大直径混凝土管桩和先张法预应力混凝土管桩简介

大直径混凝土管桩和先张法预应力混凝土管桩简介 2010-02-21 14:36:20| 分类： 砼技术 |举报|字号 订阅 程志文 周菊芳中交第三航务工程局有限公司上海浦东分公司1 前言中交第三航务工程局有限公司（以下简称三航局）成立于1954年，是国内最先获得港口与航道工程施工总承包特级资质的国有特大型施工企业。大直径混凝土管桩（以下简称大管桩）和先张法预应力混凝土管桩（以下简称PHC桩）是三航局的两个“拳头”产品。大管桩是 国家“六五”科技攻关项目，是参照美国雷蒙特公司的制造工艺自行开发的后张法预应力混凝土管桩。PHC桩是1987年日元贷款引进项目，从日本休谟（株）引进了全套制造设备，采用离心工艺生产的先张法预应力混凝土管桩。按照桩的特征分类，这两种桩应该说都属于预应力混凝土管桩，所不同的只是先张和后张以及混凝土强度等级的区别（大管桩属PC桩）。2 大管桩2.1 大管桩的概况1949年美国雷蒙特公司最早用离心机生产了中空预应力混凝土管桩。国内使用大管桩是在70年代中期，随着我国航运事业的发展，原有的预应力方桩已不能适应，而钢管桩又造价高、维护困难。在这样的背景下，三航局于70年代中期开始对大管桩的制造进行可行性研究，1983年“大直径预应力混凝土管桩制造与应用”正式列入国家重点科技攻关项目，并由苏州水泥制品研究院、南京水科院和上海冶金研究院协作，共同完成了大管桩的研制，并获得“六五”国家科技攻关成果奖。19861988年，先后在连云港和镇海建管桩厂，1988年开始逐渐在各港口工程建设项目中推广应用，2005年，在江苏省连云港的原厂又建造了大管桩生产流水线。在过去的二十多年里，经过一系列的开发研究工作，对生产设备进行了全面的完善，沉桩工艺不断改良，产品也不断升级换代，如其中的B型桩获得了上海市科技进步二等奖。在“七五”期间，三航局对该产品又经过进一步地改进，完善，并完成了双根钢绞线混凝土大管桩的研制任务，即B型管桩。2004年又试验成功1400mm混凝土大管桩，即为C型管桩和三股钢绞线大管桩。三航局主编的港口工程预应力混凝土大直径管桩设计规程（JTJ/T 261-97）和港口工程嵌岩桩设计与施工规程（JTJ 285-2000）已列入国家行业标准。大管桩具有强度高、混凝土密实度高、低孔隙率、低吸水率、耐久性好、耐锤击性能好、耐腐蚀能力强；可适合于任何土质，且断面为圆形，波浪力和水流力大为减小，其使用年限长，维修费用低，是一种理想的海工建筑物桩基结构。目前三航局生产的大管桩已应用于数十座沿海码头和桥梁，以东海为例，在乍浦、北仑、舟山一带就有十多座2万20万吨级的大管桩码头。从上世纪80年代中期研制成功至今，已在港口码头、桥梁等工程中得到广泛的应用。图2.1-1为采用大管桩作为桩基的朱家尖大桥。 图2.1-1 朱家尖大桥2.2 大管桩的规格和技术性能 大管桩的直径为1200mm、1400mm两种，其断面为空心圆形，管节采用拌和物维勃稠度控制在2535s的混凝土，并经离心、振动、碾压复合工艺制作而成。成型的基本管节长度为4m（如设计和工程需要还可生产1m和2m的管节），采用后张法预应力拼接成要求的桩长。预应力钢筋采用高强度低松弛钢绞线。根据大管桩直径、每孔钢绞线股数、预留孔数量、钢绞线强度值的不同，定义不同规格的大管桩型号。大管桩的型号应采用以下形式： D 钢绞线强度标准值，1表示1570MPa，2表示1860MPa，3表示2000MPa 大管桩截面预留孔数目，1表示16孔，2表示18孔，3表示20孔 每个预留孔中钢绞线股数，A表示单股，B表示双股，C表示3股 大管桩外径，单位为mm 表示后张法预应力混凝土大直径管桩大管桩的结构图见图2.2-1。大管桩的规格和技术性能表见表2.2-1。 图2.2-1 大管桩的结构示意图常用大管桩规格、型号和力学指标表表 2.2-1序号大管桩型号D1200A3-1*D1200A3-2D1200B1-1*D1200B1-2*D1200B2-1D1200B2-2D1200C1-1*D1400B3-1*D1400B3-2D1400C3-1*1大管桩外径D（mm）12001200120012001200120012001400140014002大管桩内径d（mm）9409409109109109109101100110011003桩截面积A（m2）0.4370.4370.4810.4810.4810.4810.4810.5890.5890.5894单位长度重量T（kN/m）11.3611.3612.5012.5012