基于ABAQUS的PHC管樁水平受力性能分析

陳毅勇，孫 華，盧笑芳，楊 峰

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系,福建 南平 353000)

許多橋梁樁基在地震或者波浪荷載作用下，樁基礎(chǔ)主要是以承受往復(fù)荷載為主[1-3]，產(chǎn)生較大的水平變形，并形成塑性變形。而當(dāng)前許多研究者以針對抗滑樁的研究為主，抗滑樁主要承受的是單向的水平推力荷載[4-6]。針對樁基在水平荷載作用下受力性能的分析方法也有不少研究，但大部分都是在文克爾提出的線彈性地基反力法為主[7-9]，即主要將樁基模擬為二維結(jié)構(gòu)，土體的作用采用彈簧剛度來等效。但是這種分析方法難以反映出土體的受力情形，同時無法直觀地反映樁基和土體的相互作用特性，難以真實(shí)地反映樁基受力。為此，文中將采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立PHC管樁-土結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，研究埋置于砂土中的PHC管樁在往復(fù)位移荷載作用下的受力性能，進(jìn)一步揭示PHC管樁和土體的破壞現(xiàn)象、滯回和骨架曲線形式、PHC管樁在土體中的變形模式以及樁身彎矩與土抗力分布形式等，研究可為橋梁的不同樁基在土體中的受力分析提供參考。

1 三維PHC管樁-土數(shù)值模型

1.1 模型簡介

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對PHC管樁水平承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬，具體如圖1所示。按空間三維問題對PHC管樁在水平荷載作用下進(jìn)行分析，樁體和土體采用C3D8R單元，樁體預(yù)應(yīng)力筋和箍筋采用T3D3單元模擬，其中PHC管樁外徑150 mm，內(nèi)徑50 mm，長2.8 m，入土深度2.4 m；配置了6根縱筋，鋼筋牌號為HRB335，直徑為8 mm；箍筋直徑6 mm，按100 mm的間距沿管樁布置。樁體混凝土采用塑性損傷模型，鋼筋采用理想彈塑性模型，嵌入到混凝土樁中，對于樁周土體采用 Mohr-Coulomb 模型，接觸本構(gòu)模型采用小滑動庫侖摩擦模型。ABAQUS的接觸模擬中，采用主-從(Master-Slave)接觸算法對樁土進(jìn)行接觸模擬，土體表面選擇為從屬表面，樁體表面為主表面；模型底部固結(jié)約束，側(cè)面僅釋放2個方向的水平運(yùn)動；樁底與土體采用綁定約束。計算時土體半徑遠(yuǎn)大于樁截面的半徑(如土體半徑取為樁橫截面半徑的40～60倍)。

圖1 三維PHC管樁-土有限元模型

1.2 本構(gòu)關(guān)系

有限元模型中，土體采用砂土，砂土本構(gòu)為Mohr-Coulomb 模型，砂土的材料屬性參見表1。

表1 砂土物理力學(xué)參數(shù)

PHC管樁采用C80混凝土，本構(gòu)關(guān)系為塑性損傷模型(即CDP本構(gòu))，其本構(gòu)計算參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[10]，混凝土的力學(xué)參數(shù)詳見表2。

表2 C80混凝土力學(xué)參數(shù)

鋼筋采用的是理想彈塑性模型，其力學(xué)參數(shù)詳見表3。

表3 鋼筋力學(xué)參數(shù)

1.3 地應(yīng)力平衡

有限元分析加載過程主要分3個步驟，第一步：對初始地應(yīng)力進(jìn)行平衡，由于樁體和土體重度不一樣，首先要假定兩者的重度一致。對地應(yīng)力平衡是非常重要的，若沒有開展第一步驟，后面的第二和第三步驟將難以達(dá)到很好的收斂；第二步：加上樁體和土體之間實(shí)際重度的差值；第三步：通過表面載荷形式施加往復(fù)水平荷載。地應(yīng)力平衡結(jié)果如圖2所示，由圖2可知平衡后的土體豎向位移很小，最大僅為1.089×10-4m。

