鋼管混凝土嵌巖樁力學(xué)性能研究綜述

張小龍, 邢 磊, 王 麗, 王多銀*

(1. 重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400074)

三峽蓄水成庫(kù)有效利用了內(nèi)河航運(yùn)資源，有力推動(dòng)了內(nèi)河航運(yùn)事業(yè),但同時(shí),內(nèi)河碼頭建設(shè)也因?yàn)閹?kù)區(qū)施工水位提升遇到了新的困難。鋼管混凝土嵌巖樁可以大大減小樁基枯水位期施工時(shí)間,從而在庫(kù)區(qū)工程中得到了廣泛應(yīng)用。重慶港區(qū)的眾多碼頭如寸灘港、果園港、新田港等均采用了這種結(jié)構(gòu)形式,并從最初的4跨5樁式逐漸向3跨4樁式發(fā)展,如圖1所示。

圖1 內(nèi)河大水位差框架碼頭結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.1 Structural profile of frame wharf with large water level difference in inland river

鋼管混凝土嵌巖樁主要由兩部分組成,即外部嵌入基巖較淺的鋼管和內(nèi)部嵌入基巖較深的鋼筋混凝土樁芯,該結(jié)構(gòu)形式可以有效減小樁基枯水位施工時(shí)間,結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼管最初僅被作為一種施工輔助工具,然而,由于鋼管的存在,樁芯混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，鋼管能夠提供均勻且連續(xù)的約束,相當(dāng)于提高了配筋率,從而鋼管混凝土嵌巖樁具有更高的強(qiáng)度、延性和破壞前更大的能量吸收等特性,各種約束影響因素如表1所示。同時(shí),鋼管混凝土嵌巖樁的承載力也受到地基及其上面淺覆蓋層屬性等因素的影響。因此,基于中外大量研究成果,從鋼管混凝土嵌巖樁的橫向承載特性、縱向承載特性及界面力學(xué)特性三方面進(jìn)行綜述,以揭示鋼管混凝土嵌巖樁的最新研究進(jìn)展,并指出該領(lǐng)域的后續(xù)研究重點(diǎn)。

圖2 鋼筋混凝土嵌巖樁截面示意圖Fig.2 Section diagram of reinforced concrete rock-socketed pile

表1 不同約束作用下承載力影響因素Table 1 Influencing factors of bearing capacity under different constraints

1 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性

針對(duì)鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力特性的研究主要集中在組合結(jié)構(gòu)抗彎抗剪等方面力學(xué)特性,主要結(jié)構(gòu)形式包括雙層鋼管混凝土樁、矩形(方形)截面鋼管混凝土樁、圓形截面鋼管混凝土樁,由于鋼護(hù)筒對(duì)鋼筋混凝土樁芯的套箍作用,結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不同的力學(xué)特性。現(xiàn)對(duì)中外相關(guān)學(xué)者的研究從理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)3個(gè)方面綜述如下。

