預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁抗震能力改善措施的試驗研究*

趙長春 張留軍 龔維明 孟春輝

(1.中電建路橋集團有限公司, 北京 100037; 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 211189)

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是預(yù)應(yīng)力技術(shù)與離心制管技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)離心、常壓蒸養(yǎng)、脫模和高壓蒸養(yǎng)而成。預(yù)應(yīng)力高強混凝土(PHC)管樁具有承載力高、樁身質(zhì)量可靠、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，在工程中越來越多地得到應(yīng)用。

PHC管樁作為地下結(jié)構(gòu)，與土的相互作用至關(guān)重要，且不同的土性對PHC管樁的承載能力影響很大。許多學(xué)者為了明確特定土性中PHC管樁的承載能力，進行了大量的試驗和數(shù)值模擬[1-8]：為了明確PHC管樁在軟土中的荷載傳遞規(guī)律，文獻[1-2]介紹了以靜載試驗為基礎(chǔ)進行的試驗研究和數(shù)值分析；阮翔通過試驗研究了PHC管樁在沈陽地區(qū)的荷載傳遞規(guī)律，并分析了端阻力和側(cè)阻力的變化規(guī)律[3]；郭楊通過試驗系統(tǒng)地研究了老黏土中PHC管樁的承載機理[4]；康景文分析了卵石地基中PHC管樁的豎向承載性狀[5]；宗鐘凌研究了PHC管樁在海淤地質(zhì)條件下荷載傳遞機理[6]；鄭建國等研究了PHC管樁在濕陷性黃土中的承載特性，并分析了黃土中PHC管樁的側(cè)阻力沿樁身的分布規(guī)律[7-8]；王士恩等通過室內(nèi)模型試驗分析了注漿對PHC管樁承載性能的影響[9]；劉永超對軟土地區(qū)擴孔灌漿預(yù)制管樁承載力進行了研究[10]。

上述研究主要集中在PHC管樁與各類土質(zhì)的相互作用機理。為明確水平荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載特性，許多學(xué)者通過試驗和數(shù)值分析對PHC樁的抗震性能進行了研究[11-14]：Yang等通過試驗和有限元分析研究了PHC樁在單調(diào)荷載作用下的抗震性能，其中PHC樁由于預(yù)應(yīng)力筋的張拉斷裂而突然失效，承載力下降[11]；Banerjee等通過對PHC樁的室內(nèi)試驗，估算了承載力，通過樁-土相互作用非線性模型，分析估算樁的曲率變化情況，研究了PHC樁的抗震性能[12]；Wang通過試驗和有限元分析，對PHC樁在延性和強度方面的性能進行了評價[13]；Au等提出了考慮本構(gòu)材料的非線性和應(yīng)力路徑，分析鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土截面的全范圍彎曲響應(yīng)[14]；為了改善PHC管樁的承載性能，許多學(xué)者提出了改善PHC管樁承載性能的方法[15-17]，并通過純彎試驗和低周往復(fù)荷載試驗研究改善后PHC管樁的承載性能，基于抗彎試驗發(fā)現(xiàn)[15-16]在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中配置非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋可以改善抗彎性能；戎賢等通過低周往復(fù)荷載試驗發(fā)現(xiàn)，在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中摻入鋼纖維可以改善PHC管樁的抗震性能；然而在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中加非預(yù)應(yīng)力筋或者樁身纏繞碳纖維布對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗震性能影響不大[17]。

上述研究主要研究了PHC管樁于各類土的相互作用機理及其PHC管樁樁身的抗彎、抗剪和抗震性能，并提出了改善PHC管樁抗彎性能和抗震性能的方法。在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中配置非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋可改善樁的抗彎性能，而并未提出如何改善PHC管樁樁身的抗震能力措施。本研究旨在通過在PHC管樁的混凝土中添加碳纖維以改善PHC管樁的抗震性能，并通過試驗對比普通PHC管樁與添加碳纖維的PHC管樁的抗震性能。

1 試驗方案

1.1 試件尺寸

對4根PHC樁開展了低周反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的研究。試驗樁包括普通的PHC樁和在樁身混凝土中添加碳纖維的改善樁。表1給出了樁的詳細情況。每一種類型的樁數(shù)為兩根。PHC樁的長度、跨度、直徑和厚度分別為5，4.4，400，95 mm。所有樁體均采用工廠離心、蒸汽和高壓蒸汽養(yǎng)護。PHC樁的尺寸及詳細配筋如圖1所示。其中摻加的碳纖維為短纖維，體積摻量為8‰，碳纖維長度和直徑分別為8.0，6.9 μm抗拉強度為3.2 GPa。

表1 試件尺寸Table 1 Sizes of specimens

圖1 PHC樁的尺寸和配筋Fig.1 Dimensions and reinforcement of PHC piles

1.2 混凝土材料性能

試件制作的同時，同一批次混凝土另外澆筑3個100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊測試混凝土的立方體抗壓強度；同時制作了3個150 mm×150 mm×300 mm的混凝土試塊測試混凝土軸心抗壓強度。將這些標準試塊與管樁構(gòu)件進行同條件蒸汽養(yǎng)護，按照GB/T 228—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》要求對這些試塊進行標準抗壓強度試驗，在結(jié)構(gòu)實驗室壓力試驗機上完成。

