混凝土预制桩具有承载力高、环境污染小、耐久性好、经济性强等优点,能满足当今建筑工业化的要求,广泛应用于桩基础工程中。限于制作、运输、打桩设备等条件,单节预制桩长度一般在12m内,当承载力要求桩长较长时,需要在施工现场进行接桩处理。接桩后,混凝土预制桩的承载力不仅与桩身承载力相关,也与接头的连接性能密切相关。目前我国常用的混凝土预制桩拼接方法主要有焊接和机械连接两种。焊接法由于工作量大,现场焊缝质量难以保证,易导致多节桩接头在受力时失效;而传统的机械连接接头容易受腐蚀环境的长期影响而失效 ^[1]。

　　 近些年来,国内外学者对混凝土预制桩的连接方式以及力学性能进行了深入研究。刘芙蓉等 ^[2]对预应力混凝土空心方桩焊接接头进行抗弯试验,结果表明,预应力混凝土空心方桩的焊接接头满足要求检验值,但当桩身出现裂缝后截面刚度损失较大,对抗弯性能较为不利;端板和焊缝质量是保证焊接接头质量的关键。李伟兴等 ^[3]对外贴钢板焊接方法进行了改进处理,并对改进型接桩连接节点和标准型接桩连接节点分别进行了足尺轴心抗拉试验,结果表明,与标准型接桩连接节点相比,改进型接桩连接节点在受力性能、施工工艺、焊接质量等方面均有显著的改善。郭杨等 ^[4]提出一种新型的PHC抗拔管桩抱箍式连接方法,通过理论分析和实例计算,得出采用该连接方法可以显著提高管桩的抗拔承载力。范钦建等 ^[5]对新研发的预应力混凝土空心内螺纹抗拔方桩进行了轴心抗拉试验,结果表明,钢筋镦头和端板因出现应力集中而容易破坏,是抗拔方桩的薄弱部位。戴晓芳等 ^[6]提出了一种由插接式接桩扣及预制件连接的增强型预应力混凝土离心桩,通过对经加速劣化处理的管桩进行抗拉、抗剪试验及有限元数值模拟分析发现,该机械连接技术具有安全环保、快速便捷、耐久性好、经济效益显著等优点。徐铨彪等 ^[7]对新研发的一种复合配筋混凝土预制方桩接头试件进行足尺抗弯试验,结果表明,接头试件的极限抗弯承载力试验值远大于桩身极限抗弯承载力规范公式计算值,方桩接头试件的破坏形式有桩身抗弯破坏和端板与桩身连接破坏。Cook等 ^[8]提出一种使用钢管和水泥砂浆的混凝土桩拼接方法,进行了抗拉、抗弯和抗压试验,结果表明,该接头的抗拉、抗弯和抗压承载力满足设计要求。Ptuhina等 ^[9]从经济效益、使用寿命、现场工作量等方面总结对比了当前广泛使用的几种预制桩拼接方法,指出插销式机械接头是最有效的连接方法。

　　 本文创新研发了一种新型预应力混凝土方桩的连接接头,采用弹卡式机械连接件加上防腐材料填充密封的接桩方法,使得上下两节桩形成一个整体,同时解决了传统预制桩接桩现场焊接质量难以保证和周围环境对用桩端板和焊缝的腐蚀问题。此接桩方法施工安装方便,大幅减少了现场接桩时间,同时节约了桩基建设费用,带来了显著的经济效益。通过对3种常用实心方桩接头试件进行受弯性能足尺试验和数值模拟分析,研究此方桩接头的受弯承载力、变形延性以及破坏特征,为此创新型方桩接头的设计和工程应用提供重要的理论依据。

