劉志偉，付建明，袁文璽

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013；2.國家電網(wǎng)成都合源設(shè)計咨詢有限公司，成都610000）

輸電塔高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)問題分析

劉志偉1，付建明1，袁文璽2

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013；2.國家電網(wǎng)成都合源設(shè)計咨詢有限公司，成都610000）

根據(jù)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）及輸電塔基礎(chǔ)的特點(diǎn)對樁身抗拉強(qiáng)度、端板抗剪強(qiáng)度、樁的接頭方式、樁與承臺連接等進(jìn)行計算和分析，指出存在的問題，并提出改進(jìn)方案，希望為PHC管樁基礎(chǔ)在輸電線路工程中的應(yīng)用和推廣提供參考。

PHC管樁；輸電線路；鐵塔基礎(chǔ)

1 概述

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）基礎(chǔ)具有樁身強(qiáng)度高、生產(chǎn)速度快、施工快捷、易保證成樁質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外工民建工程中得到廣泛應(yīng)用。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［1］指出，PHC管樁主要適用于承壓樁，當(dāng)承受水平荷載或者用作抗拔樁時，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況適當(dāng)加強(qiáng)樁與樁、樁與承臺的連接構(gòu)造。由于鐵塔基礎(chǔ)長期承受上拉和下壓荷載的交替作用，故限制了PHC管樁在輸電線路鐵塔基礎(chǔ)中的應(yīng)用。

對PHC管樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗拉驗(yàn)算和分析，指出PHC管樁用作抗拔樁基礎(chǔ)時存在的問題，并提出改進(jìn)方案。

2 PHC管樁的計算與改進(jìn)

影響PHC管樁抗拉性能主要體現(xiàn)在樁身抗拉強(qiáng)度與端板抗剪強(qiáng)度的匹配、樁與樁之間的連接、樁與承臺之間的連接等方面，以預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［1］PHC 500 AB 100為例進(jìn)行分析和計算，并提出改進(jìn)方案。

為方便以后的計算，首先給出PHC 500 AB 100樁計算參數(shù)，見表1。表1中，ts為端板厚度；d1為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口直徑；d2為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口直徑；h1為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離；h2為端板預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離。

2.1 樁身抗拉強(qiáng)度與端板抗剪強(qiáng)度的計算

2.1.1 樁身抗拉強(qiáng)度的計算

國內(nèi)常用的管樁樁身豎向抗拉承載力計算方法有3種。

國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》計算公式為

式中：N為管樁樁身軸向拉力設(shè)計值，kN；fpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值1 000 MPa；Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積，mm2；C為考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響而取的折減系數(shù)，C=0.85。

故：0.85×1000×11×3.14×10.72／4≈840（kN）。

表1 PHC 500 AB 100樁部分參數(shù)

江蘇省標(biāo)準(zhǔn)DGJ32／TJ109—2010《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》［2］計算公式為

式中：σpc為管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，取值6.59 MPa；f1為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值2.22 MPa；A為管樁有效的橫截面面積，mm2。

故：

廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ／T15-22—2008《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》［4］計算公式為

故：6.59×3.14×（5002-3002）／4≈828（kN）

由以上計算結(jié)果可知，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與廣東省標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果相近，但與江蘇省標(biāo)準(zhǔn)相差達(dá)約32%。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計按預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度為控制，并考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭的折減系數(shù)；廣東省標(biāo)準(zhǔn)按樁身不出現(xiàn)拉應(yīng)力為控制條件，只考慮了混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力；江蘇省標(biāo)準(zhǔn)按樁身不出現(xiàn)裂縫為控制條件，既考慮了混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力又考慮了混凝土的抗拉能力。從表面上看，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)似乎更有道理，但是筆者認(rèn)為江蘇省標(biāo)準(zhǔn)混淆了強(qiáng)度控制和裂縫控制的概念，強(qiáng)度控制是以荷載效應(yīng)基本組合對應(yīng)與材料強(qiáng)度的設(shè)計值，而裂縫控制是以荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合對應(yīng)與材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。所以筆者認(rèn)為樁身抗拉強(qiáng)度計算公式采取國家建筑標(biāo)準(zhǔn)或廣東省標(biāo)準(zhǔn)均可，為方便對比分析，采取國家建筑標(biāo)準(zhǔn)的計算方法。

