不同預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在地震作用下的受力特性分析

鄭榮政 杜曉磊

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300251； 2.河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300401)

不同預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在地震作用下的受力特性分析

鄭榮政1杜曉磊2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300251； 2.河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300401)

以一定長度的混凝土管樁作為分析研究對象，運用大型有限元分析軟件ANSYS對其在不同預(yù)應(yīng)力條件下的受力特性進(jìn)行有限元模擬及分析。研究的主要內(nèi)容和步驟包括：分別建立三種不同預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的模型，以天津波為例分析比較不同模型在地震作用下樁周土體位移、樁身位移和樁身軸力的變化，提出施加部分預(yù)應(yīng)力的混凝土管樁在地震作用下相對穩(wěn)定的觀點，為后續(xù)的進(jìn)一步實驗對比和數(shù)值模擬分析研究提供參考和指導(dǎo)。

預(yù)應(yīng)力管樁 地震作用 位移 樁身軸力

1 概述

在地震荷載作用下， 樁基礎(chǔ)受到的荷載有豎向荷載、水平荷載和彎矩。當(dāng)作用在樁基的荷載較大，樁基及樁周土的強(qiáng)度不足以抵抗時，就會導(dǎo)致樁-土體系的破壞，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞[1]。目前國內(nèi)外對施加部分預(yù)應(yīng)力管樁在地震作用下的研究還不是很多，尤其是針對預(yù)應(yīng)力筋的研究更是缺乏實踐經(jīng)驗。對地震作用下三種預(yù)應(yīng)力管樁的受力性狀進(jìn)行數(shù)值模擬分析和對比，為現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的創(chuàng)新應(yīng)用提供一些理論依據(jù)。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的數(shù)值模擬

2.1 模型建立及相關(guān)說明

在進(jìn)行樁土作用分析時，由于樁土復(fù)雜的作用機(jī)理，影響最終結(jié)果的因素眾多，如土體的顆粒大小以及粒徑分布、土的含水率、土體的成分、土體的固結(jié)時間以及模型的幾何形狀等。因此，在用ANSYS做樁土分析時進(jìn)行如下假設(shè)，以使模型更加簡化，排除多種因素的影響，達(dá)到分析的合理性：

①土體被視為理想均質(zhì)各向同性，其物理力學(xué)性質(zhì)不隨樁的設(shè)置而改變，土體的塑性變形服從德魯克-普拉格準(zhǔn)則。

②樁垂直設(shè)置于土體中，其底面為水平面。

③混凝土樁身與預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)模型均為線彈性。

④不考慮施工因素對樁周土體(如土體應(yīng)力歷史和排水固結(jié)和初始位移)的影響，并且樁的存在不影響地基土的特性。

⑤作為實際情況的空間整體模型取代為三維軸對稱模型。

⑥在樁底處混凝土與預(yù)應(yīng)力筋為粘結(jié)狀態(tài)，兩者之間的縱向滑移不予考慮。

取長為10 m，外徑0.6 m，內(nèi)徑0.34 m的混凝土管樁為研究對象，根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加的鋼筋數(shù)目，分別建立三種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁模型，其截面見圖1，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 截面配筋(單位：m)

表1 計算物理模型力學(xué)參數(shù)

為了便于計算，根據(jù)其截面軸對稱的特性，建立二分之一模型，即關(guān)于xz平面對稱。在模型的外側(cè)和底部施加水平和垂直兩個方向的位移約束，對于樁土之間的接觸面，假設(shè)在接觸面法向樁體表面與土體接觸之后不再分開，在接觸面切向設(shè)為摩擦接觸，即允許樁土之間發(fā)生相對滑移。所研究模型為部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁模型，為符合實際情況，在桿單元劃分過程中，鋼筋的粘結(jié)部分也采用與樁身縱向一樣的劃分尺度，以保證樁身網(wǎng)格中的節(jié)點與預(yù)應(yīng)力筋的節(jié)點在粘結(jié)段能夠很好的耦合在一塊(即無縱向滑移)；在非粘結(jié)部分，則采用一個網(wǎng)格單元，在樁頂處鋼筋節(jié)點與混凝土節(jié)點亦耦合在一塊，保證預(yù)應(yīng)力發(fā)揮作用。最后建立接觸單元，進(jìn)行加載與求解。加載分為兩部分，每束鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力100 kN，預(yù)應(yīng)力加載采用降溫方法，鋼筋收縮產(chǎn)生拉力。樁頂施加上拔荷載，由于樁頂鋼板的存在，使得上拔荷載100 kN均勻布置在樁頂界面上為均布荷載，求解后得到預(yù)應(yīng)力軸向應(yīng)力等值圖(如圖2所示)。選擇天津波水平向，輸入的地震波加以調(diào)整，按適當(dāng)?shù)谋壤糯蠡蚩s小，使峰值加速度相當(dāng)于與設(shè)防烈度相應(yīng)的多遇地震與罕遇地震時的加速度峰值。對于原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在計算模擬時輸入8 s地震波，時間間隔0.02 s，如圖3。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)樁周土體Z向位移分析

