预应力高强混凝土管桩抗震性能试验研究

李艳艳，陈艳风，刘 坤，韩红霞

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3.河北工业大学 校园规划处，天津 300130）

0 引言

一般把强度等级为 C50及其以上的混凝土称为高强混凝土，近年来，高强混凝土以其高强早强、变形小、减轻结构自重、增加使用面积等优点，在工程材料中得到广泛应用[1]，预应力高强混凝土管桩就是其中一例.预应力高强混凝土管桩（以下简称PHC管桩）以其单桩承载力高，质量稳定，施工方便快捷，稳定性好等优点逐渐引起工程界人士的关注[2-3].国外，日本是对PHC管桩的研究、应用技术最全面的国家.我国自80年代初开始引进、研制和生产预应力高强混凝土管桩，近年在各地特别是沿海地区得到了广泛应用，如广东、福建、浙江、上海等地区有大量的工程应用[4].研究预应力高强混凝土管桩的抗震性能对今后桩基的抗震设计和措施很有参考价值.

但是，国内外对PHC管桩的研究，多数停留在对PHC管桩的破坏模式的理论分析及单桩水平承载力的静载试验研究[5-6]，对PHC管桩抗震性能的研究很少，对其在地震作用下的破坏特征及受力性能的研究更少.本文针对国内外研究的不足，在低周往复荷载作用下，通过改变预应力筋直径及管桩直径即按相关图集和规范[7-8]，对A型、AB型两种PHC管桩的抗震性能进行了研究和分析，并用ANSYS进行了分析验证.

1 试验概况及模型建立

表1 各试件设计参数Tab.1 Each specimen design parameters

试验设计两组共4根PHC管桩，试件的参数设计如表1所示.试件桩身长5000mm，混凝土采用高强混凝土C80，混凝土的力学性能如表2所示.预应力筋采用预应力钢棒，预应力筋的力学性能如表3所示，箍筋采用螺旋箍筋.

试验加载装置如图1所示，采用低周往复的拟静力试验方法和力-位移混合控制的加载制度.低周往复荷载通过拉圧千斤顶施加，荷载控制时循环1次，位移控制时循环3次，以试件屈服为界限，试验加载直至荷载下降至极限荷载的85%以下或预应力钢棒断裂，试件破坏，试验终止.

试件采用的ANSYS模型如图2.

表2 混凝土力学性能Tab.2 Concrete mechanics performance

表3 钢筋的力学性能Tab.3 Steel mechanics performance

2 破坏形态

各试件的破坏形态如下图3所示.

在荷载控制阶段，首先在桩身上、下部出现垂直于桩身的裂缝，随着荷载的增加，桩身裂缝条数不断增加，并在位移控制阶段出现了贯通裂缝.破坏时，试件 PHC1、PHC2是受压区混凝土被压碎，预应力筋脆断，试件破坏.试件PHC3、PHC4是预应力筋脆断，试件破坏，混凝土被压碎.可见在配箍率相同的条件下，一定程度的提高桩径可改善试件的破坏形态.

结合PHC4试件ANSYS分析的极限状态应力云图，可以看出桩身中部应力最大，向周边慢慢减小，与桩身的破坏形态相符，验证了试验结论的正确性.

图1 加载装置Fig.1 Loading devices

图2 ANSYS模型图Fig.2 ANSYS model figure

3 承载力及延性性能分析

PHC管桩各试件的承载力、位移及延性如下表4所示.PHC4的试验值与ANSYS分析值对比如下表5.

由表4可知：

1）试件PHC1比试件PHC2的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载分别提高15%、50%、55%；试件PHC3比试件PHC4的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载分别提高19%、51%、36%；说明在桩身混凝土有效预压应力降低33%的条件下，提高预应力筋直径，即提高预应力筋钢棒配筋率，可有效提高构件的承载能力.

2）试件PHC1比试件PHC2的开裂位移有所降低，但屈服位移、极限位移分别提高139%、97%；试件PHC3比试件PHC4的开裂位移提高5%，屈服位移、极限位移有所降低，但降低不多.说明在桩身混凝土有效预压应力降低33%的条件下，提高预应力筋钢棒配筋率，能在一定程度上改善构件的变形能力.

