离心钢管混凝土桩抗剪性能研究

汤青森，杨俊峰，王为民

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)



离心钢管混凝土桩抗剪性能研究

汤青森，杨俊峰，王为民

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：针对离心钢管混凝土桩(普通SC桩),建立有限元横向受剪模型,并利用该模型进行参数分析,试件的参数包括材料的强度、钢管的壁厚、桩壁的壁厚和剪跨比。结果表明,剪跨比λ≤0.8的普通SC桩构件为剪切破坏,0.8<λ≤1.0的普通SC桩构件为弯剪破坏,λ>1.0的普通SC桩构件为弯曲破坏。根据有限元计算结果,拟合推导出离心钢管混凝土桩抗剪承载力的经验公式。

关键词：离心钢管混凝土桩;有限单元法;抗剪承载力;剪跨比

0引言

离心钢管混凝土桩[1](普通SC桩),是采用钢板卷曲成型焊接制成钢管,并在钢管内浇筑混凝土,通过离心成型制成承受较大竖向荷载和水平荷载的新型基桩制品。与预应力混凝土管桩(PHC桩)生产工艺相比,普通SC桩工艺简单。工序减少,生产效率提高,从而为降低工程建设成本提供了可能性,同时普通SC桩还具备弹塑性好、刚度大、自重轻、可工厂加工等优点,已经广泛应用于工业、电力等领域的实际工程应用中。目前对钢管混凝土抗剪研究主要集中在圆钢管混凝土柱方面[1-4]。本文基于有限元软件ABAQUS建立了普通SC桩在横向受剪荷载作用下的有限元模型,并基于此理论模型进行参数分析,主要分析材料的强度、钢管的壁厚、桩壁的壁厚、剪跨比等主要参数对其荷载-变形曲线的影响参数。最终基于参数分析的数据和结论,拟合推导离心钢管混凝土桩抗剪承载能力经验公式。

1有限元模型

普通SC桩构造如图1所示,其中D指钢管的外径,t指的是桩壁壁厚,ts表示钢管的厚度,L表示桩长。

图1　SC桩试件构造

1.1材料的本构关系

在建立有限元模型时,选择合理的材料模型是有限元分析的关键。本文利用有限元软件ABAQUS建立模型时,钢管本构关系以文献[5]提出的二次塑流模型基础,将其简化成双折线型,即只有弹性段和强化段,方便模型有利于收敛,其公式为

(1)

混凝土采用ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型。其本构关系采用文献[6]综合经验公式和实测数据提出的混凝土应力-应变关系。

1.2单元模型、装配、相互作用及网格划分

钢管采用四节点有限膜应变线性减缩积分壳单元(S4R单元),S4R单元性能稳定,与S4单元(四节点有限膜应变线性完全积分壳单元)相比,其适用范围更广。

混凝土、加载板和桩卡采用三维八节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R单元),两种材料均采取线性减缩积分单元,与普通的完全积分相减缩积分单元在每个方向上比完全积分少一个积分点,而线性减缩积分单元只在单元中心有一个积分点。采用线性减缩积分单元,对位移的求解比较精准。按几何位置关系定义相对关系,将各个部件装配形成整体模型,其中桩卡作为实验的支座。钢管及混凝土与加载板、桩卡均采用绑定约束,保证加载板和混凝土在接触面上位移一致。网格划分采用网格试验的方法来确定合理的网格密度。

1.3载荷和边界条件

离心钢管混凝土桩横向受剪模型通过在加载板上施加力进行求解。在加载板施加压强,压强的大小为力的大小除以加载板的面积。需要经过多次的实验来确定力值的大小。在支座底端设置的边界条件为一端固定铰支,一端滑动铰支。

2抗剪性能参数分析

根据文献[7]行业标准内桩的结构形状,选择生产最常见的桩型为典型算例:公称直径D为400 mm,桩壁厚度为90 mm;钢管厚度为6 mm,单节桩长选择3 m,钢管的牌号为Q235,混凝土的强度等级为C80,剪跨比为1。观察各模型剪力-挠度曲线的变化。其中剪力指剪跨段的剪力,而挠度指的是桩身跨中挠度。

