黄春峰

中国铁路上海局集团有限公司，上海200071

表1 部分已通车铁路管桩应用情况

为了分析PHC管桩与承台连接的承载力，许多学者相继开展了相关研究。文献［11-12］对管桩的水平承载机理和管桩布置形式进行了研究；文献［13-14］对节点桩端在静力作用下的受弯、受剪性能进行了研究，发现管桩的破坏形态主要有桩身弯剪破坏和桩与承台连接节点受弯破坏两种；文献［15］通过PHC管桩与承台连接节点桩端往复荷载试验发现，在加载过程中桩端部位发生严重的受弯破坏。

本文依托沪苏湖铁路，通过有限元分析和试验研究高速铁路大直径管桩与承台的抗弯连接性能。

1 工程概况

新建沪苏湖铁路是一条连接上海、苏州、湖州的长三角城际轨道交通的高速铁路，在地质适宜的部分桥段，简支梁桩基应用了壁厚为130 mm、直径为1 m的AB型PHC管桩。根据墩高及地质情况，桩基设计了8φ1.0 m梅花型、10φ1.0 m梅花型和12φ1.0 m行列式型三种布置方式，桩长45~55 m。

2 管桩与承台连接方式

关于管桩与承台连接的传统设计方式，文献［2］给出了两种节点连接设计方法。

1）焊接连接钢筋法（图1）。在端板上直接焊接连接钢筋，或在端板上焊接连接钢板并在连接钢板上焊接连接钢筋。该种节点连接方法在大直径管桩的应用中存在较多问题：①现场焊接工程量大，且焊接质量不容易保证；②钢筋与端板的连接焊缝与钢筋受力方向垂直，会产生应力集中，容易撕裂。

图1 采用焊接连接钢筋法的节点设计

2）填芯法（图2）。在管桩内放置连接插筋并浇灌填芯混凝土。该方法存在的问题：①填芯混凝土的密实度及承台与管桩之间的连接性能直接决定了承台与管桩整体性的好坏，从而影响受力的传递；②受新旧混凝土及管桩内表面清洁度的影响，使用该方法时施工质量不容易得到保证。

图2 采用填芯法的节点设计

对部分已经通车的铁路项目PHC管桩基础与承台的连接方式进行调研，发现沪通铁路Ⅰ期、蒙华铁路、沪杭高铁均采用焊接钢筋法和填芯法的组合方法。

针对节点连接设计方法存在的问题，提出了一种改进的连接钢筋锚固方法——端板下预埋套筒的机械连接法（图3）。在管桩预制时将锚固套筒预埋在桩端板的固定螺栓孔下，根据受力情况决定是否预埋桩身钢筋。在施工现场，管桩沉桩就位后，直接将锚固钢筋拧入预埋套筒，并浇筑承台混凝土，实现管桩与承台的连接。

本研究中，患者术后6个月的植骨融合率较低，其原因可能在于：(1)结核患者一般营养情况较差，体质弱；(2)患者服药依从性较差，没有按照标准抗结核治疗方案服药；(3)患者过早下地活动或手术部位不稳定；(4)少数患者开始出现结核药物耐药。拟采取以下措施予以改进：(1)嘱患者及其家属加强营养支持；(2)充分同患者交流，告知规范服药的重要性及后果；(3)嘱患者尽量卧床休息，减少术区的过度活动，进一步加强术区手术固定的牢固程度；(4)及时发现、更换敏感抗结核药物。在今后的研究中，将围绕以上因素进行深入分析，充分明确影响胸腰椎结核手术患者早期植骨融合的危险因素，为促进胸腰椎结核手术患者的早期康复提供建议。

图3 预埋套筒法的节点设计

为了验证新型连接节点的可靠性，以传统焊接连接钢筋法的节点为对照组，开展现场足尺静力对比试验，研究不同连接节点在水平荷载作用下的受力性能。

3 水平推力试验设计

3.1 试件及地质条件

选取沪苏湖铁路2标段苏湖特大桥吴兴桥段281#、282#墩进行现场试验。共设计了2个足尺构件，两个构件的管桩及承台尺寸均相同，两根试验用桩均采用AB型PHC管桩，桩长57 m，且采用直桩形式。每根试验桩上均浇注一个2.5 m×2.2 m×1.5 m的承台，在桩端浇筑填芯混凝土。试件设计参数见表2。试验场地地质条件见表3。