從樁周土的受力情況來看，打樁過程中樁周土不斷被擠密，在樁周形成一層硬殼，牢固地吸附在樁周表面。管樁為圓形截面，樁周土像“箍”一樣箍住樁體且受力平衡[2]。當(dāng)作用在樁基的荷載較大，樁基和樁周土的強(qiáng)度不足以“箍”住時，樁土間就會產(chǎn)生一定的位移，導(dǎo)致樁-土體系破壞，帶來較大的安全隱患。

圖2 預(yù)應(yīng)力軸向應(yīng)力等值圖

圖3 天津地震波加速度與時間曲線

為了更加清楚直觀的比較三種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁周土體的位移，取同一個yz坐標(biāo)平面上離樁中心點在X軸上的距離分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m的五個點進(jìn)行比較，畫出樁周土體Z向位移曲線，如圖4所示。

圖4 樁周土體Z向位移曲線

由圖4可以看出，三種模型的Z向位移均隨著樁周土距樁心距離的變大而呈現(xiàn)遞減的趨勢，施加兩根預(yù)應(yīng)力筋的混凝土管樁樁周土體Z向位移要大于施加四根預(yù)應(yīng)力筋的土體位移，且施加四根預(yù)應(yīng)力筋時樁周土體Z向位移大于施加八根預(yù)應(yīng)力筋的位移。這是由于在施加預(yù)應(yīng)力的過程中鋼筋受拉，而混凝土受到來自鋼筋的壓應(yīng)力呈現(xiàn)受壓的狀態(tài)，在施加豎向拉力的同時，預(yù)壓應(yīng)力與上拔荷載平衡且相互抵消，而后混凝土樁才開始承受拉力，并隨著拉力的增大產(chǎn)生裂縫。由此可知，全部施加預(yù)應(yīng)力筋要比部分施加預(yù)應(yīng)力筋的樁周土體的位移要小一些，也就是說在樁端承受拉力的時候，預(yù)應(yīng)力筋的施加可以抑制樁周土體的位移，保證了樁-土的整體穩(wěn)定性。

圖5 三種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身在較大地震波作用下的X、Y向位移

(2)樁身位移分析

樁承受地震作用時，影響水平承載力和位移的因素有很多，如樁身截面抗彎強(qiáng)度、材料強(qiáng)度、樁側(cè)土質(zhì)條件、樁頂約束條件等，此時管樁的水平承載力由樁身的強(qiáng)度控制。通常情況是低配筋率的樁身先出現(xiàn)裂縫，接著整個樁體遭到損壞。而高配筋率的混凝土預(yù)制管樁在破壞時，樁身雖未斷裂，但是由于樁側(cè)土體塑性隆起，或是樁頂水平位移超過了允許值，也被認(rèn)為樁的水平荷載達(dá)到了極限狀態(tài)，此時樁的水平荷載由位移的控制。圖5為三種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身在較大地震波作用下的X、Y向位移。

表2 樁身X向最大和最小水平位移比較 m

表3 樁身Y向最大和最小水平位移比較 m

表4 樁頂與樁底豎向位移比較 m

表2中三種模型X向的水平位移差大小為：全部施加預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力管樁>施加四根預(yù)應(yīng)力筋的管樁>施加兩根預(yù)應(yīng)力筋的管樁。表3中三種模型樁身Y向水平位移差大小為：全部施加預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力管樁>施加四根預(yù)應(yīng)力筋的管樁>施加兩根預(yù)應(yīng)力筋的管樁。

