預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔樁受力性能分析

劉晗晗，劉擎波

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔樁受力性能分析

劉晗晗1，劉擎波2

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

抗拔樁的承載力除受樁身強(qiáng)度、樁側(cè)阻力影響外，樁身裂縫通常起控制作用。通過改變抗拔樁內(nèi)受拉鋼筋的數(shù)量、直徑，改變樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方式改善抗拔樁的抗裂性能，在一定程度上造成了材料的浪費(fèi)，工程造價(jià)的提高，且改善效果往往不是十分明顯。本文通過在有限元軟件ABAQUS中建立預(yù)應(yīng)力混凝土樁土接觸模型，分析了在抗拔樁內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線后樁身混凝土及鋼筋的應(yīng)力變化情況，以及在上拔力作用下，預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)樁身混凝土及鋼筋的應(yīng)力影響。分析結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力能夠在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)有效建立，增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線能夠有效提高混凝土抗拔樁的抗裂性能。

抗拔樁；預(yù)應(yīng)力；鋼絞線；抗裂性能

引 言

對(duì)于某些碼頭結(jié)構(gòu)、大型船塢底板以及地下水位較高的高聳建筑物樁，由于建筑物所受水浮力較大，在其樁基礎(chǔ)中往往需要設(shè)置抗拔樁（又稱抗浮樁）以抵抗結(jié)構(gòu)所受水浮力[1～3]。在抗拔樁的設(shè)計(jì)中，其所能承受的最大拉力除受樁身強(qiáng)度、樁側(cè)阻力影響外，樁身裂縫往往對(duì)其承受的最大拉力起控制作用。根據(jù)JTJ 248-2001《港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》[4]的規(guī)定，減小樁身裂縫的措施主要包括改變抗拔樁內(nèi)受拉鋼筋的數(shù)量、直徑，改變樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方式。這些方式對(duì)于改善抗拔樁的抗裂性能易于操作，常常被設(shè)計(jì)人員所采用，但也因此在一定程度上造成了材料的浪費(fèi)，工程造價(jià)的提高，且改善效果往往不是十分明顯。

對(duì)于某些適合采用灌注樁的碼頭結(jié)構(gòu)，由于波浪等荷載的作用導(dǎo)致樁基的受彎作用力很大，常采用預(yù)應(yīng)力樁或鋼管樁改善樁基的抗彎抗裂性能[5]。但卻很少采用預(yù)應(yīng)力混凝土樁作為抗拔樁。為分析在灌注樁內(nèi)增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)樁身抗裂性能的影響，本文通過有限元軟件ABAQUS建立了混凝土灌注樁的模型，并對(duì)比分析了增加預(yù)應(yīng)力筋后樁身及鋼筋、鋼絞線的應(yīng)力變化情況，為工程中采用預(yù)應(yīng)力混凝土灌注樁提供參考意義。

1 有限元模型

為分析在鉆孔灌注樁中施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)樁受力性能的影響，采用有限元軟件ABAQUS建立了預(yù)應(yīng)力樁及土的有限元模型。

1.1 樁、基礎(chǔ)參數(shù)

1）材料

樁及承臺(tái)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗壓強(qiáng)度fc=14.3 N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.43 N/mm2，彈性模量Ec=3.0×104N/mm2。樁中普通鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy= 360 N/mm2，彈性模量Es=2.0×105N/mm2；樁中預(yù)應(yīng)力筋采用1860鋼絞線，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fpy= 1 320 N/mm2，彈性模量Eps=1.95×105N/mm2。

2）幾何尺寸

樁徑為 0.8 m，樁長(zhǎng)為 25 m，承臺(tái)尺寸為2.0 m×2.0 m，厚度為0.8 m。樁內(nèi)均勻設(shè)置6根直徑為14 mm鋼筋和2根面積為140 mm2的鋼絞線。

1.2 土體參數(shù)

土體深度均為37.5 m。分析時(shí)將預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉端設(shè)在樁頂，樁周土范圍的直徑取8 m；有限元模型如圖1所示。

圖1 樁土有限元模型

2 本構(gòu)模型

2.1 混凝土本構(gòu)模型

分析過程中混凝土受拉及受壓本構(gòu)模型分別如圖2和圖3所示，均不考慮截面內(nèi)橫向箍筋的約束增強(qiáng)效應(yīng)，僅采用規(guī)范中建議的素混凝土參數(shù)，未考慮混凝土裂縫對(duì)其剛度的影響。分析時(shí)當(dāng)混凝土由受拉變?yōu)槭軌簳r(shí)，混凝土材料的裂縫閉合，此時(shí)混凝土抗壓剛度將恢復(fù)為原有的抗壓剛度；當(dāng)混凝土由受壓變?yōu)槭芾瓡r(shí)，混凝土裂縫將再次張開，此時(shí)混凝土抗拉剛度仍采用進(jìn)入受壓狀態(tài)前混凝土抗拉剛度。

圖2 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 土本構(gòu)模型

分析過程中土體采用 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：τ為剪切強(qiáng)度；σ為正應(yīng)力；c為材料粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角，取20°。

