一、先张法预应力混凝土空心方桩的种类与规格

先张法预应力混凝土空心方桩是以预应力钢筋和高性能混凝土为主要材料，采用先张法预应力离心成型工艺，并经过蒸汽养护，制成的一种空心方型混凝土预制构件。根据混凝土强度等级可分为预应力高强混凝土空心方桩（国标为PHS，沪标、苏标、津标则为HKFZ），预应力混凝土空心方桩（国标为PS，沪标、苏标、津标则为KFZ），外边长250〜1000mm先张法预应力混凝土空心方桩的抗弯性或有效预压应力分为A型、B型、AB型、C型，单节长度7〜30m。小口径先张法预应力混凝土空心方桩（边长<450mm）主要用于工业与民用建筑、铁路、公>450mm）则主要用于港口、码头、大跨度桥梁、船台船坞、取排水系统等建筑物基础。

二、先张法预应力混凝土空心方桩的优点

1. 同预应力管桩比较

同预应力管桩相比，先张法预应力混凝土空心方桩能够降低建筑成本、能耗，更符合国家节能减排政策。其优势主要表现在以下几个方面。

1.1 主要性能一致时，先张法预应力混凝土空心方桩比管桩更节约材料。基础承载力是预制桩性能的主要指标，基础承载力由端阻力和侧摩阻力组成，在软土地区中侧摩阻力发挥主要作用，通常占基础承载力的70%以上。根据《建筑桩基技术规 范》（JGJ94-2008），在工程地质情况相同的条件下，侧摩阻力同桩身侧面积成正比。在实体形状的横截面积相同时，圆的周长最小，方形周长最长，即方形的侧面积更大。反之，在相同侧面积下，方形的体积相对于圆形要小，因而在性能一致时先张法预应力混凝土空心方桩用材低于管桩，具有较高的性价比。与管桩相比，在基础承载力基本一致情况下，平均节约混凝土16.41%、钢材15.9%，而混凝土和钢材的使用成本通常占到成品桩的60%以上，因此先张法预应力混凝土空心方桩相比管桩耗材更少。此外，先张法预应力混凝土空心方桩能够节约承台基础的造价，以建筑中 最常使用的四桩平台为例，使用先张法预应力混凝土空心方桩在建筑施工中也可以节约承台钢筋混凝土约41.16%。

1.2 用材相同时，先张法预应力混凝土空心方桩性能比管桩更优。与用材相同的管桩相比，先张法预应力混凝土空心方桩侧摩阻力提高27.39%以上，抗震性能更强，抗裂弯矩提高30.67%以上、刚度提高48.83%以上。由于先张法预应力混凝土空心方桩的性能更好，并在抗震设计方面具有比管桩更强的优势，提高了建筑物的安全性。

1.3 施工方便。先张法预应力混凝土空心方桩具有施工破损率低的优点，高强度混凝土和方形的头部在角部混凝土厚实，使得先张法预应力混凝土空心方桩在施工中比管桩桩头破损率低很多。方形比圆形更大的焊接周长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，使沉桩质量更优。由于环保的要求，预制混凝土桩施工主要使用静压法，静压法施工又可以根据施加静压力方式的不同分为顶压法施工和抱压法施工两种类型。先张法预应力混凝土空心方桩适用于各种施工方式。而管桩由于桩身存在一定的椭圆度，采用抱压施工时易出现桩身抱碎事故。

1.4 易于堆放和运输，大大减少安全隐患。管桩由于圆形外表易滚动，不易于堆放和运输，也往往容易引起安全事故。先张法预应力混凝土空心方桩则克服了该问题，其方形外表使得先张法预应力混凝土空心方桩更容易堆放和运输，减少安全事故的发生率，同时堆放节省场地。

1.5 挤土效应更低。在满足相同技术性能情况下先张法预应力混凝土空心方桩桩径小，或者桩径相当但用桩数量少，减少了挤土量，在城市建筑密度较高的情况下，先张法预应力混凝土空心方桩较其他预制桩型挤土少，减少了施工对周边建筑地基的影响。

2. 同实心方桩比较

2.1 质量优。实心方桩混凝土强度低，一般情况下不超过C40。而且实心方桩的生产过程为纯手工操作，包括混凝土搅拌、喂料、振捣、绕笼等，人工操作的不稳定性，决定了其质量波动大，在运输及施工中的破损率极高。

先张法预应力混凝土空心方桩从混凝土的搅拌开始包括喂料、离心、绕笼、蒸养等，全部为机械化作业，并且先张法预应力混凝土空心方桩混凝土强度高，能够达到C60以上，承载力比较大，所以先张法预应力混凝土空心方桩的自身成桩质量较好，在运输及施工中的破损率极低，远小于实心方桩，能充分保证工程质量。

2.2 节约混凝土和钢材。先张法预应力混凝土空心方桩结合了管桩的先进生产工艺与实心方桩的外形特点，不仅其本身的性能优于实心方桩，而且节约混凝土和钢材。

2.3 工期短。实心方桩成桩后需要养护28天以上方可使用，而先张法预应力混凝土空心方桩采用先进的养护方法，采用压蒸方式养护产品只需1天，普通蒸汽养护产品7天即可使用，大大提升了产品的生产效率。