.5312.5312.6215.3215.3215.475桩截面惯性矩J（m4）0.06510.06510.07060.07060.07090.07090.07180.12100.12100.12326预留孔数202016161818162020207预留孔直径（mm）323240404040404040408钢绞线股数11222232239单股钢绞线直径（mm）15.215.215.215.215.215.215.215.215.215.210钢绞线抗拉强度标准值fptk（MPa）157018601570186015701860157015701860157011混凝土有效预压应力pc（MPa）5.967.188.6410.419.7411.7312.808.8110.6213.0512不含混凝土抗拉强度的开裂弯矩设计值（kN?m）6467781017122411511386153215241836229813含混凝土抗拉强度的开裂弯矩设计值（kN?m）103211641436164415721807195921392450292314破坏弯矩设计值（kN?m）2300230025982597263926382760378337814022注： 不含混凝土抗拉强度的开裂弯矩设计值、含混凝土抗拉强度的开裂弯矩设计值分别是指混凝土拉应力限制系数ct为0.00、1.00时的开裂弯矩设计值； * 表示常用型号。2.3 大管桩的制作工艺大管桩采用分段成型混凝土管节、管节间涂刷粘结剂、后张拉预应力钢绞线、预留孔道内压力灌注水泥浆体、钢绞线自锚等工艺手段拼接成所需长度的管桩。(a)成型工艺管节成型采取低速边喂料边振动的方式，喂料结束后，再采用边振动边辊压，在管节内壁施压使混凝土致密的成型工艺。振动辊压结束后，进行高速离心处理，使管壁中层混凝土产生不小于73g的离心加速度，使管节混凝土进一步的密实。 (b)预留孔道管节预留孔道的成型采用钢管芯棒外套橡胶管，在混凝土强度达70%时抽出。(c)养护工艺成型管节的蒸养，可以采用钢模卧放置于坑池加盖的方式，或钢模外加保温罩放置的方式，根据生产地域的气温和场地条件而定。但蒸养时，通蒸汽前必须保证有30的干燥温度静定养护2h以上。脱模后，混凝土管节水养7d，以保证混凝土得到充分的水化。(d)拼接工艺粘结剂的各项技术指标必须满足设计和施工要求。拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，保证混凝土之间的粘结强度。当粘结剂涂刷在稍不平整的管节端面时，施加第一阶段的预应力，取设计值的30%40%。待粘结强度达到一定的强度即与管节成为一整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值，以确保管桩接缝的粘结剂和桩身混凝土处于相同预应力值。(e)孔道压浆工艺为了保证水泥浆体与管节混凝土的粘结强度和浆体与钢绞线的握裹力，采用水灰比为0.32左右的高速搅拌机拌制高流动度、低泌水率的纯水泥浆体，以保证水泥浆体有较长的时间在孔道中畅流并充盈密实以及得到较高的浆体强度。压浆顺序宜先压下层孔道逐渐向上孔道进行。水泥浆由桩的一端向另一端压送，压浆缓慢、均匀地进行，并应保持一定的压力，以确保浆体的密实性。3 PHC桩3.1 PHC桩的概况PHC桩本来是为填补预应力方桩和大管桩之间规格空白而开发的桩种。三航局方桩断面尺寸为600×600mm，大管桩直径为1200mm，所以引进PHC桩生产线是生产6001000mm，全称为预应力离心高强混凝土桩（Pretensioned and Reinforced Spun High Strength Concrete Piles），前身为先张法PC桩（预应力混凝土管桩），是随着异型预应力钢筋（ULBON）和混凝土蒸养工艺的发展而诞生的。日本于1970年开发，1982年制订了标准JISA 5337-82先张法离心高强混凝土管桩，后经多次修订，日臻完善。在日本，1962年以前基本上以生产RC(钢筋混凝土)管桩为主，强度相当于C40；1967年以前基本上以生产PC(预应力钢筋混凝土)管桩为主，强度相当于C50；1967年后逐步推广应用PHC管桩，强度相当于C80；二十世纪七、八十年代PHC桩的应用比例不断上升，至九十年代基本上都采用PHC桩。可以说混凝土桩已有近百年的历史，RC管桩约有70年历史，PC管桩约有40年历史，PHC管桩约有30年历史。我国大约是二十世纪四十年代开始生产RC管桩，六十年代生产PC管桩，八十年代初期开始研制生产后张法大管桩，八十年代后期开始引进和开发PHC管桩。