1.1 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性理論分析

在理論分析方面,Hajjar等[1]首先將混凝土強(qiáng)度、鋼管強(qiáng)度及鋼管寬厚作為基本參數(shù),建立了用于描述方鋼管內(nèi)混凝土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并建立了用于分析方鋼管混凝土滯回性能的兩類(lèi)理論模型。在對(duì)混凝土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),韓林海等[2]建立了混凝土本構(gòu)關(guān)系模型,該模型分別適用于鋼管普通混凝土和鋼管高強(qiáng)混凝土軸壓構(gòu)件。Aval等[3]在壓彎構(gòu)件受到往復(fù)荷載作用時(shí),采用纖維模型法對(duì)其荷載-變形關(guān)系曲線進(jìn)行了分析。在已有基礎(chǔ)上,Lakshmi等[4]建立了鋼管本構(gòu)關(guān)系模型,該模型可用于有限元分析,且得到了非線性平衡方程,并發(fā)現(xiàn)由平衡方程分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。后來(lái),肖從真等[5]通過(guò)58個(gè)鋼管混凝土抗剪試件的試驗(yàn)研究,得出了鋼管混凝土柱受剪承載力的計(jì)算公式,然而其并沒(méi)有考慮鋼管的套箍作用。Hu等[6]在已有基礎(chǔ)上得到了一種可以用于開(kāi)展有限元分析的混凝土材料本構(gòu)模型。將無(wú)銹鋼管與空鋼管高強(qiáng)混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最終Lam等[7]在連續(xù)性強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上,建立了設(shè)計(jì)表達(dá)公式。近年來(lái),吳乃森等[8]運(yùn)用線性回歸方法對(duì)鋼管混凝土受彎構(gòu)件抗彎剛度疊加理論中的折減系數(shù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)圓形鋼管混凝土構(gòu)件中混凝土對(duì)整體抗彎剛度的貢獻(xiàn)優(yōu)于方形截面鋼管混凝土構(gòu)件,但其針對(duì)方形截面折減系數(shù)誤差偏大。蔡健等[9]擬合了方鋼管混凝土柱有限元分析結(jié)果,在進(jìn)一步考慮受到剪跨比和軸壓比影響的基礎(chǔ)下得出了方鋼管混凝土柱的橫向抗剪承載力計(jì)算公式,并發(fā)現(xiàn)其計(jì)算結(jié)果偏于安全。上述研究成果主要針對(duì)鋼管混凝土樁結(jié)構(gòu)抗彎抗剪等承載力影響因素展開(kāi)研究,并基于此建立了本構(gòu)模型或者設(shè)計(jì)表達(dá)公式,但是較少考慮對(duì)不連續(xù)情況下(比如樁芯施工缺陷)結(jié)構(gòu)彎矩剪力等影響的研究。

1.2 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性數(shù)值模擬分析

除了理論分析以外,數(shù)值模擬是研究鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性的另一重要研究手段。丁發(fā)興等[10]基于有限元軟件ABAQUS,并結(jié)合提出的混凝土單軸受力和軸對(duì)稱(chēng)三軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變公式,分析了不同截面形狀的鋼管混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能,得出ABAQUS中混凝土塑性損傷本構(gòu)模型的膨脹角為40°,并指出方、矩形鋼管混凝土的約束套箍作用沒(méi)有圓鋼管混凝土明顯,也沒(méi)有鋼筋混凝土明顯。通過(guò)ABAQUS分析,黃宏等[11]得出在方鋼管混凝土管壁內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋時(shí)將穩(wěn)定性及極限荷載提高的結(jié)論,構(gòu)件后期延性隨著縱向加勁肋寬度的增加及構(gòu)件極限荷載增大而增長(zhǎng),但是其研究沒(méi)有考慮鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能將受到長(zhǎng)細(xì)比的影響。最近,黃宏等[12]利用軟件ABAQUS研究雙鋼管混凝土管樁壓彎剪性能時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和塑性階段3個(gè)破壞階段；同時(shí)核心混凝土在荷載作用下也會(huì)受到構(gòu)件內(nèi)鋼管很大的約束作用,混凝土強(qiáng)度在受到內(nèi)、外鋼管的共同約束時(shí)將提高,同時(shí)內(nèi)、外鋼管的屈曲失穩(wěn)也會(huì)由于混凝土的存在而延緩。羅源等[13]采用ABAQUS分析了鋼管自應(yīng)力混凝土柱抗剪性能的全過(guò)程,結(jié)果表明其抗剪承載力在剪跨比相同時(shí)比普通鋼管混凝土柱高,且自應(yīng)力越大,抗剪承載力越大,同時(shí)剪跨比將會(huì)影響自應(yīng)力對(duì)抗剪承載力的提高作用,當(dāng)剪跨比取值范圍不同時(shí),自應(yīng)力對(duì)抗剪承載力的影響作用也不同。當(dāng)λ≥0.4時(shí),自應(yīng)力對(duì)抗剪承載力的影響較??；λ<0.4時(shí),自應(yīng)力對(duì)抗剪承載力的影響較大。Fu等[14]對(duì)鋼管輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete-filled steel tube, LACFST)在水平循環(huán)荷載作用下的數(shù)值分析表明,隨著鋼管厚度的增加,試件的承載力和延性顯著提高。隨著鋼和混凝土強(qiáng)度的提高,構(gòu)件的承載力提高,延性和耗能性能略有下降。上述研究成果對(duì)不同構(gòu)造形式鋼管混凝土樁在靜荷載下,力學(xué)響應(yīng)過(guò)程和承載力影響因素開(kāi)展了研究,但是沒(méi)有涉及動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng),比如橫向沖擊荷載。