1.3 加載方案

1.3.1加載裝置

加載裝置示意如圖2，管樁兩端被固定在支座上、跨中固定在反力梁上便于施加豎向荷載。為了防止加載過程中樁身發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過弧形卡口將跨中及兩端固定。加載裝置包括弧形卡頭、反力梁和電液伺服加載系統(tǒng)。為保證加載頭面與加載鋼板不發(fā)生角位移，通過反力架將電液伺服作動器固定。

表2 試件配筋Table 2 Reinforcement of specimens

圖2 加載裝置示意Fig.2 The test setup

1.3.2加載制度

根據(jù)JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規(guī)程》的相關(guān)建議，采用先荷載控制、后撓度控制的方法進行加載。在正式試驗之前，預(yù)加載兩次，使結(jié)構(gòu)進入正常工作狀態(tài)。正式加載時，先用荷載控制加載，前6個等級每級增加10 kN。為了得到更加準確的位移加載所對應(yīng)的開裂荷載，在60 kN之后，每級增加5 kN。根據(jù)P-Δ曲線確定試件開裂所對應(yīng)的荷載，試件開裂后按位移控制，每級位移值增加量為5 mm，每級位移加載循環(huán)3次。當(dāng)試件的承載能力下降到最大承載力的85%時，即認為強度不能滿足要求，試驗停止。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 試驗現(xiàn)象

試件A和試件B的破壞過程(圖3)可分為三個階段，加載過程中試件A和試件B都在最大彎矩的中點(作動器作用點)先出現(xiàn)裂縫，并擴展到縱向鋼筋的斷裂處。加載過程中，試件A先出現(xiàn)裂縫，試件B后出現(xiàn)裂縫；加載至使縱向鋼筋破壞后，通過對比試件A和試件B發(fā)現(xiàn)：在混凝土中加碳纖維的試件出現(xiàn)裂縫寬度比普通PHC管樁較小，且出現(xiàn)裂縫的數(shù)量也相對較少。

a—A樁裂縫分布； b—B樁裂縫分布。圖3 縱向鋼筋破壞后的開裂情況Fig.3 Cracking in piles after fracture of longitudinal rebars

2.2 荷載-位移滯回曲線

荷載-位移滯回曲線如圖4所示,從中可以看出：荷載-位移曲線在開裂前近似呈線性，卸載后的殘余變形非常??；在混凝土開裂后，試件A和試件B的骨架曲線斜率明顯減小，曲線趨于平緩，構(gòu)件剛度迅速下降；在相同等級位移下，在混凝土中添加碳纖維的PHC管樁對于普通PHC樁的荷載較小，表明在混凝土中添加碳纖維能使PHC管樁的承載能力相對穩(wěn)定。

a—A試件； b—B試件。圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteresis curves

2.3 骨架曲線

圖5給出了試件A和試件B的骨架曲線，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：B樁在破壞前，具有較長的下降段， 表現(xiàn)出了延性破壞的特征，表明在混凝土添加碳纖維可以提高PHC樁的延性。

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curves

2.4 剛度退化

從圖6所示的各試件剛度退化曲線可以發(fā)現(xiàn)：在混凝土中加碳纖維的PHC管樁的剛度退化曲線在普通PHC管樁的上方。表明在PHC管樁混凝土中添加碳纖維可以改善樁身的剛度，而在開裂前的改善效果最好。隨著位移的增大，曲線趨于重合，當(dāng)位移接近極限時，剛度值之間的差異很小。

圖6 剛度退化曲線Fig.6 Curves of stiffness degradation

2.5 延性性能

依據(jù)JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規(guī)程》，位移延性系數(shù)μ可通過式(1)計算得到：

μ=Δu/Δy

(1)

式中：Δy為構(gòu)件的開裂位移；Δu為構(gòu)件的破壞位移。

通過上述方法得到位移延性系數(shù)如表3所示。

表3 位移延性系數(shù)Table 3 Ductility coefficients of displacement

從表3可以發(fā)現(xiàn)：在混凝土中添加了碳纖維的PHC管樁的位移延性系數(shù)大于普通試件的位移延性系數(shù)，這表明在混凝土中增加碳纖維可以有效提高PHC管樁的延性性能。

2.6 耗能性能

試件耗能曲線如圖7所示，對比圖7中的A試件和B試件的耗能曲線發(fā)現(xiàn)，B試件的耗能取消比A試件的耗能曲線更加飽滿，且B試件的耗能曲線所圍成的面積大于A試件。表明將碳纖維添加到混凝土中可以提高PHC管樁的耗能性能。

圖7 能量耗散曲線Fig.7 Curves of energy dissipation

3 結(jié)束語

為了研究在混凝土中添加碳纖維對PHC管樁抗震性能的影響，通過對比在混凝土中添加或不添加碳纖維的PHC管樁的試驗結(jié)果，分析兩種PHC管樁的抗震性能，得出以下結(jié)論:

1)通過試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在縱向受力筋斷裂后，在混凝土加碳纖維的試件出現(xiàn)裂縫寬度比普通PHC管樁較小，且出現(xiàn)裂縫的數(shù)量也相對較少。表明在混凝土中添加碳纖維可以改善混凝土的黏結(jié)力，提高混凝土的抗拉性能，延遲混凝土開裂。

2)通過分析兩種類型樁的試驗現(xiàn)象，研究抗震性能可發(fā)現(xiàn)，在PHC管樁的混凝土中添加碳纖維可以提高PHC管樁的延性、減弱PHC樁的剛度退化、提高PHC樁的剛度、強度和耗能性能。