表2 试件设计参数

表3 试验场地地质条件

3.2 试验方案

试验采用自平衡加载体系。在两试验构件承台间布置一个水平千斤顶，并通过分配梁和球铰对试验构件施加水平荷载，即采用“背对背互推”法进行试验加载，见图4。试验场地处于软土地区，为限制管桩在水平力加载时发生过大的水平位移，影响试验加载，在试验管桩外侧加设半圆钢垫板，两块垫板之间缠绕6圈φ20 mm的钢丝绳。试验加载采用单向多循环加载法，即每一级荷载施加后测读数据，然后卸载至零，再测读残余值，完成一个加载循环。当管桩与承台连接处出现破坏或者其他异常现象发生时停止加载。

图4 试验加载（单位：mm）

3.3 测试内容

为研究节点的静力力学性能，测试内容主要包括：加载值、管桩及承台水平位移、承台混凝土应变和连接钢筋应变。在千斤顶加载的端部设置压力计，通过压力传感器确定施加在管桩试件加载高度上的荷载。在两管桩试件之间固定布设一个2D激光测距仪（图5），在承台顶部和底部各布设一个位移传感器，分别测量水平推力作用下管桩及承台的侧向位移。

图5 位移计及激光测距仪布置（单位：mm）

在伸入承台的管桩周围混凝土内部预埋振弦式应变计，测量连接节点处承台混凝土应变，见图6（a）；在节点连接钢筋上布设钢筋应变片，测量分析连接节点处连接钢筋受力性能，见图6（b）。

图6 应变计和应变片布置（单位：mm）

4 试验结果分析

4.1 荷载-位移曲线

水平荷载作用下A1试件荷载-位移曲线见图7。由图7（a）可知，曲线呈典型的三斜率直线形式，荷载小于弹性状态临界荷载Hcr=230 kN，结构处于弹性状态，结构刚度较大；荷载为230~740 kN时，结构整体刚度明显降低，表明部分混凝土进入塑性状态，且该部分的钢筋开始逐渐受力；荷载大于极限状态临界荷载Hu=740 kN时，整体刚度再次降低，表明结构出现塑性铰而进入极限状态。由图7（b）可知，曲线斜率呈先减小后增大的趋势。在740 kN水平荷载作用下，承台底部与管桩端部侧位移几乎相等（约31 mm）；在900 kN水平荷载作用下，承台底部侧位移约45 mm，而管桩端部侧位移约35 mm。这表明荷载为740~900 kN时，由于管桩与承台连接节点出现剪切破坏，管桩端部及承台底部的两位移曲线开始分离，承台底部与管桩端部侧的位移差越来越大，管桩与承台连接的节点部位出现了较大的局部变形。

图7 A1试件荷载-位移曲线

水平荷载作用下A2试件荷载-位移曲线见图8。由图8（a）可知，A2试件临界荷载、极限荷载与A1试件接近。由图8（b）可知，曲线斜率呈逐渐减小的趋势。在800、900 kN水平荷载作用下，承台底部与管桩端部侧位移几乎相等，分别约42、54 mm。这表明荷载为800~900 kN时，管桩与承台连接节点并未出现明显的剪切破坏，两位移曲线未分离，承台底部与管桩端部侧的位移差接近零，管桩与承台连接的节点部位几乎没有出现变形。

图8 A2试件荷载-位移曲线

4.2 节点混凝土状态

承台内部管桩周围的混凝土名义应力-荷载曲线见图9。由图9（a）可知，当水平荷载达到700 kN时，A1试件的节点部位受拉侧混凝土（C1-4、C1-5、C1-6）名义拉应力达到2.0 MPa，节点混凝土受拉区大范围开裂进入塑性状态，此后混凝土塑性应变快速发展。由图9（b）可知，当水平荷载达到430 kN时，A2试件的节点部位受拉侧混凝土（C2-5）名义拉应力达到2.0 MPa，但受拉侧其余部位混凝土（C2-4、C2-6）最大名义拉应力不超过1.3 MPa，这表明节点区域的受拉塑性发展只是局部的，并未大范围开裂进入塑性状态。