1.3 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性的試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)方面,Braford等[15]首先通過(guò)鋼管混凝土柱剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了鋼管混凝土受壓過(guò)程中易過(guò)早失穩(wěn)破壞的問(wèn)題,為了防止鋼管過(guò)早發(fā)生局部屈曲,建議試件長(zhǎng)徑比不要超過(guò)125。王多垠等[16]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)大直徑嵌巖灌注樁在襟邊寬度越來(lái)越小以后,大約在樁體地面線下5 cm處,各樁的彎矩均將達(dá)到最大值,這對(duì)于承受橫向載荷的大直徑嵌巖樁是不利的,它將極易導(dǎo)致樁體的失穩(wěn)或是巖土的漸進(jìn)破壞。錢(qián)稼茹等[17]通過(guò)35根鋼管混凝土柱受剪承載力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),剪跨比λ=0.5為試件剪切破壞和彎曲破壞的分界點(diǎn),當(dāng)剪跨比繼續(xù)增加,達(dá)到1≥λ>0.5時(shí),試件為剪彎破壞。后來(lái),聞洋等[18]進(jìn)行了15根方鋼管混凝土柱的偏心受壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)偏心率和長(zhǎng)細(xì)比是影響方鋼管混凝土柱承載力的主要因素,偏心率增大,緊箍力對(duì)核心混凝土強(qiáng)度的提高減弱,構(gòu)件的承載力明顯降低,混凝土強(qiáng)度對(duì)承載力的影響明顯減小。黃勇等[19]在進(jìn)行方鋼管和圓鋼管混凝土短柱受剪性能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者的破壞形態(tài)接近,破壞均發(fā)生在受剪彎作用最大的底部區(qū)域,為延性破壞,但圓鋼管混凝土試件抵抗變形能力相對(duì)較強(qiáng),表現(xiàn)出了較好的延性。在6個(gè)足尺方鋼管混凝土柱試件的抗剪性能試驗(yàn)中,蔡健等[9]發(fā)現(xiàn)了試件的剪切破壞特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)表明試件剪力-位移曲線表現(xiàn)為3段,分別為彈性段、彈塑性段和塑性段,并通過(guò)分析可得出試件在有軸壓、剪跨比小時(shí)的抗剪承載力較高。近日,徐禮華等[20]在進(jìn)行24 根柱試件偏心受壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),鋼管自應(yīng)力自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱長(zhǎng)徑比或偏心距越大,其極限承載力越低,鋼管自應(yīng)力自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱在初始自應(yīng)力為3～5 MPa時(shí)提高9.2%～11.7%。陳東等[21]通過(guò)9個(gè)碳纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fibre reinforced polymer, CFRP)-方鋼管混凝土試件和3個(gè)方鋼管混凝土試件的剪切性能試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)橫向CFRP層數(shù)對(duì)試件承載力的影響不大,引起初始剛度和應(yīng)力曲線的形狀變化不大,但是其影響程度略大于混凝土強(qiáng)度的變化引起的試件承載力的變化。針對(duì)鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力試驗(yàn)研究影響因素如表2所示。上述研究成果是對(duì)鋼管混凝土樁橫向承載力影響因素展開(kāi)的研究,但沒(méi)有考慮有局部缺陷管樁結(jié)構(gòu)橫向承載特性。

表2 針對(duì)鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力試驗(yàn)影響因素Table 2 Influencing factors of transverse bearing capacity test of concrete filled steel tubular rock-socketed piles

