预应力混凝土管桩与承台连接节点弯矩变化测试研究

张兵　郭震　谌逊龙　黄易铭　张敏

摘 要：预应力混凝土管桩是目前较多施工场所必不可少的材料之一，分析管桩连接节点的抗弯能力，可为施工提供一定的安全保障。从5 m预应力混凝土（PHC）管桩中截取部分截桩，以此作为试验管桩，设计2个管桩与承台的连接节点试件，在连接节点试件与管桩上装置传感器，采集加载后的数据，并计算开裂弯矩与极限弯矩变化，得到试件加载特征。结果表明，试件1的承载力较强，2组试件的底部应变明显大于试件的中部与顶部，试件顶部受加载影响较小。当单向加载不断增大，2组试件的跨中挠度与挠度增长率随之提升，逐渐发生底部位移，但试件1的挠度变化较小，在管桩东西侧装置传感器，经双向载荷加载后，2组试件的锚固钢筋同时发生应变，配备预应力筋能大大增强管桩的抗弯性能。

关键词：预应力；
混凝土管桩；
连接节点；
抗弯性能；
跨中挠度；
极限弯矩

中图分类号：TU378;TQ178 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0162-04

Experimental study on the change in bending momentof prestressed concrete pipe pile joints

ZHANG Bing1，GUO Zhen1，CHEN Xunlong1，HUAGN Yiming1，ZHANG Min2

（1.Fujian Institute of Geotechnical Engineering Investingation and Surveying Co.，Ltd.，Fuzhou 350108，China; 2.The Second Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau，Fuzhou 350108，China）

Abstract：Prestressed concrete pipe pile is one of the essential materials in many construction sites at present.The analysis of the flexural capacity of pipe pile joints can provide a certain safety guarantee for construction.A part of the cut-off pile is taken from the 5mPHC pipe pile as the test pipe pile. Two joint specimens of the pipe pile and the cap are designed， and sensors are installed on the joint specimens and the pipe pile to collect the data after loading. The crack moment and the ultimate moment are calculated and the loading characteristics of the specimen are obtained.It is verified by experiments that the bearing capacity of specimen 1 is stronger.The strain at the bottom of increase is obviously larger than that at the middle and top of the specimens，and the top is less affected by loading.As the unidirectional load increases，the mid-span deflection and deflection growth rate of the two specimens increases with it，and the bottom displacement gradually occurs，but the deflection change of specimen 1 is relatively low.A sensor was installed on the east and west side of the pipe pile.After bidirectional loading，the anchoring steel bars of the two specimens experienced strain at the same time，and the strain value of the west side pile was higher.

Key words：prestress；
concrete pipe pile；
connecting node；
bending resistance；
mid-span deflection；
ultimate bending moment

預应力混凝土管桩主要通过预应力钢筋、混凝土、箍筋等材质构成，具有抗渗性强、抗弯能力较高等特点［1-2］，同时，这一形式的管桩使用寿命较长，广泛应用于施工、建筑领域［3-4］。管桩的连接节点是一种能够连接管桩与承台的连接部件，通过连接节点，可以使管桩应用受力明确［5］，施工更为方便; 通过连接节点的抗弯性能研究，可以为管桩提供更安全的保障［6-8］。有较多学者对连接处节点的抗弯能力进行分析，但该方法得到的测试结果并不精准。为此本试验研究预应力混凝土管桩连接节点抗弯性能，对管桩连接节点的抗弯能力进行详细分析。

1 预应力混凝土管桩连接节点研究

1.1 试件设计

本文采用PHC管桩作为实验管桩，预应力钢筋选用预应力混凝土用钢棒，共设计2个管桩连接节点，均为截桩桩顶与承台连接节点。承台配备了双层双向钢筋，在管桩连接节点试件中，试件2并未配备预应力筋，在进行抗弯试验时，加载力为500 kN［11］。表1为每个试件的参数指标。

通过图1描述管桩与承台的连接效果。其中，2个连接节点试件分别应用于桩顶与承台的连接。

1.2 试件制备

利用实验室完成试件的加工制作，其中，本文所使用的PHC管桩通过5 m长管桩截断制成。桩内填芯与承台混凝土同时浇筑［11］，浇筑时实测强度为62.1 MPa。

1.3 实验装置

本文设计简支梁对称加载装置实现试件加载，在该装置中，支座两端为加载支座，具体支座样式分别如图2所示。

本文在在试验过程中所采用的检测仪器：DK09-TOP-904综合测试仪;H27802裂缝测宽仪;200 t液压千斤顶;7.5 m卷尺;0～50 mm百分表;0～100 mm百分表