(a)土體Mises應(yīng)力

1.4 加載制度

采用了往復(fù)位移加載，位移Y從0開始加載，隨后正、負(fù)向分別以ΔY=2 mm和-2 mm的位移增量不斷加載，直至正、負(fù)向的位移Y為18 mm和-18 mm即停止加載，另外PHC管樁的預(yù)應(yīng)力鋼筋施加了60 kN的預(yù)加力，以模擬PHC管樁在砂土中的受力性能，加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度

2 PHC管樁受力性能分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

圖4 給出了試驗(yàn)完成后的試驗(yàn)現(xiàn)象及樁身與土體的應(yīng)力分布。樁基在土體內(nèi)的應(yīng)力較大，出現(xiàn)了3處應(yīng)力較大位置，也是樁身混凝土開裂的位置，在該3處樁基的破壞較為嚴(yán)重，詳見圖4(a)。同時，對應(yīng)位置的土體也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中區(qū)域，樁-土最先在該處進(jìn)入塑性階段，在該位置樁-土相互作用最強(qiáng)，詳見圖4(b)。另外由圖4(c)可知，PHC管樁在往復(fù)荷載作用下，樁-土之間會出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，且分離現(xiàn)象會隨著往復(fù)位移的增大而越來越顯著。由以上分析可知，三維樁-土模型更為直觀地顯示樁-土破壞形式，對于揭示樁-土相互作用現(xiàn)象具有重要作用。

(a)樁基應(yīng)力

2.2 滯回與骨架曲線

PHC管樁-土結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線如圖5所示。

(a)滯回曲線

由圖5(a)可知，PHC管樁-土結(jié)構(gòu)的滯回曲線較為飽滿，說明PHC管樁-土結(jié)構(gòu)的耗能能力較好，土體提供了較好的阻尼作用。由圖5(b)可知，PHC管樁在前期處于彈性范圍，剛度較大，隨著荷載作用增大，混凝土?xí)霈F(xiàn)開裂，此時PHC管樁的剛度會下降，其荷載的增大速率明顯降低。

2.3 樁身位移

PHC管樁在土體內(nèi)的變形曲線如圖6所示。由圖6可知，在不同位移荷載作用下，PHC管樁沿著埋深方向表現(xiàn)出相似的變形曲線，在樁頂處的變形最大。由變形規(guī)律可知，樁身變形范圍較小，大致在0.85 m埋深位置，超過該埋深位置后樁身的受力基本可忽略不計。

(a)樁身側(cè)向位移分布

2.4 樁身彎矩

PHC管樁沿著埋深方向的彎矩分布如圖7所示。由圖7可知，PHC管樁的彎矩沿著埋深方向先出現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律，達(dá)到3.5D(D為樁徑)埋深處時最大，隨后其彎矩將繼續(xù)下降，到樁底處時基本為0。也可由此得知，樁身最嚴(yán)重破壞位置出現(xiàn)在3.5D的埋深位置，該處的樁-土相互作用最為顯著。

圖7 樁身彎矩分布

3 結(jié)論

1)樁身與土體在往復(fù)荷載作用下出現(xiàn)了3處最為明顯的破壞，在該處土體首先進(jìn)入塑性階段，樁身混凝土發(fā)生開裂。

2)PHC管樁-土結(jié)構(gòu)的滯回曲線較為飽滿，其耗能能力較好，土體提供了較好的阻尼作用。其骨架曲線的發(fā)展主要分為2個階段：彈性階段和塑性階段。

3)在不同位移荷載作用下，PHC管樁沿著埋深方向表現(xiàn)出相似的變形曲線，在樁頂處的變形最大。樁基的有效作用范圍為0～0.85 m埋深位置，超過該埋深位置后樁身的受力基本可忽略不計。

4)PHC管樁最嚴(yán)重破壞位置出現(xiàn)在3.5D的埋深位置，該處的樁-土相互作用最為顯著。