2 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性

鋼管混凝土嵌巖樁在實(shí)際工程中主要用于承擔(dān)來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的豎向承載力,結(jié)構(gòu)豎向承載力也是大家研究的重點(diǎn),由于鋼管的約束效應(yīng),基于不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)的承載力均得到不同程度加強(qiáng),但力學(xué)行為也更加復(fù)雜?，F(xiàn)從理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方面進(jìn)行綜述。

2.1 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的理論分析

在進(jìn)行理論分析時(shí),Tomii等[22]首先進(jìn)行試驗(yàn),該室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)在軸壓荷載作用下,采用方形、圓形和八角形截面鋼管混凝土,分別測(cè)定了它們黏結(jié)強(qiáng)度和滑移之間的關(guān)系。隨后,韓冰等[23]通過(guò)對(duì)受彎構(gòu)件徐變的分析,在長(zhǎng)期荷載作用下,建立了鋼管混凝土受彎構(gòu)件承載的計(jì)算方法,并持有其承載力會(huì)在徐變的影響下會(huì)降低的觀點(diǎn)。后來(lái)韓林海等[24]推導(dǎo)了方鋼管混凝土軸壓強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算公式,但是在其推導(dǎo)過(guò)程中只考慮了內(nèi)外力平衡的情況而忽略了混凝土之間的滑移。劉潔[25]基于內(nèi)部的鋼管混凝土樁芯和外部的箍筋兩部分的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,得出了外部箍筋對(duì)鋼筋混凝土樁芯的平均約束應(yīng)力計(jì)算公式,并分析了組合柱軸壓荷載-變形曲線規(guī)律,然而其研究中并沒(méi)有考慮柱的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)截面強(qiáng)度的影響,也沒(méi)有考慮3種材料之間的相對(duì)滑移。歐智菁等[26]提出了通過(guò)計(jì)算柱的相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比來(lái)計(jì)算鋼管混凝土柱穩(wěn)定系數(shù)的統(tǒng)一算法,并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)該算法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,該算法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,從而驗(yàn)證了鋼管混凝土柱穩(wěn)定系數(shù)的統(tǒng)一算法的合理性。上述研究成果研究了鋼管混凝土管樁豎向承載力理論本構(gòu)模型,但缺乏鋼護(hù)筒與混凝土樁芯相對(duì)滑移及發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響研究。

韓林海等[24]給出的約束效應(yīng)系數(shù)ξ計(jì)算公式為

式(1)中:α=As/Ac為剛換混凝土截面含鋼率；fy為剛才屈服極限；fck為鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度；As為鋼管橫截面面積；Ac為混凝土橫截面面積。

2.2 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的數(shù)值模擬分析

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),Susantha等[27]分析了方形和矩形鋼管混凝土極限承載力,通過(guò)分析結(jié)果對(duì)兩個(gè)不同截面構(gòu)件的極限承載力進(jìn)行了對(duì)比。陳寶春等[28]利用ANSYS建立了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型,提出了其極限承載力的計(jì)算方法,然而并沒(méi)有考慮構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和動(dòng)力性能。后來(lái),黃宏等[29]、Mohamed等[30]采用有限元軟件對(duì)帶肋筋方鋼管鋼筋混凝土短柱的荷載-變形關(guān)系進(jìn)行了研究,經(jīng)分析得出設(shè)置肋筋不僅改善了核心混凝土的縱向應(yīng)力,而且明顯減小了鋼管管壁的拉應(yīng)力作用區(qū)范圍,改善了管壁的穩(wěn)定性,對(duì)混凝土核心區(qū)的約束平均提高幅度較大。丁發(fā)興等[31]對(duì)3根方鋼管混凝土短柱進(jìn)行三維實(shí)體有限元分析,得出方鋼管混凝土的極限承載力大于混凝土和鋼管兩者承載力之和,并基于有限元參數(shù)分析結(jié)果和極限平衡理論,建立了方鋼管混凝土柱軸向承載力計(jì)算的實(shí)用公式,該公式的計(jì)算結(jié)果精度是最高的,但是其不夠嚴(yán)謹(jǐn),忽略了受力性能還要受到構(gòu)件尺寸、材料的影響。李召等[32]對(duì)方鋼管約束混凝土短柱進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)構(gòu)表明,圍壓應(yīng)力比越大,核心混凝土軸壓承載力越大。Liu等[33]通過(guò)三維細(xì)觀數(shù)值模型分析發(fā)現(xiàn),隨著試件尺寸的增加,標(biāo)稱(chēng)軸向抗壓強(qiáng)度減小,尺寸效應(yīng)隨著約束系數(shù)的增大而減弱。馮忠居等[34]在不同鋼管埋深條件下,模擬了鋼管混凝土復(fù)合樁的豎向承載特性,發(fā)現(xiàn)其極限承載力在鋼管埋深增大時(shí)將有效提高,但是該結(jié)論基于假定材料為均質(zhì)材料之上,沒(méi)有考慮構(gòu)件豎向承載力會(huì)受到局部缺陷的影響。Zhang等[35]針對(duì)凍融循環(huán)和酸雨腐蝕相結(jié)合的鋼管混凝土短柱,材料強(qiáng)度、鋼比和組合時(shí)間等參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的軸壓性能有較大的影響。上述研究成果基本只考慮了結(jié)構(gòu)在靜荷載工況下豎向承載力,較少研究在高頻周期荷載或者快速外荷載下結(jié)構(gòu)承載力。

