型管樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1、600×130 C型管樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用談維漢 （）內(nèi)容提要 本文介紹了600×130 C型管樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、生產(chǎn)中遇到的困難和解決辦法、試驗(yàn)方法和結(jié)果、工程應(yīng)用實(shí)例。關(guān) 鍵 詞 C型管樁 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 應(yīng)用管樁在建筑基礎(chǔ)中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮的作用也越來越大，這些都得到了人們的認(rèn)同，管樁的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，甚至在基坑支護(hù)工程中，也有取代以往常用的攪拌樁和灌注樁等樁型的趨勢(shì)。當(dāng)然，這對(duì)管樁的抗彎性能也提出了更高的要求，以往的A型、AB型樁已不能滿足要求。在2001年9月我們應(yīng)甲方要求，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了C型管樁，并在基坑支護(hù)工程中取得了良好的效果。一、設(shè)計(jì)計(jì)算按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，600

2、C型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)砼（PHC）管樁的極限彎矩為552 kN，抗裂彎矩為276 kN，結(jié)合我公司的生產(chǎn)條件，我們進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，具體的計(jì)算過程如下：1. 計(jì)算參數(shù)砼軸心抗壓強(qiáng)度、彎曲抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fck = fcmk = 50.0 MPa砼軸心抗壓強(qiáng)度、彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc = fcm = 37.0 MPa砼立方體抗壓強(qiáng)度fce=80 MPa 砼的彈性模量Ec=3.90×104 MPa砼軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=3.10MPa 砼軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=fcm=37.5 MPa 施加預(yù)壓應(yīng)力時(shí)砼抗壓強(qiáng)度f 'cu=40 MPa鋼筋抗拉強(qiáng)度fptk=1420 MPa鋼筋的彈性模

3、量 Es=1.96×105 MPa 鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f 'py=400 MPa 鋼筋規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力fpy=1275 MPa管樁直徑D=600 mm， 內(nèi)徑d1=340 mm， t=130mm 管樁截面面積: A=(D-t)t= 191951 mm2預(yù)應(yīng)力主筋: 2210.7 mm 鋼筋面積: Ap= 22×90 = 1980 mm2 主筋配置直徑: Dp= 510 mm 管樁換算截面面積: Ao=A+(Es/Ec-1)Ap = 199922 mm2 2. 砼的有效預(yù)壓應(yīng)力預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力值: con=1.05×0.7ptk= 1043.7MPa

4、1) 錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失值L1（按樁長(zhǎng)10m計(jì)）: L1=(1/L)Es=19.6 N/mm22) 預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松馳引起的應(yīng)力損失L4 = 0.035con= 36.5 N/mm2 3) 溫度應(yīng)力損失L3不考慮，第一批預(yù)應(yīng)力損失LI=L1+L4 = 56.1N/mm2 4) 第一批預(yù)應(yīng)力損失后,鋼筋的有效應(yīng)力po1=con-LI= 987.6 N/mm2 5) 第一批預(yù)應(yīng)力損失后,砼的有效預(yù)壓應(yīng)力pc=po1 Ap/Ao = 9.78 N/mm2 6) 第一批預(yù)應(yīng)力損失是砼收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失L3: LII =L3= (45+220 28/c pc/'cu)/(1+1

5、5Ap/Ao) = 79.9 N/mm27) 總的預(yù)應(yīng)力損失L=LI+LII =56.1+79.9 = 136 MPa8) 鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力po=con-L=1043.7- 136 = 907.7 MPa9) 砼的有效預(yù)壓應(yīng)力pc=poAp/Ao= 907.7×1980 / 199922 = 8.99 MPa3. 管樁極限抗彎彎矩Mu: (圖1) 1)根據(jù)GBJ10-89第4.1.18-4條, =pyAp/(cmA+'pyAp+1.5pyAp-1.5poAp) =0.2148t=1-1.5=1-1.5×0.2148 = 0.6778 2) 根據(jù)GBJ10-89中公式

6、4.1.18- 4，管樁極限抗彎彎矩：Mu=fcmkA(r1+r2)sin/2+'pyAppsin/ +(py-po)Appsint/ = 549 kN.m4. 管樁抗裂彎矩Ms: 1) 管樁換算截面抵抗矩: o=2Io/D=2(d12+D2)A/16+(Es/Ec-1)ApDp2/8/D = 19.88×106 2) 環(huán)形截面抵抗矩塑性系數(shù): m=2-0.4d1/D= 1.77 3) 管樁的抗裂彎矩Ms=(ctmtk+pc)o= 288 kN·m5. 其他力學(xué)性能計(jì)算： 按英、日等國(guó)際通行公式，換成國(guó)標(biāo)符號(hào), 則 1）管樁軸心受壓允許承載力Rp=1/4(ce-pc