2.3 鋼筋及鋼絞線本構(gòu)模型

分析過程中鋼筋及鋼絞線均采用等向強(qiáng)化本構(gòu)模型。由于分析過程中上拔力較小，因此非預(yù)應(yīng)力鋼筋處于完全彈性狀態(tài)，未達(dá)到屈服應(yīng)力。施加預(yù)應(yīng)力后，去除預(yù)應(yīng)力損失后實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力，鋼絞線的張拉應(yīng)力為77 %，故此時(shí)鋼絞線也處于完全彈性狀態(tài)。

3 樁、土接觸模擬

樁土間接觸的切向行為采用庫(kù)侖摩擦模型模擬，該模型用摩擦系數(shù)μ來表征在兩個(gè)表面之間的摩擦行為。在達(dá)到臨界剪應(yīng)力之前，切向運(yùn)動(dòng)一直保持為零。臨界剪應(yīng)力可表示為[6]：

式中：p為兩接觸面之間的接觸壓力；μ為摩擦系數(shù)，本模型取0.4。

樁土間接觸的法向行為采用硬接觸，即當(dāng)接觸面之間的接觸壓力變?yōu)榱慊蛘哓?fù)值時(shí)，兩個(gè)接觸面分離，同時(shí)接觸面間的約束被移開；但對(duì)接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力量值未做任何限制。

4 計(jì)算過程

計(jì)算過程共采用5個(gè)荷載步：

1）應(yīng)用ABAQUS生死單元技術(shù)，殺死樁、鋼筋、鋼絞線及承臺(tái)，對(duì)土體施加約束，并進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

2）激活樁、鋼筋、鋼絞線及承臺(tái)，對(duì)樁及承臺(tái)施加豎向約束，并施加重力；

3）去除樁及承臺(tái)，在承臺(tái)底部、樁周及樁底施加接觸，定義樁土接觸；

4）鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力大小為200 kN（去除預(yù)應(yīng)力損失后實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力，張拉應(yīng)力為77 %）；

5）在樁頂施加上拔力，大小為500 kN。

5 結(jié)果分析

5.1 樁身預(yù)應(yīng)力的建立過程分析

對(duì)于普通的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，無論先張法還是后張法，通過構(gòu)造及施工措施，基本可以保證構(gòu)件兩端及沿構(gòu)件縱軸方向上沒有明顯的約束，即在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)構(gòu)件可以相對(duì)自由的壓縮變形，以便在構(gòu)件上有效建立預(yù)壓應(yīng)力。但對(duì)于后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鉆孔灌注抗拔樁而言，由于樁身周圍土體對(duì)抗拔樁的側(cè)阻約束，可能導(dǎo)致樁身預(yù)壓應(yīng)力無法有效的建立起來。為分析預(yù)應(yīng)力鉆孔灌注抗拔樁樁身預(yù)應(yīng)力建立的效果，分析了施加預(yù)應(yīng)力后樁內(nèi)鋼筋和樁身的應(yīng)力。

圖4 鋼筋應(yīng)力

圖5 樁身應(yīng)力

由圖4～圖5可知，張拉端設(shè)在樁頂時(shí)，施加重力后樁內(nèi)鋼筋最大壓應(yīng)力為-0.96 MPa，樁身混凝土最大壓應(yīng)力為-0.24 MPa。施加預(yù)應(yīng)力后，樁內(nèi)鋼筋最大壓應(yīng)力為-5.88 MPa，最小壓應(yīng)力為-5.05 MPa，樁身混凝土最大壓應(yīng)力為-0.98 MPa，最小壓應(yīng)力為-0.79 MPa。施加預(yù)應(yīng)力前后，樁身及樁內(nèi)鋼筋最大應(yīng)力均位于樁身中下部。

由以上分析可知，在施加預(yù)應(yīng)力后，與未施加預(yù)應(yīng)力相比，樁內(nèi)鋼筋和樁身混凝土最大應(yīng)力均有顯著增加，因此可知預(yù)應(yīng)力能夠在樁全長(zhǎng)范圍內(nèi)有效建立。

5.2 混凝土抗拉對(duì)抗拔樁受力性能的影響

混凝土的抗拉性能較差，其抗拉承載力與抗壓承載力相比較低。以C30混凝土為例，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值tf=1.43 N/mm2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值cf= 14.3 N/mm2，二者相差10倍。而當(dāng)混凝土內(nèi)配置受拉鋼筋時(shí)，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360 N/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)往往假定混凝土不承擔(dān)拉力，拉力全部由鋼筋承擔(dān)。為分析是否考慮混凝土抗拉對(duì)抗拔樁受力性能的影響，計(jì)算中分別將其抗拉強(qiáng)度取為0.002 N/mm2和1.43 N/mm2，對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖6 鋼筋應(yīng)力（不考慮混凝土抗拉）