2.3 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)方面,呂西林等[36]通過(guò)軸心受壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)方鋼管混凝土短柱的延性較空鋼管短柱和素混凝土短柱更好,且與混凝土的強(qiáng)度和寬厚比呈負(fù)相關(guān)。韓林海等[24]以約束效應(yīng)系數(shù)為基本參數(shù)通過(guò)軸壓試驗(yàn)研究,得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果一致,從而進(jìn)一步論證了方鋼管核心混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型以約束效應(yīng)系數(shù)為基本參數(shù)的有效性。周緒紅等[37]建立了考慮鋼管約束作用隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比增大而降低的軸壓穩(wěn)定承載力計(jì)算公式,然而其研究并沒(méi)有考慮構(gòu)件的縱筋率、鋼管徑厚比對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響。由于鋼的膨脹比混凝土大,從而導(dǎo)致界面黏結(jié)不完善,降低了彈性強(qiáng)度和剛度,因此在早期彈性階段無(wú)法充分發(fā)展。為了解決這一問(wèn)題,Lai等[38]提出以環(huán)的形式來(lái)限制混凝土的彈性側(cè)向膨脹,從而提高軸向承載力、剛度和降低強(qiáng)度退化率,如圖3所示。

圖3 帶環(huán)的鋼管混凝土短柱Fig.3 Concrete filled steel tubular short column with ring

Ekmekyapar等[39]通過(guò)雙層鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋼管內(nèi)筒結(jié)構(gòu)合理時(shí),雙層鋼管混凝土柱比鋼管混凝土柱具有更好的性能。此外,內(nèi)筒結(jié)構(gòu)與筒體混凝土的工作性能一致,對(duì)降低高強(qiáng)混凝土的破壞模式具有重要作用。Zhang等[40]對(duì)7根方截面鋼管混凝土短柱進(jìn)行了靜載和沖擊對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,鋼管混凝土柱在兩種荷載作用下的破壞模式相似,均表現(xiàn)為鋼管的局部屈曲。Zhou等[41]通過(guò)19組試件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),斜交結(jié)合肋可以有效地提高鋼管混凝土的軸向壓縮力和約束混凝土的復(fù)合效應(yīng)。與無(wú)加勁肋的鋼管混凝土試件相比,斜向黏結(jié)肋的承載力提高10%～20%,延性提高30%以上。Wei等[42]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)約束顯著提高了鋼管混凝土柱的承載力和峰后剛度,高強(qiáng)鋼絞線間距減小時(shí),鋼管混凝土柱的荷載軸向應(yīng)變響應(yīng)可由軟化行為發(fā)展為硬化行為。Liu等[43]通過(guò)槽口六角鋼管混凝土短柱軸向荷載試驗(yàn)表明,鋼管切口可以削弱鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用,降低試件的極限強(qiáng)度,缺口取向?qū)?gòu)件的失效模式影響很大。在管柱中填充常規(guī)混凝土的組合構(gòu)件的設(shè)計(jì)已在規(guī)定中得到并明確規(guī)定,但對(duì)于再生骨料混凝土填充鋼管構(gòu)件,現(xiàn)行規(guī)定沒(méi)有其他特殊要求,Nour等[44]通過(guò)試驗(yàn)推導(dǎo)出了以鋼管外徑、鋼管厚度和屈服強(qiáng)度、柱長(zhǎng)、再生粗骨料取代率和混凝土抗壓強(qiáng)度變量的軸向承載力預(yù)測(cè)模型,并驗(yàn)證了正確性。針對(duì)鋼管混凝土管樁豎向承載力試驗(yàn)研究相對(duì)比較豐富,但是缺乏鋼護(hù)筒嵌巖樁結(jié)構(gòu)在橫向荷載后(比如低周反復(fù)荷載或者橫向沖擊/撞擊荷載),結(jié)構(gòu)豎向承載力研究。部分鋼管混凝土嵌巖樁豎向承載力影響因素試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 部分鋼管混凝土嵌巖樁豎向承載力試驗(yàn)影響因素Table 3 Influencing factors of vertical bearing capacity test of concrete filled steel tubular rock-socketed piles