2.1.2 端板結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的計算

圖1 端板與預(yù)應(yīng)力鋼筋連接

端板與預(yù)應(yīng)力鋼筋連接如圖1所示。根據(jù)表1和圖1，端板沉頭孔的抗剪強(qiáng)度計算公式為

式中：N為管樁樁身軸向拉力設(shè)計值，kN；n為預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量；fv為端板抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，N／mm2，端板材質(zhì)為Q235B，取值120 N／mm2。

由以上計算可知，端板沉頭孔的抗剪強(qiáng)度值小于樁身的豎向抗拉承載力，故樁端板是PHC管樁發(fā)揮抗拉作用的“瓶頸”，需要增加其安全度。

2.1.3 端板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由式（4）可知，影響端板抗剪承載力的兩個關(guān)鍵因素為端板的材質(zhì)和厚度。

端板材質(zhì)的影響。在《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》圖集中，端板采用的材質(zhì)為Q235B，抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為120 N／mm2；假設(shè)端板采用Q345B鋼，那么材料的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值將提高到180 N／mm2。與Q235B相比，端板抗剪強(qiáng)度增加了50%。

端板厚度的影響。假如將端板的厚度增至22 mm，按照式（4）計算得：

與20 mm的端板相比，端板抗剪強(qiáng)度增加了約16%。

故在輸電線路工程使用PHC管樁時，一定注意驗(yàn)算樁身抗拉強(qiáng)度與端板抗剪強(qiáng)度是否匹配，并適當(dāng)增加端板厚度或使用更高強(qiáng)度的材質(zhì)，以提高端板的抗剪強(qiáng)度，增加安全儲備。

2.2 樁的接頭方式

民用建筑采用的PHC管樁基本上屬于承壓樁，若接頭質(zhì)量不好，其危害一般不會馬上顯現(xiàn)出來；但是輸電塔的基礎(chǔ)長期承受上拔和下壓荷載的交替作用，尤其耐張塔的拉基礎(chǔ)長期處于上拔荷載的作用，如若接頭質(zhì)量存在問題，很容易因斷樁而出現(xiàn)嚴(yán)重的事故，所以，抗拔樁的接頭質(zhì)量至關(guān)重要。

目前工程中連接方式主要采取電焊焊接，此種焊接方式存在一定的安全隱患。首先輸電線路施工現(xiàn)場在荒郊野外，施工環(huán)境非常惡劣，由于條件限制，只能采取人工施焊，所以施工單位的管理水平及施工人員的水平差異造成焊接質(zhì)量差異較大；其次工人焊接時一般先在坡口圓周上對稱點(diǎn)焊4～6點(diǎn)，待上下樁節(jié)固定拆除導(dǎo)向箍，再由兩名熟練焊工對稱施焊。焊接層數(shù)一般為3層，內(nèi)層焊渣必須清除干凈后方可施焊外一層。每個接頭一般需要約20 min焊完，再等焊縫自然冷卻8 min后，才能繼續(xù)沉樁，浪費(fèi)了大量的時間，影響施工的效率。同時許多施工人員不等焊縫冷卻就進(jìn)行沉樁，以致形成接頭淬火，甚至出現(xiàn)脆裂，造成隱患。

由于電焊連接存在上述缺點(diǎn)，現(xiàn)介紹兩種機(jī)械連接方式（機(jī)械嚙合連接、機(jī)械連接卡連接），機(jī)械連接一般耗時1～2 min，即可繼續(xù)沉樁，相對焊接方法，工作效率提高80%以上，操作方便簡捷。

2.2.1 機(jī)械嚙合連接

機(jī)械嚙合連接技術(shù)，是在管樁樁端每個接頭的預(yù)埋鋼板上，均勻焊上一定數(shù)量的接樁用的連接槽，內(nèi)藏鋼銷板和壓力彈簧，如圖2所示。

鋼銷板為帶齒牙向樁身的滑塊，用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，后面以壓力彈簧緊固。管樁接駁時，首先把兩根接樁樁端預(yù)埋鋼板表面和鋼板上各個連接槽內(nèi)填塞的聚苯乙烯泡塑等雜物清理干凈，然后將連接銷（絲牙部分）涂上防水膠，待接樁用扳手旋入各根連接銷（絲牙部分）擰緊，連接銷有一半長度外露，這時把待接樁吊起，清掃干凈連接銷，接著在連接槽內(nèi)涂抹適量的防水膠，然后讓樁端的各個連接銷對準(zhǔn)下部入土樁的連接槽后插入，從而使到連接槽內(nèi)的空隙被防水膠溢滿，使兩根樁通過連接銷的機(jī)械嚙合作用而緊密地連接起來。