　　 试验研究弹卡式连接预应力混凝土方桩接头的受弯性能,以桩身破坏或连接接头破坏作为终止加载条件。试件采用RRS-300AB,RRS-400AB和RRS-450AB三种常用实心方桩,几何尺寸和配筋规格如图1和表1所示,其中B为方桩的边长,B_p为预应力钢筋中心点之间的距离,σ_con为预应力钢筋的张拉控制应力,根据《预应力混凝土用钢棒》(GB/T 5223.3—2017) ^[10],统一取抗拉强度标准值f_ptk=1 420MPa的0.7倍,即994MPa。

　　 试件桩身混凝土强度等级为C60,在制作方桩试件的同时浇筑3个100mm×100mm×100mm混凝土立方体试块,两者养护条件相同。测得混凝土立方体抗压强度平均值f_cu=63.2MPa,换算得到棱柱体抗压强度f_c=40.6MPa,抗拉强度f_t=2.93MPa。预应力钢筋采用低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒,取Ф^D9.0和Ф^D10.7两种规格预应力钢筋各3根进行材料性能拉伸试验,测得抗拉强度f_pt的平均值分别为1 518.5MPa和1 574.7MPa,弹性模量E_p的平均值分别为202GPa和195GPa。螺旋箍筋采用低碳钢热轧圆盘条,其质量符合《低碳钢热轧圆盘条》(GB/T 701—2008) ^[11]要求,抗拉强度标准值f_stk取320MPa。

　　 弹卡式连接接头的做法为 ^[12]:弹卡接头由上节桩的小螺帽、插杆和下节桩的大螺帽、弹卡组成。在桩体生产过程中,将大小螺帽及钢棒预埋到桩体内。现场打桩时,下节桩在打入离地面1.0m左右时停止,在桩端面及弹卡内涂上环氧树脂,同时在上节桩桩端的小螺帽内安装插杆,之后进行拼接。桩在连接时,通过上节桩的插杆插入下节桩的弹卡内,弹卡张开,直到插杆头穿过弹卡,弹卡收拢,将插杆头紧紧锁住,完成上下节桩的连接,弹卡连接件示意图如图2所示。

　　 试验中方桩接头试件均采用相同规格的弹卡连接件,通过对单个弹卡连接件进行轴向拉伸试验以研究其抗拉性能。试验选用2个涂满环氧树脂的弹卡连接件(#1弹卡连接件、#2弹卡连接件)进行拉伸试验。使用INSTRON液压伺服疲劳试验机对弹卡连接件进行轴向拉伸加载试验,结果如图3所示。

　　 从图3可知,涂满环氧树脂的弹卡连接件的极限抗拉承载力分别为167.1kN和171.7kN,平均值为169.4kN。加载初期,弹卡连接件基本处于弹性阶段,试件变形随荷载呈线性增长,随着荷载的增加,试件产生塑性变形,有一定的屈服平台。试件最终破坏形式为接头附近的预应力钢棒被拉断,如图4所示。

　　 选RRS-300AB,RRS-400AB和RRS-450AB这3种常用弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件进行受弯性能试验,每种桩规格试件各1根,共计3根,每根试件长8m,由2根长4m的单节桩通过弹卡连接件拼装而成。

　　 使用YAW-10000F型微机控制电液伺服多功能试验机对方桩接头试件进行加载。其中方桩接头试件水平布置,采用四点加载方式,加载装置如图5所示。试验加载方案参考国家标准《先张法预应力混凝土管桩》(GB 13476—2009) ^[13],加载开始时按照理论计算的桩身开裂弯矩的20%对试件进行分级加载,当达到方桩桩身开裂弯矩的80%时,改为开裂弯矩的10%进行加载,直到方桩出现第一条竖向裂缝;开裂后按照理论公式计算的方桩桩身极限弯矩的5%进行分级加载,直至极限弯矩的100%;到达极限弯矩后改为位移加载,直至试件完全破坏。

　　 方桩接头试件应变测点布置见图5(b),在每节方桩正面靠近接头处布置5个应变测点(RRS-300AB为4个应变测点),方桩上下面靠近接头处每边布置1个应变测点,共计14个应变测点。同时在方桩跨中底部、左右两个支座等共3处放置数字位移计来测量竖向变形。应变片采用50mm×3mm型电阻应变片,采集装置使用DH3816静态应变测试系统。

