预应力空心方桩与管桩的对比分析

2
【参考文献】 1、国家行业标准 JC/T 2029-2010 《预应力离心混凝土空心方桩》 2、国家建筑标准设计图集 08SG360《预应力混凝土空心方桩》 3、国家标准 GB50010-2010《混凝土结构设计规范》 4、国家标准 GB/T5223.3-2005《预应力混凝土用钢棒》 5、国家行业标准 JC/T540-2006 《混凝土制品用冷拔低碳钢丝》 6、国家规范 JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》 7、国家标准 GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》 8、日本标准 JISA5337《先张法离心成型高强混凝土管桩》 9、中南地区工程建设标准图集 12ZTG208《预应力混凝土空心方桩》
2 2 2 4
对于空心方桩，在 2012 年 5 月发行的中南标 12ZTG208《预应力混凝土空心方桩》中给 出空心方桩的抗剪承载力设计值 Qp 的计算公式，并列出各规格方桩的抗剪承载力，其中计算 公式如下： Qp=Vcs+Vp=0.7ftbho+fyvAsv.sina.ho/s+0.05σ poAp 式中 ft— 混凝土轴心抗拉强度设计值（2.22 N/mm ） ； fyv—箍筋抗拉强度设计值（320 N/mm ） ho — 空心方桩的有效高度；
预应力空心方桩与管桩的对比分析
谈维汉（高级工程师 13928871382） 【摘要】 ： 本文介绍了预应力离心混凝土空心方桩与先张法预应力高强混凝土管桩的差异， 并分析了方桩的优势。 【关键词】 ：方桩优势标准管桩 预应力离心高强混凝土空心方桩（以下简称“方桩”）的出现，使得传统的预制桩行业又 多了一个很好的选择，在华中、华北、东北等地区已经大量使用，并取得了很好的社会和经 济效益，但部分地区的建设和设计、施工单位对这种新的产品还不是很了解，对使用方桩仍 存在疑惑，本文将对方桩和先张法预应力高强混凝土管桩（以下简称“管桩”）作一些简单的 比较，以供大家参考。 一、桩型对比 管桩的横截面是圆环形的，纵向钢筋位置也是圆形布置；而方桩则是外方内圆的形状， 纵向钢筋位置采用方形的布置，分别见图 1，图2 2
Asv —箍筋截面面积（mm ） Ap— 纵向预应力钢筋截面面积（mm ）
σ po—预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力(N/mm ） 地震的破坏力主要来自于其产生的水平剪切力，因此桩的抗剪承载力越高，其抗震性能 更优越，但由于管桩标准中没有给出相关的数据，我们暂不进行此项对比。 六、桩节的连接分析 从前面的分析中我们已经知道，方形的周长比同混凝土用量的管桩外周长要大，同样桩 节间焊接的长度也更大， 从上面的计算可知 450 （260） 方桩的外周长比 Φ500 管桩大 14.65%， 相应地其焊缝长度也加长了 14.65%，桩节的连接强度也就相应大大提高了，从而充分保证了 每节桩之间的有效焊接强度，大大减小了管桩在施工中出现的接头脱焊或移位现象，避免了 管桩在小应变动测时常出现的不合格现象（连接处出现断裂症状），使沉桩质量更有保证。 七、结束语 从以上的对比分析我们不难看出，方桩在力学性能和经济节能上确实有其独特的优势， 无论对建筑物的安全性还是投资的合理性，都更为优越。目前方桩在华南地区还没有得到推 广应用，主要是由于生产厂家少、地方标准制定滞后以及设计、建设和施工等单位对这种产 品的不了解造成的，随着方桩的使用增多，相信会对预制桩行业产生很大的促进作用。
pc
+ 2Φ σ t) - σ
4 4
2
2 pc
/So
3 3 3
式中：t — 有效截面高度(mm)，取理论厚度减 5mm 计算； Φ — 系数，取 0.5 I — 截面惯性力矩 I=π (d -d1 )/64 (mm ) So—截面静矩 So=(d -d1 )/12 (mm ) τ —产生斜拉裂缝时的剪切应力(N/mm ) σ pc—混凝土有效预压应力(N/mm ） σ t— 混凝土抗拉强度，取值 5.39 N/mm
1 整理得：B=√0.785[D2-(d2-dp2) ----○
管桩与方桩桩身外周长计算： Ug=������D Up=4B
