检测有限公司 江苏南京 210000

摘要：在建筑工程施工期间，关于PHC管桩承载能力的极限状态计算基本一致，但是常规利用极限状态的要求和计算并不相符，对于不允许管桩带裂缝工作的结构，其开裂弯矩为抗弯承载极限值；而对于允许管桩带裂缝工作的结构，管桩抗弯承载极限值也就是极限弯矩。故此，文章将分析PHC管桩抗弯性能，以期为业内工作者提供可靠依据。

关键词：PHC管桩；抗弯性能；抗裂弯矩；极限弯矩

基础工程作为建筑工程的重要一环，在新时代背景下，PHC混凝土管桩运用十分普遍，但是预应力混凝土管桩常常面临水平承载能力较弱、抗震性能比较差的缺陷。当前，关于管桩抗弯性能研究十分丰富，具体集中于桩土效应与抗碱性能方面，而对于PHC管桩抗弯性能研究并不多见。PHC管桩受弯时混凝土压应力与预应力钢筋应力分布情况的研究以及抗弯承载力算法，都是基础工程设计的主要内容。

1. 开裂弯矩的计算分析

1. 离心成型与塑性的影响

有关桩的开裂弯矩计算公式为： （1）。在该计算公式中， 表示桩的抗裂弯矩（N×mm）； 表示桩身混凝土有效预压应力（N÷mm²）； 表示离心工艺影响与截面抵抗矩塑性影响的综合系数，对C60取 =2.0，对于C80取 =1.9； 表示管桩换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩（mm³）。

由于上述公式进一步考量离心工艺与截面塑性发展对于开裂弯矩综合影响，能够导入考量离心工艺影响及截面抵抗矩塑性影响综合系数 ，可以假设 （2），其中， 表示离心工艺影响系数； 表示截面抵抗矩塑性影响系数。

值得注意的是^[1]，混凝土开裂情况下，对应变超过最大应力对应的应变。为此，在桩身没有预压应力，也就是 以及没有利用离心成型技术的情况下，只受到 的影响，受拉边缘应力达到混凝土抗拉强度，相应的应变低于混凝土开裂应变，此时构件抗裂能力没有完全展现；出于对截面塑性发展的考量，也就是荷载出于 ，受拉区域变形增强，受拉区域边缘混凝土的应变出于开裂应变，此时构件达到开裂极限状态。

2. 离心成型与塑性的影响

混凝土构件的界面抵抗矩塑性影响系数 ，可用 进行计算，该公式中， 表示混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数基本值，能够根据正截面应保持平面的设想，且取受拉区混凝土应力图形为梯形、受拉边缘混凝土极限拉应变成 加以明确，其中，h表示截面高度（mm），如若h小于400，取h=400；如若h大于1600，取h=1600；如若圆形、环形截面，取h=2r，此时，r表示圆形截面半径或者环形截面外环半径。

PHC管桩开裂弯矩的计算需要进一步考量高速离心成型工艺影响因素^[2]，所以引用一个其影响混凝土强度的修正系数 ，此时，开裂弯矩公式为： （4），该计算公式中， 根据（2）进行计算，离心成型工艺混凝土强度修正系数 可以根据 （5）进行计算。如若混凝土强度小于C80， 应该为1.0；而混凝土强度超过C100，需要展开进一步研究。

总而言之，关于管桩开裂弯矩标准值的计算分析，问题具体体现在离心工艺技术影响混凝土强度系数方面，通过对比公式（1）与（4），可以发现公式（1）未能考量离心成型工艺对于PHC管桩桩身混凝土有效预压应力对开裂弯矩的影响，然而公式（4）将此种影响考量在内。所以，在对轴向力贡献加以考量的同时，提出 （6），其中， 表示管桩所承受轴向压力时管桩形成的压应力， 。

现阶段，关于PHC管桩的开裂验算取用标准值，缺少可行的安全储备^[3]，对于较大弯矩且要求PHC管桩不能出现裂缝的工程，该做法并不安全。所以，需要利用公式（6）的抗拉强度标准值渠道抗拉强度设计值，能够得出PHC管桩开裂弯矩的设计值。