　　 图6所示为试验测得的3根方桩接头试件的荷载-跨中挠度曲线。接头试件受弯全过程可分为3个阶段:1)加载初期,各方桩接头试件处于弹性变形阶段,荷载与跨中挠度基本呈线性变化;2)随着荷载的增加,试件混凝土出现竖向裂缝,抵抗变形的刚度开始下降,跨中挠度增长变快;3)荷载继续增加,试件竖向裂缝数目不断增多,裂缝长度和宽度也不断增大。最后,连接接头底部被拉开,弹卡连接件附近预应力钢棒或墩头被拉断,发出较大的清脆声,试件承载力急剧下降,不能继续承担荷载。

　　 计算弯矩时需将接头试件的自重以及钢梁自重的影响考虑在内。因此,方桩桩身跨中截面弯矩计算公式如下:

　　 ${\rm M}{}^{\text{t}}=\frac{{\rm P}+1}{4}\left(\frac{3}{5}L-1.2\right)+\frac{1}{40}WL(1)$

　　 式中:M ^t为方桩试件跨中截面弯矩试验值;P为加载的集中荷载值;L为方桩试件长度;W为方桩试件自重。

　　 根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[14],在裂缝等级控制为二级时,方桩桩身开裂弯矩标准值计算如式(2)所示,方桩桩身极限弯矩计算如式(3)、式(4)所示:

　　 ${\rm M}{}_{\text{c}\text{r}}=\left(\sigma {}_{\text{p}\text{c}}+\gamma f{}_{\text{t}\text{k}}\right)W{}_0(2)$

　　 ${\rm M}{}_{\text{u}}={\displaystyle \sum \left[f{}_{\text{p}\text{y}\text{k}}A{}_{\text{p}i}\left(h{}_{\text{p}i}-\frac{x}{2}\right)\right]}$ (3)

　　 $\alpha {}_{1}f{}_{\text{c}\text{k}}bx={\displaystyle \sum f}{}_{\text{p}\text{y}\text{k}}A{}_{\text{p}i}+{\displaystyle \sum (}\sigma {}_{\text{p}0}´-f{}_{\text{p}\text{y}\text{k}}´)A{}_{\text{p}i}´(4)$

　　 式中:M_cr为桩身正截面开裂弯矩;σ_pc为混凝土有效预压应力;γ为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数,矩形截面取1.55;f_tk为混凝土抗拉强度标准值;W₀为方桩混凝土受拉边缘弹性抵抗矩换算值;M_u为桩身正截面抗弯承载力标准值;f_pyk,f_pyk′分别为预应力钢筋的抗拉、抗压强度标准值;A_pi,A_pi′为第i排受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积;h_pi为第i排受拉预应力钢筋至混凝土受压区外边缘的距离;x为等效矩形应力图形的混凝土受压区高度,当x小于2a′时,取为2a′,其中a′为受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离;b为桩边长;α₁为系数,C60混凝土取0.98;f_ck为桩身混凝土抗压强度标准值;σ_p0′为受压区纵向预应力筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力。

　　 表2列出了各方桩接头试件开裂弯矩试验值M${}_{\text{c}\text{r}}^{\text{t}}$、极限弯矩试验值M${}_{\text{u}}^{\text{t}}$和方桩桩身开裂弯矩规范公式计算值M${}_{\text{c}\text{r}}^{\text{c}}$、极限弯矩规范公式计算值M${}_{\text{u}}^{\text{c}}$。弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件的开裂弯矩、极限弯矩试验值均大于规范公式计算的方桩桩身开裂弯矩、极限弯矩,满足设计要求。