3 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學(xué)特性

鋼管與混凝土核心筒的相互作用是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,目前對(duì)鋼-混凝土界面的研究主要集中于切向的黏結(jié)滑移作用,沒(méi)有考慮界面法向力學(xué)行為。在鋼管鋼筋混凝土樁中,鋼管限制在混凝土核心上,從而導(dǎo)致了鋼管和混凝土之間的復(fù)合作用。詳細(xì)研究現(xiàn)狀將從理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)3個(gè)方面展開(kāi)。

3.1 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學(xué)特性理論分析

在理論分析方面,楊有福等[45]對(duì)鋼管及核心混凝土間的黏結(jié)性能進(jìn)行了相關(guān)研究,提出了鋼-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式,并得出了界面黏結(jié)應(yīng)力-相對(duì)滑移關(guān)系的簡(jiǎn)化模型,但其理論模型尚未考慮混凝土齡期和澆筑方式的影響。隨后,王鐵成等[46]在對(duì)鋼管與混凝土黏結(jié)性能進(jìn)行研究時(shí),得出鋼管混凝土柱的極限承載力受到鋼管與混凝土之間的黏結(jié)的影響并不顯著的結(jié)論。劉永健等[47]闡述了鋼管混凝土界面黏結(jié)滑移特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀,其中對(duì)混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件受力狀態(tài)進(jìn)行了著重分析。Zhu等[48]提出了反應(yīng)性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)填充圓鋼管和方鋼管承載力的統(tǒng)一計(jì)算方法,界面黏結(jié)性能和尺寸效應(yīng)的計(jì)算公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。Dong等[49]推導(dǎo)了避免脫層的最小約束剛度方程,推導(dǎo)了屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的計(jì)算公式,并給出了實(shí)現(xiàn)一級(jí)延性的圖表。

