非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置對(duì)PHC管樁水平承載力影響分析

孫曉凱 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 233000）

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡稱PHC管樁）是一種重要的新型樁基礎(chǔ)[1]，用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型方法制成的一種細(xì)長環(huán)形截面混凝土預(yù)制樁。此種類型的樁具有單樁豎向承載力高、耐久性好、質(zhì)量可靠、現(xiàn)場(chǎng)施工無污染等優(yōu)點(diǎn)，目前PHC管樁已大量應(yīng)用于高層建筑及公用建筑，成為我國應(yīng)用最廣泛的樁型之一[2]。然而，在PHC管樁的實(shí)際工程應(yīng)用過程中，通過一些具體的工程事故調(diào)查與分析，反映出預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁存在樁身抗彎性能較差的問題，這就嚴(yán)重限制了PHC管樁作為水平支護(hù)樁在工程中的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

在實(shí)際工程中，主要采用鋼筋混凝土灌芯措施來提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗水平荷載能力，但是施工過程周期長、投入大，效果也并不顯著[3]。本文從加強(qiáng)PHC管樁樁身水平承載力的角度出發(fā)，通過非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置來改善普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能，采用大型有限元分析軟件ANSYS，建立了原型樁體模型和配置普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋的對(duì)比樁模型[4]，按照工程樁配置縱向鋼筋和箍筋，計(jì)算了管樁在水平荷載作用下的受力性狀，分析了在不同級(jí)別荷載作用下，樁身產(chǎn)生的撓度和彎矩以及鋼筋應(yīng)力，從而得出非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的配置對(duì)PHC管樁的水平承載力影響的相關(guān)結(jié)論。

1 材料單元及本構(gòu)關(guān)系的選取

利用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件建立分離式模型，鋼筋和混凝土之間通過插入粘結(jié)單元來模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移。樁身混凝土選用帶筋的8節(jié)點(diǎn)3D-Solid65單元，考慮螺旋箍筋的作用，兩者做整體處理，采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則；預(yù)應(yīng)力鋼筋與普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用3D-LINK8單元。采用降溫法對(duì)鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，鋼筋的溫降值公式如下[5]：

式中：△T為鋼筋溫降值；E為鋼筋彈性模量；α為鋼筋線性膨脹系數(shù)；A為鋼筋截面積；P為預(yù)應(yīng)力施加值。

2 材料強(qiáng)度參數(shù)選取及模型建立

原型樁為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）,樁長為10m，樁徑600mm，壁厚130mm，樁體內(nèi)對(duì)稱配置14根φ12.6預(yù)應(yīng)力鋼棒，箍筋螺旋式φ6@50，水平放置，兩端簡支，加載位置位于樁中間，施加豎向集中荷載，兩端簡支。配置非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的對(duì)比樁在原型樁的基礎(chǔ)上增加配置7根φ12的HRB400級(jí)鋼筋，其他同原型樁。樁身材料強(qiáng)參數(shù)如表1，兩種模型配筋截面如圖1、圖2所示。

圖1 原型樁配筋截面

圖2 對(duì)比樁配筋截面

樁身材料強(qiáng)度參數(shù) 表1

由圖1、2可知，預(yù)應(yīng)力原型樁按實(shí)際工程樁要求沿截面對(duì)稱配置，對(duì)比樁中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋沿截面間隔布置。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS軟件建立有限元模型，采用樁體分割法，根據(jù)鋼筋位置不斷的將樁體分割，然后進(jìn)行網(wǎng)格單元的劃分，得到樁體有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 樁體實(shí)體單元模型

圖4 樁體縱筋與箍筋透視模型

3 模擬過程

采用分級(jí)加載的方式，分別對(duì)預(yù)應(yīng)高強(qiáng)混凝土原型樁和配置非預(yù)應(yīng)力普通螺紋鋼的對(duì)比樁施加分級(jí)荷載，初級(jí)荷載為20kN，以后逐級(jí)遞加：30kN、40 kN……加載至樁身開裂破壞，停止加載。

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過數(shù)值分析計(jì)算，原型樁在分級(jí)荷載作用下，在290kN荷載作用下達(dá)到開裂破壞，樁身跨中撓度為23.259mm，如圖5所示。配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋的對(duì)比樁在290kN荷載作用下，樁身沒有破壞，還能繼續(xù)承載。在本級(jí)荷載作用下，對(duì)比樁樁身跨中撓度為9.723mm，如圖6、圖7所示。繼續(xù)加載至350kN，對(duì)比樁開裂破壞，樁身跨中撓度為13.465mm，抗裂彎矩明顯增大。