該連接方式要求連接銷抗拉能力大于樁身的抗拉能力。

圖2 嚙合連接

2.2.2 機(jī)械連接卡連接

機(jī)械連接卡連接技術(shù)是由3個相同的、弧度為120°的“［”型連接卡組成，每個連接卡上設(shè)有一定數(shù)量的螺栓孔，均勻分布，通過螺絲將連接卡與端板進(jìn)行固定，連接見圖3。該連接方式要求連接卡的抗剪能力及連接螺栓的抗剪能力均應(yīng)大于樁身的抗拉能力。

圖3 樁間連接

2.3 樁身與承臺連接

管樁與承臺連接的主要方式為微膨脹混凝土填芯并內(nèi)插鋼筋，填芯的高度和插筋應(yīng)進(jìn)行截面抗拉承載力驗(yàn)算。但是，在實(shí)際運(yùn)用中，由于管樁內(nèi)壁不可避免有離心浮漿層的存在，且因施工問題造成填芯的施工質(zhì)量不一，都對填芯的整體抗拉強(qiáng)度造成干擾。因而，應(yīng)對連接方式進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)實(shí)際情況提出兩種連接方式。

2.3.1 不截樁與承臺連接

抗拔力由樁身外部鋼筋和填芯混凝土內(nèi)插鋼筋共同承擔(dān)。樁頂與承臺連接方式如圖4所示。圖4中，①號鋼筋為樁身外部鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔(dān)樁與承臺之間抗拔承載力。采用本連接方式時，①號鋼筋與樁身通過連接套管來實(shí)現(xiàn)。

圖4 不截樁樁頂與承臺連接

2.3.2 截樁與承臺連接

此種連接方式的抗拔力由預(yù)應(yīng)力鋼筋和填芯混凝土內(nèi)插鋼筋共同承擔(dān)。樁頂與承臺連接方式如圖5所示。圖5中，①號鋼筋為抗拔管樁樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔(dān)樁與承臺之間抗拔承載力。采用本連接方式時，保留端板，并應(yīng)采取有效措施保證截樁后抗拔管樁的質(zhì)量，嚴(yán)禁野蠻施工。

圖5 截樁樁頂與承臺連接

以上兩種抗拔管樁與承臺連接的措施均能有效加強(qiáng)抗拔節(jié)點(diǎn)的能力，以很小的經(jīng)濟(jì)成本為代價，極大地增強(qiáng)了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安全儲備。

3 結(jié)語

通過計算分析，并對PHC管樁一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提出了改進(jìn)建議。PHC管樁經(jīng)改進(jìn)后，能夠較好地發(fā)揮樁身的抗拉強(qiáng)度，可用作輸電塔的一種基礎(chǔ)型式。在使用PHC管樁時，一定要對圖集中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算，以期各部件的強(qiáng)度能夠完好的匹配，避免“瓶頸”的出現(xiàn)。通過對樁與樁連接方式的改進(jìn)，能夠大幅地提高施工效率，減小施工難度。

［1］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［2］DGJ32／TJ109—2010先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程［S］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］DBJ15-63—2008預(yù)應(yīng)力混凝土管樁機(jī)械嚙合接頭技術(shù)規(guī)程［S］.廣州：廣東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會出版社，2008.

［4］DBJ／T15-22—2008錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑標(biāo)工業(yè)出版社，2008.

［5］王離.抗拔管樁的承載力及結(jié)構(gòu)構(gòu)造［J］.混凝土與水泥制品，2008（4）：32-36.

Basic Problems of High Strength Concrete Piles in Transmission Towers

LIU Zhiwei1，F(xiàn)U Jianming1，YUAN Wenxi2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute co.，Ltd，Jinan 250013，China；2.ChengduHeyuan Design&Consulting co.，Ltd，Chengdu 610000，China）

According to the characteristics of high-strength prestressed concrete pipe pile and transmission tower foundation，the tensile strength of pile body，the shear strength of end plate，the connection style of piles，and the connection between piles and pile caps are calculated and analyzed.Some problems are pointed out and solutions to deal with those problems are suggested，which are believed to provide references for the application of high-strength prestressed concrete pipe pile in transmission lines.

prestress high concrete；pipe pile；transmission lines；transmission tower foundation

TM753；TU753

B

1007－9904（2015）05－0058－04

2014-12-15

劉志偉（1981），男，工程師，主要從事輸電線路設(shè)計方面的工作。