预应力混凝土空心方桩设计简要介绍
1．简介
预应力混凝土空心方桩是专业工厂采用先张法预应力、离心成型和蒸汽养护等工艺制成的一种细长的外方内圆等截面预制混凝土构件，运至工地接长并沉入地下成为建(构)筑物的
基础。
预应力混凝土空心方桩按混凝土的等级强度及混凝土承载面的大小可分为KFZ 、HKFZ 、TKFZ ，分别为预应力混凝土空心方桩、预应力高强混凝土空心方桩、薄壁预应力混凝土空心方桩，其中TKFZ 主要用于以纯摩擦桩为主的地质，而HKFZ 主要用于高层建筑上或有高耐腐蚀要求的地质情况，KFZ 与TKFZ的混凝土强度等级为C60, HKFZ的混凝土强度等级为
C80。空心方桩的外边长主要在300x 300?1 000 X 1000之间，每50为一增量。单节桩长可从6m?60m 不等，每节桩之间通过特制的端头板进行连接，以满足不同的地质基础要求和设计承载力，接桩最长可达150m。[1]
空心方桩不适宜于在孤石和障碍物多、石灰岩地层、有坚硬隔层及从松软突变到特别坚硬的地层中施工，其适用的地层为流塑、软塑状态的软弱地基，持力层宜为粘土层、砂层、深埋基岩，以及强风化岩层或风化残积土层较厚的地层，尤其适用于软弱土层较厚的地基。
2．优点
桩身适宜的有效预压应力，不但可以防止空心方桩在搬运、吊装过程中产生裂缝，还有就是抵消沉桩过程中的拉应力。当然过高的预应力也会诱发纵向裂缝，并且有效预压应力愈高，桩的轴向承载力也会有所降低。
因为桩是空心的、开口的，所以压桩入土的过程中，土体能挤入桩孔内一定深度而形成土塞，甚至使桩口完全闭塞，因而其承载力跟同断面的钢筋混凝土方桩一样，同时节约了材料。另外，这种空心方桩在一些软弱土地基的工程中应用时，因为桩身开孔并能进一部分土，也在一定程度上减少了场地土的挤土效应以及对周边环境的影响。土质较硬地基工程中，通
过带桩尖解决沉桩问题。
空心方桩一般采用静压法施工，可以减少锤击造成的桩身拉应力，从而减少桩体配筋，也能减少环境燥声污染。
空心方桩比管桩有三点优越性:
(1) 外截面为方形比圆形更适宜堆放,空心方桩的方形截面比圆形更有利于接桩施工，还有就是在在
静压法施工中空心方桩不会像管桩那样容易被夹碎；
(2) 在相同面积的实体形状中，圆周长最小，即空心方桩截面的外周长一般比相同截面积的管桩的
周长大，可以通过简单的计算来说明。对于以侧摩阻力为主的摩擦桩和端承摩擦桩的桩型，空
心方桩占有优势；
(3) 相同的截面积，空心方桩比管桩的截面惯性矩大些。
3．设计计算方法[2]
在空心方桩中施加预应力主要为了运输、吊装过程控制裂缝产生，而基桩打入岩土中后，仅承受竖向荷载时，预应力不发挥作用。张拉控制应力取con 0.7 0.73 f ptk ，f ptk 为预
应力钢筋强度标准值。
2.1 预应力损失的计算
空心方桩考虑四种引起预应力损失的因素，包括张拉端锚具变形和钢筋内缩、混凝土蒸
汽养护、预应力钢筋的应力松弛以及混凝土的收缩和徐变。 当计算求得的预应力总损失值少
于 lOOMPa 时，取 100MPa 。
参考文献参考了 《混凝土结构设计规范》 以及《先张法预应力混凝土管桩》 中的有关条 文，本文
对于空心方桩的预应力损失和有效预压应力的计算进行研究得出以下公式。 ⑴张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失
I -张拉端至锚固端之间的距离
E s -预应力钢筋的弹性模量
A p -预应力钢筋的截面积 n'-放张时预应力钢筋和混凝土的弹性模量比
此项预应力损失值理论上为零
，实际计算中，一般考虑此项损失的数值为
15-40Mpa 。
45 280异
f cu
1 15
pc -受拉
(压)区预应力钢筋合力点处的混凝土法向压应力
f cu -放张时混凝土立方体抗压强度
-受拉(压)区钢筋的配筋率；对于对称配筋，配筋率按照总截面积的一半计算