　　 方桩接头试件的破坏形式为连接接头底部被拉开,在达到峰值荷载时,弹卡连接件附近预应力钢棒或墩头被拉断,发出较大的清脆的声音,试件承载力急剧下降,不能继续承担荷载。3个试件的墩头均被拉断,RRS-450AB试件预应力墩头被拉断的同时钢棒也被拉断,墩头被拉断是指接头处墩头被拉断,桩身未破坏,预应力钢棒被拉断是指桩身破坏。破坏时,受拉区混凝土分布有竖向裂缝,受压区混凝土无压碎现象,如图7所示。

　　 图8所示分别为RRS-300AB,RRS-400AB和RRS-450AB三种截面规格试件桩身混凝土应变随荷载的发展变化曲线。由图8可知,方桩接头试件在裂缝出现之前,试件跨中截面各测点应变都较小,随荷载的增加而呈线性增长。观察不同高度测点应变变化情况可知,裂缝出现前方桩接头试件跨中截面应变基本满足平截面假定。裂缝出现后,跨中截面受拉区混凝土应变增长较快。随着荷载继续增加,竖向裂缝继续开展,不断变宽、变长,并产生新的裂缝。而受压区的混凝土压应变增长基本较为稳定,直至试件破坏时受压区混凝土应变也较小,未出现混凝土被压碎现象。

　　 方桩接头试件混凝土材料采用混凝土损伤塑性模型,该模型基于有效应力可塑性以及各向同性损伤相结合的方式来表征混凝土的非弹性行为 ^[15],能较准确地描述混凝土单轴受拉压、双轴受拉压状态下的力学性能。

　　 混凝土损伤塑性模型 ^[16]如图9所示。其中图9(a)为混凝土单轴受拉应力-应变曲线,曲线上升段为直线段,斜率为混凝土弹性模量,下降段采用3折线,依次通过点(ε_t1,σ_t1)、点(ε_t2,σ_t2)和点(ε_tu,0)。其中ε_tu为混凝土极限拉应变,取值为0.003;σ_t1,σ_t2为下降段控制点对应的应力,ε_t1,ε_t2为下降段控制点对应的应变,σ_t1=k_t1σ_t0,σ_t2=k_t2σ_t0,ε_t1=(ε_tu-ε_t0)/c₁,ε_t2=(ε_tu-ε_t0)/c₂,k_t1和k_t2为描述材料拉伸软化的经验参数,分别取0.33和0.1,c₁和c₂是常数,分别取10和1.5。

　　 图9(b)为混凝土单轴受压应力-应变曲线,曲线分为3段:线弹性段、塑性强化段和应变软化段,相应的应力-应变关系为:

　　 $\sigma {}_{\text{c}}=\{\begin{array}{l}E{}_{\text{c}}\epsilon {}_{\text{c}}(\epsilon {}_{\text{c}}\le \epsilon {}_{\text{c}0})\\ \sigma {}_{\text{c}\text{u}}\left[1-\left(1-\frac{\epsilon {}_{\text{c}}}{\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}\right){}^{\eta {}_1}\right](\epsilon {}_{\text{c}0}<\epsilon {}_{\text{c}}\le \epsilon {}_{\text{c}\text{u}})\\ \sigma {}_{\text{c}\text{u}}\left[1-\left(\frac{\epsilon {}_{\text{c}}-\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}{\epsilon {}_{\text{c}\text{m}}-\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}\right){}^{\eta {}_2}\right](\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}<\epsilon {}_{\text{c}}\le \epsilon {}_{\text{c}\text{m}})\end{array}(5)$

　　 式中:ε_c0为线弹性压应变终点,取值为0.000 3;ε_cu为最大压应力所对应的应变,取值为0.002;ε_cm为最大压应变,ε_cm=k_cε_cu;k_c,η₁和η₂为经验参数,分别取2.5,2.0和1.8。