2. 关于极限弯矩的计算分析

在管桩极限弯矩标准值计算公式设定过程中，需要把环形截面转换成简单易懂的等效矩形图，通过等效钢环取代均匀分布的预应力钢筋，利用平截面假设方式，和t构建力与弯矩平衡方程，明确α与α_t的内在联系，通过验证与计算，可以进一步了解α与α_t数量关系式，从而优化PHC管桩极限弯矩的计算公式。由于建设材料强度取值差异明显，主要原因是标准值和计算值相互混淆，但是相应计算公式需要在预应力钢筋被拉断、混凝土被压碎的情况下才能应用。多数PHC管桩受损，预应力钢筋没有“屈服”，受压区域的混凝土没有出现彻底压碎的情况，且基于等效矩形界面和等效钢环的基本假设，促使理论计算值和测验值并不相同。

（一）管桩混凝土受压部分的高度

在计算时，如若PHC管桩混凝土受压区域朝向管桩截面环分布，与常规混凝土受弯构件并不相同，混凝土受压部分的面积也通过其对应圆心角依照一定比例计算出来。当前，PHC管桩图有不同规格的管桩配筋率，需要依照0.35%-1.57%的标准，计算PHC管桩受压部分管桩处于极限时，α=0.095-0.180，圆心角π最大值达到0.56rad；而根据管桩受压实际分布情况进行计算，如若x≤t，对应圆心角θ最小值应该为0.72rad。

1. 极限弯矩的计算

关于桩的正截面抗弯弯矩计算公式为： （7）； （8）；α_t=0.45（1-ɑ）（9）。PHC管桩预应力钢筋一般在后壁中心部位，所以混凝土受压区域内预应力钢筋的合力点到受压边缘距离，即为ɑ’_p=t÷2。从而，可以推测出，混凝土受压区域高度x≤t，说明x≤2ɑ’_p。依照《混凝土结构设计要求》，如若受压区域高度不符合要求，需取x=2ɑ’_p。

在计算预应力钢筋应力时，如若对x=t÷2处取矩，与受压区相互靠近，其预应力钢筋作业也会降低。进一步考量预应力钢筋在极限状态下应力分布情况，为了明确相应公式，需忽略PHC管桩截面中心线之上预应力钢筋对于抗弯的作用，并设定截面中心之下预应力钢筋都保持屈服强度，能够获得弯矩平衡方程，即 （10），该计算公式中， 代表预应力钢筋抗拉强度； 代表单根预应力钢筋截面的面积； 代表预应力钢筋所处位置受压部位的顶面距离。可以发现，在极限情况下，PHC管桩中心线的预应力钢筋应力比较小，且力矩比较小，能够可优化此计算公式，假设管桩中心线以及中心线以下预应力钢筋均处于屈服，忽视其他位置预应力钢筋对管桩抗弯的贡献，可以得出 （11）。该计算公式中，利用预应力钢筋的抗拉强度标准值加以计算分析，可以得出PHC管桩极限弯矩的标准值，此时如若要计算极限弯矩的设计值，需要带入 抗拉强度的设计值。对于预应力钢筋受拉部位顶面 的计算，也要根据PHC管桩图的基本构造，并依照管桩截面、预应力筋根数量展开有效计算。

结束语：

综上所述，通过分析PHC管桩抗弯性能，可以发现PHC管桩受压部位混凝土压应力的分布和混凝土梁基本相同，受压部位应力图形变化与箱型截面基本相同；钢筋受力情况存在一定差异，直到破坏，受压区域的预应力钢筋始终保持受拉状态。同时，依照管桩规程要求的抗弯性能指标与文章建议计算方法的计算结果对比，建议方法计算所得出的PHC管桩正截面开裂弯矩可以和要求抗弯性能指标相一致，且PHC管桩抗裂弯矩的安全性良好。另外，忽视部分预应力钢筋对于弯矩的贡献，优化极限弯矩计算公式，能够让管桩极限弯矩理论值与实际值相符合，计算结果有效性进一步提升。

参考文献：

[1] 陈克伟.先张法预应力混凝土竹节管桩抗弯性能试验研究[J].混凝土与水泥制品,2021(7):33-37

[2] 潘念.桥梁工程先张法预应力高强混凝土管桩抗弯性能研究[J].资源信息与工程,2020,35(4):83-8487

[3] 沈琳,曾超峰,梅国雄,等.透水管桩抗弯性能试验研究[J].建筑结构,2020,50(7):130-135