PHC管樁抗彎承載力研究

周 安， 劉小樂， 陳 凱， 王 珺

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230009）

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁承載力高、樁身質(zhì)量易于保證、施工速度快、工期短、造價(jià)低、施工現(xiàn)場文明整潔，與預(yù)制類、沉管類的實(shí)心樁相比，預(yù)應(yīng)力管樁可以使土涌入樁內(nèi)，擠土效應(yīng)較小，并且樁身的整體剛度也比普通的預(yù)制樁有很大的提高。在實(shí)際的工程中，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁特別是預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）得到了充分的發(fā)展和推廣［1－3］。但是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁存在水平承載力低、抗震性能差的不足，僅用于6度、7度以下抗震設(shè)防的豎向承載基礎(chǔ)［4］。

近年來，針對(duì)管樁抗彎性能的試驗(yàn)研究越來越多［5－6］，與管樁相關(guān)的有限元研究主要集中在樁土效應(yīng)［7］和抗剪性能［8］上，關(guān)于管樁抗彎承載力的有限元研究還比較少。本文對(duì)2根PHC管樁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)管樁的抗彎承載力進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 PHC管樁抗彎試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)完成了2根PHC樁（B型和AB型各1根）的抗彎承載力檢測。管樁的混凝土等級(jí)均為C80，具體配筋情況和截面尺寸如圖1所示（單位為mm）。

圖1 管樁配筋情況和截面尺寸圖

試驗(yàn)依據(jù)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［9］，采用簡支梁對(duì)稱加載裝置。應(yīng)變測點(diǎn)布置在管樁純彎段最下緣，如圖2所示（單位為mm）。

圖2 管樁加載示意圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)加載初期，預(yù)應(yīng)力混凝土首先進(jìn)入彈性階段，此時(shí)管樁混凝土中應(yīng)變和應(yīng)力成線性關(guān)系。隨著荷載的增大，在純彎段底部出現(xiàn)第1條豎向裂縫。隨著荷載的不斷增大，不斷有新的豎向裂縫產(chǎn)生，繼續(xù)加載，在剪彎端出現(xiàn)斜裂縫。斜裂縫由管樁底端向加載點(diǎn)延伸，主要集中在加載點(diǎn)附近，靠近支座的地方很少。超過檢驗(yàn)極限彎矩后，不再有新的裂縫產(chǎn)生，裂縫寬度及長度不斷增大，撓度急劇增加，管樁進(jìn)入破壞階段。當(dāng)最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm時(shí)，認(rèn)為管樁達(dá)到了極限狀態(tài)，停止加載。終止加載時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋并沒有屈服，受壓區(qū)混凝土沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形。緩慢卸載后，由于預(yù)應(yīng)力筋的作用，管樁的樁身裂縫能基本閉合。

由整個(gè)試驗(yàn)過程可以看出，試驗(yàn)管樁從彈性狀態(tài)到極限狀態(tài)，沒有經(jīng)歷明顯的塑性階段，在達(dá)到極限狀態(tài)前塑性變形比較?。贿_(dá)到極限狀態(tài)時(shí)受壓區(qū)混凝土并沒有被壓碎，預(yù)應(yīng)力鋼筋沒有屈服，破壞狀態(tài)由裂縫控制。

B型樁在開裂階段受拉區(qū)混凝土應(yīng)變隨荷載變化的曲線圖如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)加載到648.5kN·m時(shí)，3#的應(yīng)變值有明顯的突變，管樁混凝土開裂。

圖3 B樁開裂階段荷載－應(yīng)變曲線

AB型樁在開裂階段受拉區(qū)混凝土應(yīng)變隨荷載變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)加載到494.4kN·m時(shí)，1#的應(yīng)變值有明顯的突變，管樁混凝土開裂。

管樁的裂縫主要分布在純彎段及其附近3m范圍內(nèi)。B型樁的裂縫如圖5所示。

圖4 AB樁開裂階段荷載－應(yīng)變曲線

圖5 B樁破壞時(shí)管樁裂縫圖

試驗(yàn)具體對(duì)比結(jié)果見表1所列。由表1可以看出，開裂彎矩和極限彎矩的實(shí)測值均大于規(guī)范規(guī)定的檢驗(yàn)值，2根試驗(yàn)管樁的抗彎性能均能滿足規(guī)范要求，都有一定的富余度，最大富余度為18%。

表1 管樁試驗(yàn)結(jié)果

2 數(shù)值模擬

2.1 管樁有限元模型

本文有限元模擬采用整體式模型，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移，采用初應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力。混凝土單元用Solid65單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元用Link8單元。