由以上計(jì)算分析可知，普通原型樁在290kN荷載作用下的樁身跨中撓度明顯高于配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的對(duì)比樁在同級(jí)荷載作用下的樁身跨中撓度，后者僅為前者的41.8%；并且對(duì)比樁開裂破壞時(shí)的加載等級(jí)已達(dá)350kN，明顯高于普通原型樁?？梢?，非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的配置明顯提高了PHC管樁的延性，提高了其水平承載能力，改善了其抗彎性能。

圖5 原型樁在290kN荷載時(shí)樁身撓度云圖

圖6 對(duì)比樁在290kN荷載時(shí)樁身撓度云圖

圖7 兩種模型在290kN荷載時(shí)樁身撓度模擬值

圖8 兩種模型在290kN荷載時(shí)樁身撓度實(shí)驗(yàn)值

圖9 原型樁在290kN荷載時(shí)樁身撓度曲線

圖10 對(duì)比樁在290kN荷載時(shí)樁身撓度曲線

對(duì)比已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]，普通原型樁在290kN荷載作用下，其樁身跨中撓度為25.38mm，配置非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的對(duì)比樁在本級(jí)荷載作用下樁身跨中撓度為11.06mm，如圖8所示：樁身兩端撓度差別不大，相互接近，最大撓度跨中處兩種樁型差異顯著，對(duì)比樁的抗彎性能明顯優(yōu)于原型樁。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較，普通原型樁在290kN荷載作用下，模擬值與實(shí)驗(yàn)值分別為23.259mm和25.38mm，模擬值為實(shí)驗(yàn)值的91.6%，配置非預(yù)應(yīng)力筋的對(duì)比樁在本級(jí)荷載作用下模擬值與實(shí)驗(yàn)值分別為9.723mm和11.06mm，模擬值為實(shí)驗(yàn)值的87.9%，如圖9、圖10所示。由2組數(shù)據(jù)結(jié)果可知，有限元數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，誤差較小，說明數(shù)模型值模擬結(jié)果是合理的，進(jìn)一步說明非預(yù)應(yīng)力筋的配置能顯著改善預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗彎性能，提高其水平承載能力。

通過提取對(duì)比樁開裂破壞時(shí)樁身內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力分析比較，鋼筋等效應(yīng)力云圖與應(yīng)力曲線如圖11、圖12。在開裂破壞時(shí)，對(duì)比樁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力最大值為0.1688MPa，而此時(shí)非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力最大值為0.1299MPa，后者為前者的76.9%。由此說明，對(duì)于配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁來說，在承受水平荷載時(shí)，樁身內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋先發(fā)揮效用，非預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)揮效用速度較預(yù)應(yīng)力鋼筋慢，正是基于這一原因，當(dāng)樁身受力破壞時(shí)，非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置使得樁身還能繼續(xù)承載，提高了PHC管樁的樁身延性，從而改善了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗彎性能，提高了PHC管樁的水平承載能力。

5 結(jié)論

通過ANSYS有限元軟件建模對(duì)原型樁和對(duì)比樁的模擬計(jì)算，加之和已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置對(duì)PHC管樁水平承載力的影響，得出如下結(jié)論。

圖11 對(duì)比樁鋼筋等效應(yīng)力云圖

圖12 對(duì)比樁鋼筋應(yīng)力曲線

①相比普通預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁原型樁，配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的對(duì)比樁的抗彎性能得到很大的改善。在同級(jí)荷載作用下，對(duì)比樁樁身跨中撓度顯著小于原型樁樁身跨中撓度，體現(xiàn)其較好的延性。

②通過對(duì)對(duì)比樁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力分析，表明PHC管樁水平承載能力的提高，主要是由于兩種鋼筋發(fā)揮效應(yīng)的不同，在樁身開裂破壞的時(shí)候，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力明顯高于非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力，從而改善了PHC管樁的延性，提高其水平承載力。

③通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，誤差較小，表明數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果是合理的，進(jìn)而說明運(yùn)用ANSYS有限元軟件模擬分析PHC管樁水平承載力是可行的。