3.2 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學(xué)特性的數(shù)值模擬分析

在數(shù)值模擬方面,胡波等[50]利用ANSYS模擬了鋼-混凝土界面黏結(jié)-滑移相互作用,得出構(gòu)件受壓時(shí),鋼-混凝土界面容易發(fā)生相對(duì)脫離,且法向相對(duì)滑移較大處縱切向相對(duì)滑移也相應(yīng)較大。之后,姜封國(guó)等[51]通過(guò)有限元軟件ANSYS,建立了鋼管混凝土柱的水平側(cè)移模型,并通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)鋼管混凝土柱抗側(cè)移的影響分為兩個(gè)階段,即增強(qiáng)段和穩(wěn)定段,同時(shí)提出了關(guān)于黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗側(cè)移性能提高的峰值問(wèn)題。Schnabl等[52]通過(guò)參數(shù)化模型研究,鋼管混凝土柱界面柔度可以顯著降低鋼管混凝土柱的臨界屈曲荷載。如果縱向和徑向界面剛度中至少有一個(gè)是高的,則在分析和實(shí)驗(yàn)屈曲載荷之間獲得了很好的一致性,界面剛度和邊界條件對(duì)鋼管混凝土柱的屈曲荷載影響很大。Ouyang等[53]為了模擬填充混凝土和鋼管之間的相互作用,在它們之間插入了界面單元,如圖4所示。在彈性階段,由于混凝土的泊松比小于鋼的泊松比,混凝土-鋼界面可能發(fā)生分層。在拉伸法向應(yīng)變下,允許分層,法向應(yīng)力、法向剛度、剪應(yīng)力和剪剛度均為零。但在壓縮法向應(yīng)變下,采用剛法向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模擬硬接觸行為,采用摩擦系數(shù)為0.5的剛塑性剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模擬剪切行為。并且發(fā)現(xiàn)增大轉(zhuǎn)角半徑可以在峰值后階段產(chǎn)生更好的約束,從而改善方形鋼管混凝土柱的峰后性能。陳艷華等[54]建立了鋼筋混凝土界面脫黏研究的三維模型,結(jié)果表明鋼筋和混凝土界面的黏結(jié)受到摩擦作用的影響很大。上述數(shù)值模擬分析方法針對(duì)鋼-混凝土界接觸面展開(kāi)了多方面的嘗試研究,但是沒(méi)有對(duì)鋼-混凝土界面接觸狀態(tài)變化構(gòu)成和樁的力學(xué)性能的本構(gòu)關(guān)系展開(kāi)詳細(xì)分析。

圖4 矩形截面鋼管混凝土樁數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of concrete-filled steel tubular pile with rectangular section

3.3 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)方面, Morishita等[55]首次采用推出試驗(yàn)方法對(duì)鋼管-混凝土界面黏結(jié)性能進(jìn)行研究,并對(duì)圓形、方形、八邊形鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了推出試驗(yàn)。薛立紅等[56-57]通過(guò)開(kāi)展32個(gè)鋼管混凝土樁的推出試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)樁芯混凝土強(qiáng)度、混凝土養(yǎng)護(hù)條件及鋼管表面光滑程度對(duì)鋼-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度影響顯著,但界面長(zhǎng)度對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度幾乎無(wú)影響,并首次通過(guò)反復(fù)推出試驗(yàn),確定了界面摩阻力對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響,但其研究并沒(méi)有考慮混凝土的初始應(yīng)力的影響。后來(lái),Qu等[58]通過(guò)對(duì)矩形鋼管-混凝土界面結(jié)構(gòu)的反復(fù)推出試驗(yàn),研究了鋼-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)應(yīng)力分量的分配和宏觀機(jī)械咬合力的發(fā)展,解釋了黏結(jié)力發(fā)展的機(jī)制,獲得了界面黏結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律,提出了臨界剪力傳遞長(zhǎng)度的概念。許開(kāi)成等[59]通過(guò)對(duì)4個(gè)鋼管混凝土試件的推出試驗(yàn),得到了黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)關(guān)系,并得到了物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證,不足之處為其研究只考慮到了單軸應(yīng)力狀態(tài)。周鵬華等[60]進(jìn)行了自應(yīng)力自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱和鋼管自密實(shí)混凝土柱試件的試驗(yàn),提出了其抗剪黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式,但其研究?jī)H考慮混凝土強(qiáng)度和自應(yīng)力。雙層鋼管混凝土(concrete-filled steel tubular, CFST)柱,減少了混凝土拱起作用,提供更均勻的圍壓,但存在的缺點(diǎn)是彈性階段出現(xiàn)界面黏結(jié)不完善,降低了彈性強(qiáng)度和剛度。Dong等[61]通過(guò)試驗(yàn)表明,環(huán)約束雙皮鋼管混凝土柱的剛度、軸向承載力和延性明顯高于無(wú)約束柱。目前鋼管混凝土樁(柱)鋼-混凝土界面的研究主要集中在軸向混凝土樁芯推出試驗(yàn)方面,涉及樁芯混凝土和鋼管整個(gè)接觸截面,缺乏樁身在局部范圍以內(nèi)受到外部荷載時(shí),界面劣化和力學(xué)特征的研究。