7、)A=3408 kN2）管樁抗剪強(qiáng)度Q:2tI/ So =tI / So = 544 kN 其中: I=(ro4-r4)/4 =57.06 ×108 (mm4) So=2/3(ro3-r3)= 14.72×106 (mm3)3）按省規(guī)程，管樁的抗拉強(qiáng)度 Rpl =pc A = 1726 kN二、生產(chǎn)技術(shù)改造經(jīng)過了理論分析，我們完全有信心生產(chǎn)出600×130 C型管樁，但對(duì)于現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，要順利進(jìn)行批量的生產(chǎn)，我們還進(jìn)行了一些技術(shù)改造。1. 模具的改良。由于預(yù)應(yīng)力主筋數(shù)量的改變（22根），原有12孔的模頭（尾）無法直接使用，必須重新制造多套新的22孔的模頭（

8、尾），專門用于600×130 C型管樁的生產(chǎn)。另外，由于張拉時(shí)所需的拉力成倍增加，而張拉時(shí)是以模具本身來承受其反作用力的，因此，對(duì)模具兩端的局部壓力也成倍增加，為了保證模具有足夠的剛度和不會(huì)發(fā)生變形，我們還對(duì)模具的兩端進(jìn)行了局部的加固。同時(shí)張拉用的螺桿也因?yàn)橐惺芎艽蟮睦Γ仨毤哟趾图庸獭?. 樁端頭板的改造（圖2）。根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程中有關(guān)端頭板的厚度要求，經(jīng)過驗(yàn)算（計(jì)算過程此略），我們把端頭板的厚度確定為20 mm。同時(shí)，為了保證管樁接頭處的抗彎能力大于樁身的抗彎能力，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)也對(duì)焊縫的厚度和寬度進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)算（計(jì)算過程此略），調(diào)整了端頭板邊沿企

9、口的尺寸，確保接頭的抗彎能力。3. 機(jī)械和設(shè)備的加強(qiáng)。由于預(yù)應(yīng)力主筋的數(shù)量達(dá)到22根，以0.75fpck作為控制預(yù)應(yīng)力鋼筋的控制應(yīng)力值來計(jì)算，總的張拉力也達(dá)到2110 kN，加上實(shí)際生產(chǎn)時(shí)法蘭與模身的摩擦阻力，實(shí)際所需的張拉力可能達(dá)到2400 kN。這樣，從設(shè)備的實(shí)際能力考慮，張拉用的千斤頂應(yīng)采用3000 kN以上的級(jí)別。此外，由于預(yù)應(yīng)力主筋數(shù)量的變化，必須制造專門的花盤和銅盤，與滾焊機(jī)配套，用來滾焊鋼筋籠。4. 其他操作。在實(shí)際操作中，也要針對(duì)每一個(gè)工序的不同特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)和改進(jìn)。如在裝混凝土入模時(shí)，由于主筋較密，為了使混凝土容易入模，必須使用震動(dòng)棒，同時(shí)也要控制送模跑車的運(yùn)行速度等等

10、。三、抗彎試驗(yàn)為了確保產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)的要求，在實(shí)際應(yīng)用之前，我們委托華南理工大學(xué)土建工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)抽兩根樁進(jìn)行送檢，試驗(yàn)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見下表。檢測(cè)項(xiàng)目國(guó)標(biāo)值(kN-m)計(jì)算值(kN-m)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值(kN-m)實(shí)測(cè)值/國(guó)標(biāo)值實(shí)測(cè)值/計(jì)算值單項(xiàng)評(píng)定1#樁樣2#樁樣1#樁樣2#樁樣1#樁樣2#樁樣抗裂彎矩276288343.0338.11.241.231.191.17合格極限彎矩552549662.4676.21.201.231.211.23合格在這里要說明的是：計(jì)算時(shí)，管樁的極限彎矩只有549 kN-m，小于國(guó)標(biāo)的規(guī)定（552 kN

11、-m），但考慮到計(jì)算時(shí)混凝土的強(qiáng)度取值為C80，而實(shí)際上我公司生產(chǎn)的管樁，其混凝土強(qiáng)度大多在C90左右，這里有一定的富余，而且計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值相差不大，只有（552-549）/552 = 0.5%，所以我們認(rèn)為是可行的，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最小的也有20%的富余。四、工程實(shí)例使用該樁的工程位于廣東省江門市區(qū)江沙路段，為某局的調(diào)度大樓，屬于一類建筑，主樓25層，地下室2層，基坑開挖達(dá)13米深。為了趕工期和實(shí)際需要，設(shè)計(jì)人員要求采用高抗彎性能的管樁作為配合攪拌樁深基坑的帷幕樁，在基坑內(nèi)設(shè)置兩道水平的支撐，支撐采用工字鋼等型鋼組成，基坑剖面如圖3所示。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，得出管樁的單樁極限抗彎要求為477 kN-m，必須采用 600×130 C型管樁。在該帷幕工程中共使用210根、合計(jì)3780米600×130 C型管樁，管樁施打完不久即可進(jìn)行開挖，工期大大縮短。施工過程一切順利，沒有發(fā)現(xiàn)管樁有質(zhì)量問題。完成施打和基坑開挖后，一直到地下室施工完成，基坑都沒有出現(xiàn)不良現(xiàn)象，證明600×130 C型管樁經(jīng)受得住考驗(yàn)。五、結(jié)束語從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及施工和使用的情況來看，該樁型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都是成功的。此次C型管樁在多高層建筑中的使用，可能在廣東省內(nèi)甚至是全國(guó)范圍內(nèi)都是第一次，這次成