图9 试件节点混凝土名义应力-荷载曲线

对比两个试件的节点受拉侧混凝土名义应力可知：①虽然直接焊接法的节点混凝土进入塑性状态的荷载水平大，但一旦进入塑性状态混凝土名义应力增长较快，承台与管桩交界截面迅速开裂；预埋套筒法的节点混凝土名义应力始终稳定增加，节点延性较大。②两个试件的节点部位受压侧混凝土最大名义压应力均未超过3.0 MPa，压区混凝土始终处于弹性状态。

4.3 节点连接钢筋状态

管桩试件节点受拉侧连接钢筋的应力-荷载曲线及极限状态下节点受拉侧连接钢筋的应力变化曲线分别见图10和图11。

图10 试件节点受拉侧连接钢筋应力-荷载曲线

图11 极限状态下试件受拉侧连接钢筋应力变化

由图10（a）和图11（a）可知，A1管桩试件的节点受拉侧连接钢筋焊接部位（S1-4）始终处于受压状态，连接钢筋（S1-5、S1-6）处出现拉应力，且在140 mm处连接钢筋拉应力达到70 MPa。这表明，直接焊接锚固的连接钢筋在其长度上受力不连续，连接钢筋在长度为0~100 mm段存在拉压应力转换区，受拉侧连接钢筋无法充分发挥其强度，连接钢筋的主要受力区域为100~250 mm，且连接钢筋长度不得短于30 cm（不含锚固长度）。由图10（b）和图11（b）可知，A2管桩试件节点受拉侧连接钢筋在长度范围内（S2-4、S2-5、S2-6）均处于受拉状态，且在管桩与承台交界部位（S2-4）处拉应力最大，可达53 MPa。这表明，预埋套筒锚固的连接钢筋在其长度范围内受力连续，有利于充分发挥受拉钢筋的强度，且连接钢筋长度不得短于20 cm（不含锚固长度）。

试件节点受压侧连接钢筋应力-荷载曲线见图12。可知，除部分测点外，受压侧连接钢筋基本处于受压状态，且随着水平荷载的增加，钢筋应力水平呈稳定上升趋势。

图12 试件节点受压侧连接钢筋应力-荷载曲线

对比图10和图12可知：①在结构极限状态下，A1试件节点受压侧连接钢筋S1-2处压应力约22 MPa，受拉侧连接钢筋S1-5处拉应力约70 MPa。这表明节点处截面的中性轴向受压侧出现了偏移，节点受拉区塑性发展迅速。②A2试件节点受压侧连接钢筋S2-1处压应力约42 MPa，受拉侧钢筋S2-4处拉应力约52 MPa，节点截面中性轴依旧处于截面形心附近，节点受拉区塑性发展不明显。

4.4 节点力学性能对比

对试验数据进行分析，对比两个管桩试件的节点受力性能，结果见表4。可知，预埋套筒连接试件A2的临界荷载250 kN大于焊接钢筋试件A1临界荷载230 kN，进入塑性状态后结构延性更好。

表4 节点力学性能对比

5 结论

1）在水平静力荷载作用下，与采用传统焊接钢筋法的节点设计相比，采用预埋套筒法的节点具有更高的水平荷载承载能力。该形式节点设计更符合强节点的结构设计原理。

2）采用传统焊接法的节点混凝土塑性开展迅速，结构应力增长快，结构延性差，而采用预埋套筒法的节点仅局部混凝土进入塑性状态，结构应力增长稳定，结构延性好。

3）传统焊接法的连接钢筋受力不连续，受拉侧连接钢筋在长度内存在压应力与拉应力的受力转换点，连接钢筋强度无法得到充分发挥；预埋套筒法的连接钢筋受力连续，受拉侧钢筋在其长度范围内均处于受拉状态，连接钢筋强度能够得到充分发挥。

本文仅讨论了管桩-承台节点在水平荷载作用下的受力性能，水平往复荷载作用下节点的抗震性能仍需进一步研究。