1.4 预应力混凝土管桩连接节点弯度计算

1.4.1 开裂弯矩计算

当预应力混凝土管桩连接节点受弯时，假设裂缝控制等级为二级［14-15］，则连接节点开裂弯矩标准值可通过式（1）计算：

Mcr，k=（σce+γftk）W0（1）

式中：连接节点开裂弯矩为Mcr，k；
桩身截面混凝土预压应力为σce；
桩身混凝土抗拉强度为ftk；
γ为受工艺影响的综合系数；
连接节点截面弹性抵抗矩为W0。

1.4.2 极限弯矩分析

2 实验结果与分析

2.1 试件承载力特征分析

分析2个试件在不同加载方向上的承载力变化情况，结果如表2所示；
其中，“+、-”表示加载方向。

由表2可知，通过开裂弯矩可以得到试件在两方向上的承载力，其中，试件1的承载力明显大于试件2。这是由于试件1配备了预应力筋的缘故，因此试件1经两方向加载后的抗弯性能较强。

2.2 试件应变分析

在每个试件的顶部、中部、底部分别装置传感器，分析2个试件在单方向不同载荷加载下各部位的应变情况，结果如图4所示。

从图4（a）、（b）可以看出，随着加载载荷的不断提升，2組连接节点试件的顶部、中部的应变变化不大，主要承担部分拉应力；
而2组试件的底部应变值不断扩大，说明随着加载力度的加大，试件开始出现微裂缝，导致试件抗弯能力变低，试件1的应变变化明显低于试件2，在加载过程中试件2的应变幅度明显较高，说明试件1受到加载影响较小，抗弯能力较强。

2.3 连接节点试件挠度分析

分析2组试件在加载过程中的挠度以及挠度增长率，得到载荷-跨中挠度曲线变化，以此分析试件在开裂时相应的载荷，结果如图5所示。

由图5可知，当载荷不断加大，2组试件的跨中挠度与挠度增长率均处于上升状态。其中，试件2的挠度始终高于试件1，说明在加载过程中，试件2的竖向变形要大于试件1。因此在抗弯测试中，试件2会提前发生变形，导致挠度增大。

2.4 试件屈服位移与极限位移分析

通过双向水平载荷进行加载，分析2组试件加载时，试件与桩体连接处的位移情况，结果如图6所示。

由图6可知，试件2屈服位移处于-20～20 kN，而极限位移处于-40～40 kN；
同时，试件1的位移要明显低于试件2，说明在双向加载过程中试件1的位移变化较小，因此具有较高的抗弯能力。

2.5 试件刚度退化分析

通过双向加载验证不同试件的刚度变化，分析结果如图7所示。

由图7可知，在0载荷下，试件1的刚度达到40 kN·mm以上；
而试件2的刚度处于35 kN·mm，低于试件1。当加载载荷达到200 kN时，2个组试件的刚度迅速下降；
而试件1的刚度保持在5 kN·mm左右，试件2的刚度已下降至5 kN·mm以下。经不断加载后，试件1的刚度始终高于试件2，说明试件1的可用性要好于试件2。

2.6 连接节点锚固钢筋、箍筋应变

2连接节点试件中的锚固钢筋的应变情况，结果如图8所示。

由图8可知，西侧正向锚固钢筋的应变幅度相对较大，说明该侧锚固受压时压力较大，反向东侧锚固钢筋的应变较低；
同时，锚固钢筋的应变曲线较为饱满，这是由于受压时承台内混凝土的粘结作用为锚固钢筋承担了部分压力。2个试件锚固钢筋的应变几乎一致，未出现较大变化，由此可以明确表明锚固钢筋的应变值变化。

3 结语

研究预应力混凝土管桩连接节点抗弯性能试验，设计预应力混凝土管桩连接节点试件，利用加载装置对试件进行不同形式的受压测试，得到试件被加载后的抗弯能力，以此完成抗弯性能分析。

结果表明，试件1的承载力明显大于试件2，这是由于试件1配备了预应力筋的缘故，因此试件1经2方向加载后的抗弯性能较强。2个试件的底部应变明显大于试件中部与顶部，试件顶部受加载影响较小。当单向加载不断增大，2个试件的跨中挠度与挠度增长率随之提升，逐渐发生底部位移，但试件1的挠度变化较小，经双向载荷加载后，2个试件的锚固钢筋同时发生应变，其中西侧桩体应变值较高；
配备预应力筋能大大增强管桩的抗弯性能。

【参考文献】

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收稿日期：2023-02-09；
修回日期：2023-05-04

作者简介：张 兵（1986-），男，工程师，研究方向：桩基基础，地质勘测;E-mail：769804447@qq.com。

引文格式：张 兵，郭 震，谌逊龙，等.预应力混凝土管桩连接节点抗弯性能试验研究[J].粘接，2023，50（6）：162-165.