2.4 接桩便捷。实心方桩由于自身的接头方式繁琐，接桩时间比较长，且接头质量差。而空心方桩接头方式简单，接头质量保证率高。实心方桩抗裂性能差，施工起吊繁琐困难。先张法预应力混凝土空心方桩抗裂性能好，施工起吊简单便利，施工速度快。

三、先张法预应力混凝土空心方桩的生产工艺

空心方桩生产工艺与现有的管桩生产工艺基本相同，主要不同点为：采用与空心方桩钢模模具相配套的近似方形的钢筋骨架，成型用的模具内截面呈正方形结构。同时传统方桩均采用四边直角形式，导致在桩材运输和桩基施工时四角混凝土容易大面积磕落，影响施工质量和建筑物的使用寿命，而先张法预应力混凝土空心方桩桩身采用应力消除圆弧角，四边角不对称应力消除弧，解决了直角带来的有关问题，提升 了先张法预应力混凝土空心方桩的桩身质量和生产效率。具体生产工艺见图1。

图1 先张法预应力混凝土空心方桩生产工艺流程图

3.1 混凝土原材料的计量、搅拌。根据设计好的配合比，将砂、石、水泥、水、外加剂和掺合料等经精确计量，用混凝土强制式搅拌机制成3〜5cm的低坍落度的新拌混凝土，设计要求混凝土强度等级不低于C60或C80。

3.2 空心方桩端板制作。与管桩端板制作基本一致，但方桩的端板外形是方形的，且预应力主筋的沉孔沿端板四边、角均匀分布。端板安装前，四周需焊接厚度为1.5〜2mm的薄钢板制作成的方形桩套箍。

3.3 骨架制作。预应力主筋采用低松弛型的预应力混凝土用钢棒，需要精确定长、切断、镦头；螺旋筋采用直径4〜6mm的低碳冷拔钢丝；根据空心方桩结构配筋特点，方形钢筋骨架采用专用的方桩骨架自动焊接机加工。

3.4 安装钢筋骨架。将制作好的钢筋骨架、方形端板（已焊套箍）放置于空心方桩的钢模具内，并与预应力钢筋锚固板、张拉板、张拉杆等连接。

3.5 混凝土布料。按每根空心方桩的用量要求，将新拌混凝土沿模具均匀填满下半模，在张拉一端尽可能多布一些混凝土，现在很多生产企业都采用计算机控制。

3.6 合模。将空心方桩上半钢模吊至下半钢模上方，并用螺栓将上下两半钢模固定，以确保模具在高速空心作业过程中不松动和混凝土不漏浆。

3.7 预应力张拉。采用千斤顶式的张拉机对合模后的空心方桩钢筋骨架进行整体张拉，张拉至钢筋强度的70%后，用大螺母将张拉杆固定在钢模具上。

3.8 离心成型。将上述张拉锚固后的带模空心方桩吊至离心机上方，按初速、中速、中高速、高速的离心速度逐级加速，离心时间一般为10〜18min。通过离心密实成型工艺，使新拌混凝土沿空心方桩的模具四周均匀密实。离心结束后，将张拉端抬高，倾倒离心过程中产生的废浆水。

3.9 初级蒸气养护。将离心成型后的带模空心方桩吊至常压蒸气养护池（坑）内，静停1〜2h，缓慢升温至9 0〜100°C，常压下养护4〜8h，使混凝土强度达到40MPa以上。

3.10 高压蒸养。设计混凝土强度等级为C80以上的空心方桩，需将脱模后的空心方桩再进入高压釜进行高温蒸气养护，最高温度为180〜200°C，饱和蒸气压力为1.0MPa，养护时间8〜12h，使混凝土强度达到80MPa以上。经高压养护后的管桩可以直接出厂。

四、先张法预应力混凝土空心方桩的实际应用效果

在实践中，先张法预应力混凝土空心方桩能够降低工程造价。以上海松江区大学城某小高层住宅楼、上海浦东新区高行镇某多层住宅、上海三林01街坊二期多层住宅为例，建筑基础造价平均可节约13.9%。通过上海裕花园桩基项目与建滔裕花园千灯一期桩基项目相比较，400mm的先张法预应力混凝土空心方桩每米价格比500mm的管桩每米节省10元。象山和园项目经过试桩和静载试验，边长为450mm预应力混凝土空心方桩的单桩竖向极限承载力均达到3500KN以上，超过设计值要求的2500〜3000KN，而且实际施工中采用静力压入，噪音较小，施工速度快，一台静压桩机每天可压入500m以上的桩，挤土效应也在可承受范围内，对周边建筑的影响不大。

稍显不足的是，目前先张法预应力混凝土空心方桩仍在推广阶段，生产企业较少，产能不足，导致供桩速度较慢，有时满足不了施工进度的需要。