从1969年预应力混凝土制品国际会议把管桩列为四种主要预应力混凝土制品之一，到我国1993年建设部(93)178号文把管桩定为国内重点推广技术成果，使该产品得到更为迅速的发展。全国从八十年代的一、两家管桩厂发展到现在200多家，年产量从当时的几万米发展到现在的4500万米。由于管桩具有结构强度高、可贯入性好、耐锤击性强、结构承载力高、产品标准化程度高、生产周期短等优点，特别是大直径长管桩，其优异的抗弯性能和结构承载力，得到了许多业主和设计单位的青睐，市场需求很大。图3.1-1为上海外高桥造船有限公司舾装码头工程实例。三航局宁波分公司于2003年4月份建成投产PHC桩生产线，管桩产品规格为7001200mm，单节长度达30m；三航局南京分公司于2006年10月14日，世界一流、全国首创的第一根55m一次成型PHC管桩顺利下线，从而宣告了目前世界上单节长度最长的PHC管桩生产线已经建成投产；宁波分公司研制的高强度张拉预应力、抗弯能力强的SPHC管桩，达到国内领先、国际先进水平。上述后两项成果均通过国家、上海市成果新产品鉴定。图3.1-1 工程实例3.2 PHC桩规格和技术性能PHC桩按外径分为300、400、500、550、600、700 、800、1000、1200mm等规格。按桩的混凝土有效预压应力值或抗弯性能分为A型、AB型、B型和C型。混凝土强度等级C80的管桩代号为PHC，混凝土强度等级C60的管桩代号为PC。按三航局的企业标准，PHC桩的规格和技术性能见表3.2-1。PHC桩的规格和技术性能 表3.2-1外径D(mm)型号壁厚(mm)主       筋混凝土有效预压应力（Mpa）抗 裂弯 矩（kNm）极 限弯 矩（kNm）单位重量(t/m)截面配筋率(%)单 节长 度( m )直径(mm)数量(根）Dp(mm)PCPHC300A607.162404.024.0323340.1180.53712AB966.146.1628450.85400A807.193383.443.4552770.2090.45712AB995.285.30631040.72713B10.797.127.15751351.01500A1009104163.883.89991480.3270.51714AB10.7105.285.301212000.72715B10.7157.527.561442581.07550A1059124863.973.981251880.3810.52715AB10.7125.415.431542540.74600A1009125103.733.741642460.4080.49716AB11109(10.7)18(12)5.05(4.76)5.06(4.78)2013320.4400.68(0.64)AB21209(10.7)18(12)4.75(4.48)4.77(4.50)2013320.4700.64(0.60)AB313010.7155.205.222013320.4990.70B11010.7186.816.842394300.4400.96C12.6188.979.032765521.33700A111010.7125904.024.03264.9397.30.5300.53715A27.1243.603.610.47AB1109245905.535.55317.9524.50.5300.75722B10.7247.437.47372.8671.01.10730C12.6249.749.81441.4882.91.47800A1109(10.7)20(15)6904.07(4.27)4.08(4.28)3675500.6200.54(0.57)755AB10.7205.545.564517430.75B10.7307.867.915359621.13C12.63010.2610.3461912381.571000A1309328804.344.3668910300.9240.58755AB10.7325.905.9284513940.81B12.6327.827.87100318051.13C12.6409.409.46116123221.411200A15010.73010604.134.14117717661.2860.55755AB12.6305.565.58141223300.76B12.6457.897.93166830021.14C112.6509.549.60196239241.26C212.6601077.49.529.60196239241.52750注：主筋选用标准强度为1420Mpa（带者为1570Mpa）的螺旋槽钢棒；表中Dp为主筋中心位置直径；管桩的抗裂弯矩和极限弯矩除700、1200按日本标准JISA 5337取值外，其余按国家标准GB 13476取值；拼接桩可根据设计要求选用；根据供需双方协议，也可生产其它规格、型号、长度的管桩。