圖7 樁身應(yīng)力（不考慮混凝土抗拉）

圖8 鋼筋應(yīng)力（考慮混凝土抗拉）

圖9 樁身應(yīng)力（考慮混凝土抗拉）

由圖6～圖9可知，當(dāng)不考慮混凝土抗拉時(shí)，施加預(yù)應(yīng)力后，鋼筋最大壓應(yīng)力為5.88 MPa，混凝土受壓應(yīng)力為-0.98 MPa；施加500 kN上拔力后，鋼筋由受壓變?yōu)槭芾?，其最大拉?yīng)力為97.45 MPa。當(dāng)考慮混凝土抗拉時(shí)，由于混凝土截面面積與鋼筋截面面積相比較大，因此混凝土分擔(dān)大部分上拔力，此時(shí)鋼筋的拉應(yīng)力降低為1.19 MPa，混凝土受拉應(yīng)力則為0.18 MPa。因此可知，考慮混凝土抗拉后鋼筋所受拉應(yīng)力大幅降低，與未考慮是相比，降低幅度達(dá)98.8 %。而事實(shí)上，雖然混凝土受拉性能較差，抗拉承載力較低，但由于其與配置的鋼筋相比，截面面積較大，因此不考慮混凝土抗拉所得結(jié)果將大大低估樁身抗拉承載力，造成較大的浪費(fèi)。由于現(xiàn)行規(guī)范在設(shè)計(jì)抗拔樁時(shí)未考慮樁身混凝土的抗拉強(qiáng)度，因而樁身混凝土的抗拉強(qiáng)度可以作為有效的安全儲(chǔ)備。

5.3 預(yù)應(yīng)力對(duì)抗拔樁受力性能的影響

為分析在抗拔樁中施加預(yù)應(yīng)力對(duì)抗拔樁受力性能的影響，分別對(duì)比分析了施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線和未施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)樁內(nèi)鋼筋及混凝土應(yīng)力變化情況。

圖10 有預(yù)應(yīng)力時(shí)鋼筋應(yīng)力

圖11 有施加預(yù)應(yīng)力時(shí)樁身應(yīng)力

圖12 無預(yù)應(yīng)力時(shí)鋼筋應(yīng)力

圖13 無預(yù)應(yīng)力時(shí)樁身應(yīng)力

由圖10～圖13可知，未施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)，抗拔樁在 500 kN拉力作用下，鋼筋最大應(yīng)力為6.43 MPa，樁身最大應(yīng)力為0.99 MPa；施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線后鋼筋最大應(yīng)力為1.19 MPa，混凝土受拉應(yīng)力則為0.18 MPa，與未施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線相比分別降低了81.5 %和81.8 %。由此可知，在抗拔樁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力可大幅降低其內(nèi)部非預(yù)應(yīng)力鋼筋及樁身混凝土的應(yīng)力水平，有效提高樁身抗裂性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）在鉆孔灌注抗拔樁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力鋼筋，可大幅降低鉆孔樁內(nèi)部非預(yù)應(yīng)力鋼筋及樁身混凝土的應(yīng)力水平，從而有效提高樁身抗裂性能。

2）對(duì)于后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鉆孔灌注抗拔樁來說，雖然在樁身及樁端存在一定約束，但是在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后樁身依然能夠建立起有效的預(yù)壓應(yīng)力。由于張拉端設(shè)置位置的不同，將導(dǎo)致樁身有效預(yù)壓應(yīng)力的分布位置有所不同。

3）在樁身施加上拔力后，是否考慮混凝土自身的抗拉強(qiáng)度對(duì)最終樁身混凝土和鋼筋的應(yīng)力狀況影響較大。在樁身設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度可以作為有效地安全儲(chǔ)備。

[1]楊紹虎.抗拔樁承載力計(jì)算方法研究[J].安徽建筑,2014,1(195):90-92.

[2]李海霞.嵌巖抗拔樁承載力特性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[3]江凌.結(jié)合工程案例探討鉆孔灌注樁在船塢地基工程中的應(yīng)用[J].交通建設(shè),2012:250-251.

[4]JTJ 248-2001港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].北京:中華人民共和國(guó)交通部,2002.

[5]JTJ254-98 港口工程樁基規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[6]莊茁,張帆,岑松.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

Load Performance Analysis of Pre-stressed Concrete Uplift Pile

Liu Hanhan1,Liu Qingbo2
(1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China; 2.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

Besides the strength and side resistance of pile body,pile cracks usually play an important role in the control of the bearing capacity of uplift pile.Some conventional measures have been adopted to improve the crack resistance of the uplift pile,including the changes of pile’s concrete strength grade,the number and diameter of reinforcing bars in the uplift pile.The above methods waste materials and increase the construction cost to a certain extent,but the crack resistance is not improved obviously.Based on finite element software ABAQUS,a pre-stressed concrete pile-soil model is established to analyze the stress variation of pile concrete and reinforcing bars after adding pre-stressed steel strand into the uplift pile as well as the stress impact of the pre-stressed steel strand on pile concrete and reinforcing bars under uplifting force.The analysis results show that pre-stress works effectively in the range of pile length and the addition of pre-stressed steel strands can improve the crack resistance of concrete uplift pile effectively.

uplift pile; pre-stress; steel strand; crack resistance

TU473.1+1

：A

：1004-9592（2016）06-0031-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160608

2015-01-08

劉晗晗(1984-)，女，助理工程師，主要從事港工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究工作。