a -张拉端锚具变形和钢筋内缩值，可取
a E
11
E s
l
1-3mm
(2)放张之后的预应力钢筋的拉应力
pt
pi
pt
pi -扣除ii 的预应力钢筋初始的拉应力
pi con I1
A c -混凝土的截面积
(3)混凝土蒸汽养护引起的预应力损失
13
(4)低松弛预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失
l4
当0.5 con /f ptk
°7
时,
l4
0.125 con / f ptk 0.5 con
当0.7
con / f ptk
0.8 时,
l4
0.2
con
/ f ptk
0.575
con
(5)混凝土收缩和徐变引起的预应力损失
l5
l5
pc pt
l3
A
P
A
2.2空心方桩的桩基竖向承载力和桩身结构承载力设计计算 (1) 桩基竖向承载力计算
对于计算桩的承载力一般采用“土壤力学方法” ，它的基本原理是：桩对下压荷载的总抗
力等于表面摩擦力和底端抗力两个分量之和。
参考文献估算方法是桩基规范采用的经验参数
法，即根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值。
Q uk Q sk Q pk u
q siJi q pk A j
A n
q sik -桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值 q pk -极限端阻力标准值 u -桩身周长
A j -桩端净截面面积
A n -桩端敞口(内腔)面积
l i -桩穿越第i 层土的厚度
-桩端土塞效应系数，其计算公式如下，采用封闭桩尖时取值为
1。
当入/d 5时， 0.16^/d 当 g/d 5 时， 0.8 式中，h b 桩端进入持力层的深度，
d 空心方桩的内腔直径
敞口部分的端阻力类似于钢管桩的承载机理， 引入入桩端土塞效应系数，借鉴《建筑桩
基技术规范》钢管桩的公式，就有上式。
(2) 桩身结构受压承载力设计值计算
桩身结构受压承载力就是桩身最大允许轴向承压力。
R p 0.85* f c ce * A
系数0.85源自试验成果。公式中引入 ce 使公式力学概念明确，
即有效预压应力越大， R p 值
越小，并且R p 计算值的安全度增加
桩身结构受压承载力设计值要不小于相应于承载能力极限状态下荷载效应基本组合单 桩所受的竖向压力设计值。当桩身结构受压承载力与桩土协同工作承载力相近时， 桩的设计
最经济。
pe
pt
l3 l4
l5
(7)混凝土有效预压应力
ce
A p
ce pe
pe
(6)预应力钢筋的有效拉应力
R p -空心方桩桩身结构受压承载力设计值
f c -桩身混凝土抗压强度设计值
ce -桩身混凝土有效预压应力
A -桩身横截面积
(3) 桩身结构受拉承载力设计值计算
桩身结构受拉承载力设计值应符合下式的规定，此时桩仅配置预应力钢筋。
N p f py * A p
N p -空心方桩桩身结构受拉承载力设计值f py-预应力钢筋的抗拉强度设计值
A p -预应力钢筋面积
桩身结构受拉承载力设计值要不小于相应于承载能力极限状态下荷载效应组合单桩所受的竖向拉力设计值。
桩身不允许开裂的情况下，受拉承载力还应进行如下计算
N pk ce f tk *A
N pk -空心方桩桩身结构受拉承载力标准值f tk -桩身混凝土抗拉强度标准值桩身结构受拉承载力标准值要不小于相应于正常使用状态下荷载效应组合单桩所受的
竖向拉力标准值。
3.空心方桩的抗裂弯矩和抗弯弯矩的设计计算空
心方桩截面特征值
面积A D d2弹性抵抗矩W1D4 3 d4
46D16
1 惯性矩J 1
2 D4
M cr ce 1 2 f tk
