关于混合配筋管桩弯曲试验及挠曲强度修正计算的研究

为日常建筑提供更稳固的地基

桥梁、港口和高层建筑都依赖埋藏于地下的深基桩。许多此类基础采用称为管桩的空心混凝土柱，它们不仅要承受竖向荷载，还要抵抗来自风、海浪和地震的横向力。本文探讨了一种使这些埋入支撑在弯曲时更安全、而非脆性断裂的实用方法，并提出了一种经过改进的工程师计算其可承受弯曲能力的方法。

为什么有些桩会开裂并失效

现代工程常用预应力高强混凝土（PHC）管桩。这些空心管在工厂离心浇筑，使混凝土致密并提高强度，然后用高强度钢丝进行预紧，使其处于受压状态，从而非常擅长承载竖向荷载。然而，当强烈的横向力作用时，PHC管桩容易在弯曲较大的近地面部位出现裂缝甚至破坏。这种脆弱性限制了它们在某些高要求工程中的使用，例如深基坑或地震区，在这些场合既需要强度又需要韧性。

通过增加钢筋提高桩的延性

为了解决这一问题，研究人员试验了一种新型桩：预应力配筋混凝土（PRC）管桩。这类管桩保留了原有的预应力钢丝，同时在混凝土壁内增加了一圈普通钢筋。在实验室中，他们将四根PRC管桩与两根传统PHC管桩进行了对比试验，所有试件均为九米长并采用超高强混凝土。试验按控制步骤弯曲桩体，记录首次出现裂缝的时刻，追踪裂缝的扩展与宽度变化，并测量桩在破坏前的最大挠度。

新型桩在应力下的表现

行为差异非常明显。增加配筋的桩比传统桩的抗弯承载力高出36%至51%。PRC桩不是形成少数宽裂缝，而是出现更多且较细的裂缝，且裂缝保持相对较窄，这表明额外的钢筋将混凝土握住并分担拉应力。它们在破坏前的弯曲也更大，意味着吸收了更多能量并给出更明显的预警，而不是突然断裂。增大所加钢筋直径还能进一步提升性能，略微提高极限弯矩和桩体能承受的最大侧向挠度。

重新思考工程计算方法

这类桩的设计规则依赖于在破坏临界状态下混凝土受压区的高度。现有公式估算该受压区并据此预测极限弯曲强度。但以往试验表明，混合配筋桩的计算强度常常低于试验结果，导致设计过于保守而浪费材料。在本研究中，团队在弯曲试验中直接测量了混凝土的应变，用以确定实际受压区高度，并将这些实际值与理论值进行了比较，进而引入了一个新的系数η，以更好地把实际受压面积与公式假定联系起来。

更精准的预测带来更安全、更经济的设计

通过建立η与现有受压参数之间的简单关系，作者对用于计算混合配筋管桩极限抗弯能力的标准公式进行了修正。当他们将修正公式与来自本研究及既往研究的95件试验桩进行对比时，改进后的公式与试验结果更为一致且离散度更小，同时仍保持合理的安全裕度。对非专业读者而言，这意味着工程师可以设计更精简或更高效的桩体，在极端弯曲工况下仍保持安全，从而在不牺牲可靠性的前提下节省混凝土和钢材。额外配筋与更好的预测工具相结合，使我们更接近既强壮又在受力时更具韧性的地基设计。

引用: Liu, X., Men, S., Wang, W. et al. Research on bending tests and modified calculation of flexural strength for hybrid reinforced pipe piles. Sci Rep 16, 8241 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38392-z

关键词: 管桩, 混凝土基础, 结构弯曲, 配筋设计, 结构延性