3）试件PHC1比试件PHC2的位移延性系数提高8%，试件PHC3比试件PHC4的提高9%.说明提高预应力筋钢棒配筋率，能提高构件的延性.

4）试件PHC3、PHC4比试件PHC1、PHC2的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、延性系数都提高，但开裂位移、屈服位移、极限位移总的来说降低.说明适量增加管桩直径，可提高构件的承载能力，延性，但变性能力降低.

由表5可知：试验实测的承载力结果与ANSYS模型计算的荷载、位移结果进行比较发现，两者的吻合程度较高，两种结果的最大位移及最大承载力的均值误差比值均在10%及以下，且试验实测结果比理论模拟结果要小，表明ANSYS有限元模型模拟的结果与实际情况相比并不保守，但两者相当接近，可以作为今后利用有限元分析对预应力混凝土管桩进行抗震承载性能研究的可靠模型，也进一步验证了试验结论的正确性.

图3 试件的破坏形态及PHC4极限应力云图Fig.3 The damage form of specimens and lim it stress nephogram

4 耗能分析

各试件的荷载-位移滞回曲线如图4所示，其中以PHC4为例进行ANSYS分析.

表4 试件的承载力、位移及延性Tab.4 Specimen's bearing capacity，ductility and displacement

表5 PHC4试验实测值与ANSYS分析计算值对比表Tab.5 Cooperation of experimental values and the value of ANSYS analysis of PHC4

图4 各试件的荷载-位移滞回曲线Fig.4 The load-displacement hysteretic curves of the specimens

1）从荷载-位移滞回曲线图中可以看出，配置预应力筋直径为10.7mm的PHC1、PHC3试件的滞回曲线较饱满，并且在加载后期下降段较缓，说明不管直径是400 mm的PHC管桩，还是直径是500 mm的PHC的管桩，适量增加预应力钢棒配筋率有利于提高试件的耗能能力.在预应力筋钢棒直径相同的条件下，直径是500 mm PHC的管桩的滞回曲线的面积要大，说明适当增大PHC管桩直径有利于改善管桩的耗能能力.总的来看，4个试件的滞回曲线所包围的面积都比较小，这是因为试件是预应力筋钢棒断裂而发生脆性断裂.

2）通过对比PHC4有限元模型与原型试件的荷载-位移滞回曲线发现，两者的滞回环形态相似，即呈现典型的S形曲线形态，出现明显的捏缩现象，表明在模拟抗震试验的非线性分析过程中，试件模型耗能能力不足，预应力的作用使模型的变形恢复能力较强，但变形能力不足，从而验证了抗震试验中试件荷载位移滞回曲线结果的正确性.

5 累积损伤分析

各试件的累积损伤指标如表6所示.

表6 试件各主要阶段的累积损伤指标Tab.6 Specimens each major phase of the cumulative damage index

由表6可知：对于直径为400 mm的管桩，与试件PHC2相比，试件PHC1的初裂、屈服阶段的累积损伤指标都要大，极限阶段的累积损伤指标偏小；对于直径为500 mm的管桩，试件PHC3的各个阶段的累积损伤指标都要比PHC4的大.总的来说，对于各个阶段，直径为500 mm的管桩的累积损伤指标偏大，试件PHC4最大，说明适当增加预应力筋用量，钢筋承担的损伤增加，从而延缓混凝土的破坏，提高试件的承载能力.

6 结论

通过对4根PHC管桩进行拟静力试验，可以得出结论如下：

1）适量提高预应力筋钢棒配筋率，可以延缓混凝土的破坏，从而有效提高PHC管桩的承载能力，在一定程度上改善PHC管桩的变形能力，提高试件的延性.

2）滞回曲线反映出适量增加预应力筋钢棒配筋率，可以提高PHC管桩的耗能能力，有利于改善PHC管桩的抗震性能.

3）对比4根试件，在施工许可的条件下，适量增加PHC管桩直径可以提高试件的承载能力，改善PHC管桩的延性性能.

4）通过ANSYS软件对破坏形态、承载能力、延性性能、耗能能力的分析，验证了试验结论的正确性.

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