PHC桩的结构示意图见图3.2-1。 图3.2-1 PHC桩结构示意图3.3 PHC桩的制作工艺PHC桩生产工艺中对混凝土性能影响最大的是离心成型和养护工艺。3.3.1 离心成型混凝土拌合物在离心力的作用下，能挤出大量空气和水分，体积缩小，单位密度增加，并降低了混凝土拌合物的水灰比，从而使混凝土的强度和密实性得到显著提高，但在离心过程中会产生所谓外分层和内分层现象，这对混凝土的均匀性会产生较大的影响。外分层现象的特征是使管桩外壁的混凝土特别致密，而内壁的混凝土相对疏松，并会形成一层浮浆层。在澳门机场联络桥供桩时，澳门土木工程实验室取样试验结果为：靠外层94MPa，靠内层76MPa，平均85MPa，与当时出厂强度报告84MPa仅相差1MPa(当时混凝土抗压强度试验方法是离心圆筒体试件)。虽然没有了解其具体试验方法，其试验结果似有一定的参考价值。这种外分层现象是由离心工艺本身决定的，生产者只能研究如何减小这种无法消除的工艺现象的分层差异。外分层现象固然对混凝土均匀性不利，但这种分层破坏了混凝土的毛细通道，在某种条件下对混凝土的耐久性却是有利的，其一层致密的外壳应该说是抗渗、防腐的好材料。内分层现象是由单向旋转使混凝土拌合物各组份迎单一方向运动引起的，从亚微观的角度看，集料运动方向的背面往往会形成一层极薄的水膜，可溶于水的Ca(OH)2滞留其间，从而影响了水泥石与骨料界面之间的粘结力。其实其它密实成型方式也不同程度存在这种现象。对PHC桩生产工艺来说，掺加一定量的硅质材料，通过高压蒸养，使其产生二次火山灰反应，则可有效解决内分层产生的不利影响。3.3.2 二次蒸养PHC桩目前基本上均采用二次蒸养工艺，即常压蒸养达到放张强度脱模后再进行高压蒸养。(1)常压蒸养常压蒸养目前主要应注意的问题是:在掺合料得到普遍推广应用的情况下，由于微活性(在常温下甚至是惰性)掺合料对混凝土早期强度影响很大，常压蒸养工艺参数(静停、升降温梯度、温度、时间等)一定要根据所选用的掺合料品种和掺量，经过试验验证后确定。(2)高压蒸养高压蒸养现定的工艺参数应严格控制。根据日本的经验，温度为180，压力可在0.851.0MPa。如果低于这一规定参数，高压蒸养的效果会急剧下降，如果高于这一规定参数，效果也不会有多大提高。高压蒸养除众所周知的起早强和增强作用外，以下几个特点似也已成定论:a）1天即可获自然养护28天龄期的强度；b)与在水中养护的混凝土相比，干缩率可小1/2；c)可增强混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力；d)可避免混凝土产生干缩裂缝。因此，高压蒸养的预应力构件生产周期短、徐变变形小、耐久性好，更适合于海工建筑。4 两种桩的比较大量的工程实践充分证明了这两种桩型强大的生命力和适应性。在实践中也感觉到两种桩型确实具有各自的特点和各自的适应范围。4.1 两种桩比较两种桩异同见表4.1-1。相同点大管桩PHC桩混凝土混凝土预应力预应力管桩管桩     不同点直径12001400cm3001200cm混凝土强度等级C60C80混凝土分层现象轻微严重水灰比0.30.3预应力施加方法后张法先张法管节长4m最大55m成型工艺离心、振动、辊压高速离心养护蒸养加水养蒸养加高压蒸养出厂龄期28d出高压釜1d预应力钢筋钢铰线钢棒接头预应力筋统长, 粘结剂粘接预应力筋与管节同长,端板焊接供货状态整桩整桩或管节劳动生产率稍低高相对而言,大管桩混凝土强度低,但混凝土的均匀性比PHC桩好,脆性也比PHC桩小。其次是接头问题。PHC桩的接头形式既适应工地现场焊接,也可在工厂拼接,而大管桩只能在工厂拼接,沉桩施工过程中无法拼接,陆上接桩和浅滩水上接桩就只能选用PHC桩。再其次是经济指标问题。由于PHC桩劳动生产率高,相应价格较低。5 结语这两种管桩在国内外工程实践中充分发挥各自的优势，展示了旺盛的生命力。笔者认为桩与上部结构的根本区别在于桩要通过锤击等手段就位，上部构件只需要通过吊运安装就位，选用管桩产品时宜熟悉管桩产品的特点、性能，并充分考虑地质条件、沉桩方法等因素，防止因质量过剩或质量不足造成不必要的损失。