把式代入则得：Up=4√0.785[D2-(d2-dp2) 若：管桩和方桩的内孔直径相等，即 d= dp 则可得：Up=3.544D=1.129Ug，即：相同内孔直径、相同截面积的前提下，方桩的外周长 是管桩外周长的 1.129 倍，也就是说，在相同地质条件的场地里，在相同混凝土用量的情况 下，方桩能提供的桩周摩擦力比管桩大 12.9%，在端承力一样的情况下，方桩能提供的总承 载力肯定也比管桩大。 我们用 Φ500x125 管桩和 450(260)方桩来作个对比 桩型 管桩 方桩 外直径(边长) （mm） 500 450 内孔直径 （mm） 250 260 比例 截面积 （mm2） 147187.5 149434 1.015 截面外周长 （mm） 1570 1800 1.1465 说明 450x450 方桩的 摩擦承载力比 D500x125 管桩 大 14.65%
图 1 管桩横截面图 2 方桩横截面 从图中可见，两者的截面形式有很大差别，当然在结构受力和力学性能上也会所不同。 二、竖向承载力分析 预制桩的成桩方式有锤击沉桩、静压沉桩、引孔植桩等多种工法，但其竖向承载力都是由桩 周摩擦力和桩端承载力两部分组成， 在相同地质条件的场地里， 在相同混凝土用量的情况下， 其桩端承载力是相同的，要达到更高的竖向承载力，则要求桩与土层更大的接触面积，产生 更大的摩擦力。 假设管桩和方桩的截面积相等（相同混凝土用量） ，即： Ag=������(D2-d2)/4 Ap=B2-������dp2/4 Ag= Ap
从表中计算可见，管桩承台体积是方桩承台体积的 1.235 倍，也就是说相同承载力的情 况下，使用管桩的承台比使用方桩的承台造价要高出 23.5%。若平均桩长 20 米，则单个四桩 承台的总桩长为 80 米，按照钢筋混凝土的市场造价 900 元/立方计算，管桩承台要增加造价 （6.25–5.0625）x 900=1069 元，分摊到桩的价格上，则每米桩的成本增加 1069/80=13.4 元。 五、抗剪强度和抗震分析 在国家标准 GB13476-2009 及国家图集 03SG409 中都没有明确管桩的抗剪承载力计算方法， 也没有给出管桩的抗剪承载力数据。 一般只能参考旧的日本标准 JISA5337 中的计算公式来估 算,其中管桩的抗剪强度计算公式如下： Q = 2tIτ /So = tI√(σ
三、抗弯性能的分析 由于管桩和方桩的截面形状差异，其截面惯性矩也就不同，圆形的截面惯性矩计算公式 是 Wg=������D4/64，管桩圆环形的截面惯性矩计算公式是 Wh=������(D4-d4)/64，矩形的截面惯性矩计 算公式是 Wj=bh4/12，方桩的截面惯性矩计算公式是 Wp=B4/12- ������dp4/64。在不考虑钢筋作用 的前提下，构件的抗弯能力与截面惯性矩是成正比的，也就是说方桩的结构抗弯性能是比管 桩好，用小一个规格的方桩就可以与管桩媲美。同样以 Φ500x125 管桩和 450（260）及 500 （310）方桩对比，计算结果见下表： 内孔直径 桩型 外直径/边长（mm） （mm） 管桩 方桩 500 310 比例 500x125 450 250 260 截面惯性矩 （mm4） 2875x106 3193x106 4755x106 1.11 / 1.654
说明 450x450 方桩的截面 惯性矩比 Φ500x125 管桩大 11.0%； 500x500 方桩的截面 惯性矩比 D500x125 管桩大 65.4%。
根据国家标准 GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》与中南标 12ZT208《预应力离 心混凝土空心方桩》的规定，Φ500x125 管桩和 450（260）方桩（AB 型）的抗裂弯矩和极限 弯矩基本相当，完全可以取代使用，而 500（310）方桩（AB 型）的弯矩则比 Φ500x125 管 桩大 50%左右，见下表： 桩型 Φ500x125 管桩 AB 型 450(260)方桩 AB 型 500(310)方桩 AB 型 抗裂弯矩(kN.m) 121 146 181 极限弯矩(kN.m) 200 242 276
四、承台造价分析
从以上分析可以看出，在实际应用中，我们可以用小尺寸的方桩来代替大尺寸的管桩， 例如：用 450(260)方桩代替 Φ500 管桩。根据国家规范 JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》的 要求，建筑用桩的桩矩为 3.5d~4d。
我们按四桩承台 （假设承台厚度都为 1.0 米） 来计算， 承台混凝土方量的计算结果如下： 桩中心距 四桩承台的边长 四桩承台的体积 体积比例 使用桩型 4D/4B (m) 6D/6B(m) 36D2/36B2(m3) Φ500 管桩 AB 型 450(260)方桩 AB 型 2.00 1.80 2.50 2.25 6.25 5.0625 1.235 1.0