1，2，3-混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数，混凝土离心法强度增大系数艺系数)，制作偏差抵抗矩增大系数；为简化计算，其中1与2之积统一取为1.75，了旧混凝土规范矩形截面的取值3取为1，作为安全储备
ce -截面混凝土有效预压应力
W。-桩换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，可以简化计算为素混凝土截面，偏于安全(2)桩的抗弯弯矩计算
根据空心方桩的特点提出了几点假定条件：
(1) 受压区预应力钢筋不参与抗弯；
(2) 受拉区钢筋全部达到屈服；
(3) 受拉区的混凝土不参加工作；
⑷当混凝土受压区高度小于2a'时取为2a'，a'表面受压边缘的距离；
⑸桩截面配筋率适中或较低，但不宜小于0.35% ；
3 d4
16
(离心工也是沿袭
(1)抗裂弯矩计算
i f c Dx A P
i-系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0,当混凝土强度等级为C60时，取为0.98, 当混凝土强度等级为C70时，取为0.96，当混凝土强度等级为C80时，取为0.94，其间按线性内插法确定
f py-预应力钢筋抗拉强度设计值
桩正截面抗弯弯矩M u计算如下：
f py A pi h i
A pi -第i排受拉预应力钢筋的截面积
h i-第i排受拉预应力钢筋距离混凝土受压区外边缘的距离。
抗弯弯矩计算的几点假定条件也有充分的理论依据：
(1) 受压区钢筋对抗弯承载力影响不大；
(2) 预应力钢筋的预应力度比较高，张拉控制应力就是70%的钢筋的标准强度值，那么在
极限状态时可以认为受拉区钢筋全部达到屈服；
(3) 受拉区的混凝土不参加工作是混凝土构件设计的通常的假定；
(4) 混凝土受压区高度不小于2a'也是混凝土构件设计的通常的假定；
(5) 桩截面配筋率适中或较低，是为了保证不超筋，并且混凝土受压区高度在2a'附近，当然配筋率也不宜小于0.35%;
(6) 钢筋设计强度不考虑材料分项系数，因为过大的安全系数不适用于空心方桩。
4. 进一步研究内容
(1) 复杂受力状态分析
以上的公式仅是在纯弯作用下预应力混凝土空心方桩的强度条件和抗裂条件值，但对于
预应力混凝土空心方桩在其他复杂状态下如偏心受压，偏心受拉，轴心受压，轴心受拉等情
况，则就不知道强度条件和抗裂条件值，这就对于设计或施工中判断桩在复杂的受力状态下
是否满足强度和刚度条件带来困难。因此通过对各种受力状态：偏心受压、偏心受拉、轴心
受压、轴心受拉和弯矩进行强度条件和刚度条件的分析，得出了桩在各种受力状态下的力学
性能曲线，供设计和施工参考。
(1) 完善其他配套工作
空心方桩的价格、沉桩费用的组成需补充定额，以便工程造价有章可依。依据产品标准，完善国家级或省一级的图集，图集要有权威性。
(2) 新材料研究
研究磨细矿物掺合料在生产中的应用，包括磨细石英砂、磨细洁净建筑砂、优质粉煤灰、
碎石砂等。
(3) 新工艺研究
研究离心成形混凝土空心方桩的无浮浆工艺和离心混凝土余浆的综合利用。
(4) 新技术研究
加强空心方桩沉桩机械的开发，以液压大吨位，原地大角度转动可灵活移动为方向，适应场地的多变性，既可实施端部前置式液压又可中心顶压。
参考文献
［1］朱建舟.节能型预应力混凝土空心方桩的特性与应用?交流平台［J］，2006.［2］王广宇.预应力混凝土空心方桩成套技术研究.中国建筑科学研究院博士学位论文，2007.
［3］徐至钧，李智宇.预应力混凝土管桩基础设计与施工.北京机械工业出版社,2005
［4］方育平.预应力混凝土空方桩的力学性曲线.河港工程［J］，1995
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