混凝土的本構(gòu)關(guān)系可以分為線彈性、非線彈性、彈塑性及其他力學(xué)理論等。在混凝土結(jié)構(gòu)有限元研究中，彈性分析時(shí)常使用線彈性理論和非線彈性理論，塑性分析時(shí)則常用彈塑性理論。

由抗彎試驗(yàn)可知，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，管樁受壓區(qū)混凝土沒有被壓碎。文獻(xiàn)［10］中提到97%的管樁是受拉區(qū)混凝土裂縫達(dá)到1.5mm而被認(rèn)為破壞，受壓區(qū)混凝土均未被壓碎。本文采用線彈性理論，不考慮混凝土被壓碎。對(duì)于管樁極限狀態(tài)的確定，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋是否達(dá)到屈服來判斷。

本文使用的C80混凝土材料抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值ftk為3.11N／mm2，抗 壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck為50.22N／mm2，彈性模量Ec為3.8×104N／mm2，泊松比λ為0.2。通過查閱文獻(xiàn)［11－12］可知，混凝土的開放裂縫和閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)分別取0.3和0.9。

管樁中的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的是混凝土用預(yù)應(yīng)力鋼棒，其力學(xué)性能如下：非比例伸長應(yīng)力不小于1 275N／mm2，抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值fptk不小于1 420N／mm2，伸長率不小于5%，彈性模量為2×105N／mm2。

有限元模型中預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈性模型，即在屈服前（應(yīng)力小于1 420MPa）認(rèn)為其是完全彈性的，屈服后鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系簡化為一條水平直線。在管樁兩端加上30mm厚的鋼板以模擬錨固區(qū)。為了避免應(yīng)力集中，在指定支座和加載點(diǎn)盡量多地選取節(jié)點(diǎn)。管樁有限元模型如圖6所示。

圖6 管樁有限元模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

有限元模型建立完畢后，首先進(jìn)行預(yù)應(yīng)力荷載的計(jì)算，然后再添加集中力荷載，進(jìn)行開裂彎矩和極限彎矩的計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)打開大變形開關(guān)，采用全牛頓－拉弗遜計(jì)算方法，最大迭代次數(shù)取50，控制精度為0.05。

B樁和AB樁的混凝土預(yù)壓應(yīng)力模擬值分別為9.17MPa和6.50MPa，和表1數(shù)值接近。

2.2.1 開裂彎矩

考慮離心工藝放大系數(shù)后，輸入到模型中的C80混凝土抗拉強(qiáng)度值為5.91MPa。預(yù)應(yīng)力計(jì)算后，在加載點(diǎn)處施加集中力，再次進(jìn)行計(jì)算。B樁、AB樁開裂時(shí)混凝土的應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖7 開裂時(shí)混凝土應(yīng)力圖

由圖7可以看出，當(dāng)混凝土拉應(yīng)力達(dá)到5.91MPa時(shí)，管樁混凝土開裂。開裂荷載有限元模擬結(jié)果的具體數(shù)值見表2所列。

表2 開裂荷載有限元模擬結(jié)果

2.2.2 極限承載力

管樁破壞時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力云圖和混凝土主壓應(yīng)力如圖8、圖9所示。

圖8 B樁開裂荷載模擬結(jié)果

圖9 AB樁開裂荷載模擬結(jié)果

由圖8、圖9可以看出，管樁中純彎段受拉區(qū)最外側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力最大，最先達(dá)到屈服；而由管樁主壓應(yīng)力圖可知，此時(shí)純彎段受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力已接近抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因?yàn)椴捎美硐刖€性模型，所以壓應(yīng)力模擬結(jié)果會(huì)比實(shí)際值大。這和實(shí)際試驗(yàn)中管樁受壓區(qū)沒有被壓碎是吻合的。極限彎矩有限元模擬結(jié)果的具體數(shù)值見表3所列。

表3 管樁極限荷載模擬結(jié)果

由表3可以看出，2根管樁的極限彎矩模擬值和實(shí)測值都比較接近，且都略小于實(shí)測值。因此，有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

3 結(jié)束語

試驗(yàn)的2根PHC管樁的抗彎性能明顯優(yōu)于規(guī)范值，在彎矩的作用下，管樁達(dá)到極限狀態(tài)的標(biāo)志是裂縫寬度達(dá)到1.5mm，并且達(dá)到極限狀態(tài)后還有一定的承載力。在管樁抗彎承載力進(jìn)行的有限元研究中，對(duì)混凝土材料采用理想線彈性模型，把預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服作為管樁達(dá)到極限狀態(tài)的標(biāo)志，可以取得良好的結(jié)果。

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