4 結(jié)論

通過(guò)幾十年的不斷探索和工程實(shí)踐應(yīng)用,中外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土嵌巖樁的研究成果比較豐富,從各個(gè)方面研究鋼管混凝土嵌巖樁承載力能力及其影響因素。然而樁基結(jié)構(gòu)包括鋼管混凝土嵌巖樁的靜荷載承載力富余量一般都較高,特別是縱向,但是對(duì)動(dòng)荷載下鋼管混凝土嵌巖樁的研究不是很多。因此未來(lái),以下幾個(gè)方面有待進(jìn)一步研究。

(1)物理模型實(shí)驗(yàn)方面。采用在結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片通過(guò)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)仍是目前結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的主流方法,但是應(yīng)變片無(wú)法較好地測(cè)量鋼管里面鋼筋混凝土樁芯表面應(yīng)變以及鋼筋混凝土樁芯里面的應(yīng)變,在結(jié)構(gòu)澆筑好后,往往發(fā)現(xiàn)里面的應(yīng)變片已經(jīng)壞掉,或者有的應(yīng)變片在未知的情況下發(fā)生了位移,可考慮高精度的超聲波CT成像技術(shù)檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變。

(2)鋼管混凝土嵌巖樁組合結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型。對(duì)于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu),其力學(xué)特性受到混凝土和鋼筋兩種材料的影響,可以基于已知的混凝土、鋼材(鋼管、鋼筋、肋筋)本構(gòu)模型及相應(yīng)的泊松比,運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析,未來(lái)應(yīng)結(jié)合理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法開(kāi)展專(zhuān)題研究。

(3)組合結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力響應(yīng)特性。樁基豎向承載能力一般富余量較大,對(duì)于偶然橫向動(dòng)荷載的承載力相對(duì)較低,但反而研究較少。目前動(dòng)力響應(yīng)特性的研究主要集中在單一材料結(jié)構(gòu)上,并且主要是基于某種假設(shè)上的理論研究,缺乏對(duì)鋼筋混凝土嵌巖樁這種包括混凝土樁芯、鋼筋、鋼管(含肋筋)、地基等組合結(jié)構(gòu)的在動(dòng)荷載下其模態(tài)和震動(dòng)響應(yīng)的研究,尤其是橫向沖擊荷載。

(4)鋼管混凝土嵌巖樁在橫向沖擊荷載下,局部界面劣化機(jī)理研究。鋼-混凝土界面結(jié)合情況關(guān)系到鋼護(hù)筒和鋼筋混凝土樁芯能否良好地協(xié)同工作,目前針對(duì)界面的研究主要集中切向的黏滯力和摩擦力,立足點(diǎn)在整個(gè)接觸界面,但是缺乏結(jié)構(gòu)在受到橫向沖擊荷載時(shí),局部大應(yīng)變甚至破壞的界面研究,韓林海等[24]提出的約束效應(yīng)系數(shù)ξ又是如何發(fā)揮作用的,局部界面的劣化情況及其對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)承載力的衰減的影響等均未明了,且結(jié)構(gòu)的這種薄弱環(huán)節(jié)決定了整個(gè)樁基結(jié)構(gòu)的承載力,這恰恰是最需要研究的薄弱環(huán)節(jié)。

(5)鋼管混凝土嵌巖樁在橫向沖擊荷載下,樁基嵌入段局部劣化機(jī)理研究。該處也是靜荷載時(shí)樁基結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),但是橫向動(dòng)荷載或者沖擊荷載的作用時(shí)間一般較短,無(wú)法達(dá)到樁受到的靜荷載時(shí)傳遞的地基深度,故在更小的局部范圍內(nèi),在樁基嵌入段局部,地基-鋼管-混凝土樁芯結(jié)構(gòu)的吸能和多層界面劣化發(fā)展也缺乏相關(guān)的研究,這也是鋼管混凝土嵌巖樁橫向動(dòng)荷載承載力能力下一個(gè)階段研究重點(diǎn)。