　　 混凝土材料损伤塑性模型的其余参数取值如下 ^[17]:弹性模量E_c=36GPa,密度ρ_c=2 400kg/m³,泊松比ν_c=0.19,应力比σ_b0/σ_c0=1.16,屈服常数K_c=0.666 7,膨胀角ψ=30°,偏心率ϵ=0.1,粘性系数μ=0.000 5,混凝土棱柱体抗压强度σ_cu=40.6MPa,抗拉强度σ_t0=2.93MPa。

　　 方桩接头试件中预应力钢棒和箍筋选取Esmaeily-Xiao模型 ^[18,19],其本构模型如式(6)和图10所示:

　　 $\sigma =\{\begin{array}{l}E{}_{\text{s}}\epsilon (\epsilon \le \epsilon {}_{\text{y}})\\ k{}_{3}f{}_{\text{y}}+\frac{E{}_{\text{s}}(1-k{}_3)}{\epsilon {}_{\text{y}}(k{}_1-1){}^2}(\epsilon -k{}_1\epsilon {}_{\text{y}}){}^2(\epsilon >\epsilon {}_{\text{y}})\end{array}(6)$

　　 式中:E_s为钢筋的弹性模量;f_y和ε_y分别为钢筋的屈服强度和屈服应变;k₁,k₂,k₃均为参数;各参数取值如表3所示。

　　 采用非线性弹簧来模拟方桩接头试件的弹卡连接件,使用测得的涂满环氧树脂弹卡连接件的荷载-位移曲线描述弹簧的力-位移关系。

　　 采用ABAQUS软件对方桩接头试件受弯试验进行数值模拟 ^[20],有限元模型的几何尺寸、配筋与接头试件完全相同,如图11所示。混凝土采用三维实体单元C3D8R,预应力筋和箍筋采用两节点杆单元T3D2,并通过嵌入式约束埋置于混凝土中,弹卡连接件采用弹簧单元SPRING。在荷载作用点施加位移荷载。加载前,采用降温法给预应力钢棒施加预应力。

　　 图12所示为三种规格方桩接头试件的荷载-跨中挠度曲线。数值模拟得到的荷载-跨中挠度曲线较好地吻合了试验加载过程中经历的3个阶段:1)加载初期,试件基本处于弹性阶段,跨中挠度和荷载呈线性增长;2)混凝土开裂后,方桩试件抗弯刚度下降,跨中挠度随荷载增加变快;3)弹卡连接件开始屈服,试件抗弯刚度进一步退化,跨中挠度急剧增加。在到达试件极限抗弯承载力时,试件接头连接处发生破坏。

　　 表4所示为方桩接头试件极限弯矩的模拟值和试验值。通过对比可知,各规格方桩接头试件极限弯矩的模拟值均比试验值大,偏差在5%左右。

　　 混凝土方桩的裂缝开展情况根据有限元塑性应变分布图来确定,混凝土损伤塑性模型假定最大主塑性应变为正值时出现初始裂缝,并且裂缝方向垂直于最大主塑性应变的方向 ^[21]。图13～15所示为各规格混凝土方桩接头试件在破坏时的最大主塑性应变分布示意图以及试验中试件混凝土裂缝开展情况。试件主要在纯弯段有少量受拉裂缝开展。在破坏时,弹卡连接件达到屈服状态,受压区混凝土无压碎情况。

　　 (1)单个弹卡连接件的极限抗拉承载力平均值为169.4kN,破坏形式为接头附近的预应力钢棒被拉断。

　　 (2)各规格弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件的开裂弯矩、极限弯矩试验值均大于方桩桩身开裂弯矩、极限弯矩规范公式计算值,满足设计要求。

　　 (3)方桩接头试件的破坏形式为连接接头底部被拉开,弹卡连接件附近预应力钢棒或墩头被拉断。纯弯段受拉区混凝土有少量竖向裂缝,受压区混凝土无压碎现象。

　　 (4)建立的数值模型可以较好地模拟弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件从加载到破坏的全过程。由数值模拟得到的方桩接头试件极限弯矩与试验值相接近。