因此可初步判定，部分施加預(yù)應(yīng)力要比全部施加預(yù)應(yīng)力的管樁在水平方向傳遞地震波的能力更強(qiáng)一些，整體穩(wěn)定性更好。再結(jié)合表4樁頂與樁底豎向位移值的比較中可以明顯看出，隨著施加預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)目的變大，樁頂位移逐漸變小。這是因為施加部分預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在拉力作用下其樁身混凝土的預(yù)壓應(yīng)力抵消的拉力要比施加全部預(yù)應(yīng)力混凝土管樁要小，受到的上拉荷載作用的影響比較大。而對于樁底位移，可以看出將樁身的所有鋼筋都施加預(yù)應(yīng)力時，要比部分施加預(yù)應(yīng)力鋼筋的管樁變形大。由此可見，預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)目越多，樁底的地震反應(yīng)越大。

對比三種預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁頂與樁底的位移差可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)目的增多，位移差也變大，也說明施加部分預(yù)應(yīng)力鋼筋管樁能夠更好的維持樁體在地震波作用下的穩(wěn)定性。綜合以上分析可以得出，對于抗震而言，施加部分預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁的抗震性能最優(yōu)。

(3)樁身軸力分析

當(dāng)?shù)卣鹱饔孟庐a(chǎn)生的上拉荷載作用在不施加預(yù)應(yīng)力的混凝土管樁上時，樁身受到拉力作用，荷載由上到下傳遞，樁頂受到的拉力要大于樁底。而對于施加預(yù)應(yīng)力的混凝土管樁，樁身首先受到來自預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓應(yīng)力，樁身兩端預(yù)應(yīng)力筋的錨固區(qū)會出現(xiàn)拉應(yīng)力，在上拉荷載作用初期首先是樁身受到壓力，隨后預(yù)壓應(yīng)力與上拉荷載逐漸抵消，當(dāng)上拉荷載大于預(yù)壓應(yīng)力后，樁身受拉。三種模型在地震波較大時的樁身軸力曲線如圖6所示。

圖6 三種預(yù)應(yīng)力管樁的樁身軸力

通過比較可以看出，隨著管樁內(nèi)部施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋數(shù)目的變大，軸向應(yīng)力也會變大。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在承受上拉荷載和水平地震作用時，四根和八根預(yù)應(yīng)力筋的管樁淺部樁身(0～1 m)的軸力為拉力，兩根預(yù)應(yīng)力筋的軸力為壓力，并且隨著深度的增加而迅速減小。超過1 m后，樁身的軸力全部為壓力，壓力增長變緩，整體上說明向上的拉力對下部樁身的影響不大。在樁長9 m左右處，四根和八根預(yù)應(yīng)力筋的樁身為壓力并且迅速減小，這是因為該深度的樁身截面是預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)段與非粘結(jié)段的過渡面，而兩根預(yù)應(yīng)力筋的樁體軸力恰好相反，呈現(xiàn)迅速變大的趨勢，預(yù)應(yīng)力筋可能發(fā)生了破壞。因此，從軸向應(yīng)力角度分析，施加一半數(shù)目預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁抵抗地震作用的能力最強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過大型有限元軟件ANSYS，對三種不同預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在地震作用下的受力特性進(jìn)行了分析研究，得到了以下結(jié)論：

①預(yù)應(yīng)力筋的施加可以抑制樁周土體的位移，保證了樁-土的整體穩(wěn)定性。

②施加部分預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土管樁在地震作用下相對更穩(wěn)定一些。

需說明的是，施加部分預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土管樁的在實際工程案例還不是很多，本文只限于理論數(shù)值模擬分析，應(yīng)該通過更多的工程實例和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，來進(jìn)一步得出預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的合理設(shè)計方法。

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StudyOnCharacteristicsofPrestressedConcretePilesWithDifferentPrestressedReinforcementInSeismicActions

ZHENG Rong-zheng1DU Xiao-lei2

2014-05-12

鄭榮政(1986—)，男，2013年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)04-0066-04

TU473.1

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