2.1钢材强度的影响

为了分析不同的钢材的强度对普通SC桩构件抗剪性能的影响,本文选择三种不同的钢管牌号Q235、Q345、Q460,其他基本参数保持不变。观察不同钢材强度下,其模型的剪力-挠度曲线的影响,从图2可看出,随着钢材强度的增加,构件的抗剪承载力均匀增大,幅度明显。弹性阶段刚度几乎不变,而曲线的形态和发展趋势较为一致。

图2　不同钢材强度的剪力-挠度曲线

2.2混凝土强度的影响

图3给出了混凝土的强度对剪力-挠度曲线的影响。本文选择混凝土等级为C60、C70、C80。

从图3中可看出,在其他参数不变的情况下,随着混凝土强度的提高,普通SC桩的抗剪承载能力也逐步增大,但提高的幅度较小,弹性阶段刚度也提高较少,剪力-挠度曲线的形态和发展趋势基本保持一致。

2.3钢管壁厚的影响

保持截面的其他尺寸不变,那么截面的含钢率(α=As/Ac,式中As和Ac分别表示钢管和混凝土的横截面积)与钢管的壁厚有关,含钢率随着钢管壁厚的增加而增加。

本文选择三种不同的钢管厚度,图4给出了三种不同的钢管厚度的剪力-挠度曲线,从图4中可以看出,随着钢管的厚度的提高,普通SC桩的抗剪承载力越来越大,增加的幅度也较为均匀,曲线的形态基本保持不变。

图3　不同混凝土强度的剪力-挠度曲线

图4　不同钢管厚度的剪力-挠度曲线

2.4桩壁壁厚的影响

普通SC桩桩壁壁厚包括钢管壁厚加上混凝土的壁厚,保持其他参数不变,那么壁厚的增加也就是混凝土的壁厚的增加。图5给出了不同壁厚情况下的剪力-挠度曲线,从图5中可以看出,随着壁厚的增加,构件的抗剪承载能力逐步增加,但增加的幅度很小。一开始,几条曲线几乎是一条重合的曲线,在达到比例极限后依次分开,弹性阶段的刚度也几乎没有变化。

图5　不同桩壁壁厚的剪力-挠度曲线

2.5剪跨比的影响

本文选择几种不同的剪跨比(λ=0.5、λ=0.8、λ=1、λ=1.2、λ=1.5),其他基本参数保持不变。图6给出了不同剪跨比下剪力-挠度曲线,从图6中可以看出,随着剪跨比的减小,抗剪承载力逐渐增大,提高的幅度也越大,特别是当剪跨比λ=0.5时,抗剪承载力相比λ=0.8时的承载力提高了30%,随着剪跨比的增大,曲线越趋于平滑。

图6　不同剪跨比的剪力-挠度曲线

为了进一步进行抗剪分析,图7给出了不同剪跨比情况下的τ-γ曲线(τ=V/Asc,γ为截面的最大剪应变),随着剪跨比λ的增大,τ-γ曲线峰值不断减小。当剪跨比在0.8和1之间时,抗剪承载力变化幅度最大,而当剪跨比大于1和小于0.8时,承载力变化幅度较小,可以定义当剪跨比λ≤0.8时,普通SC桩破坏形式为剪切破坏;当剪跨比0.8<λ≤1.0时,普通SC桩破坏形式为弯剪破坏;当剪跨比λ>1.0时,普通SC桩破坏形式为弯曲破坏。

图7　不同剪跨比的τ-γ曲线

3抗剪承载力计算公式

文献[8]将剪跨比等于零时的“纯剪”受剪承载力V0设置成钢管混凝土结构受剪承载力的上限。

V0=0.2Acfck+0.6Asfs=

(2)

根据参数分析中剪跨比影响的模型数据,随着剪跨比的增加,抗剪承载力逐渐减小,图7给出了有限元计算构件的Vu/V0和剪跨比λ的关系曲线,将图7中各数值点进行拟合,得到离心钢管混凝土桩抗剪承载力的经验公式,即

(3)

图8　普通SC桩抗剪承载力关系曲线

4结束语

采用大型通用有限元软件ABAQUS模拟薄壁离心钢管混凝土桩横向受剪下的力学性能。基于此理论模型,可对各主要参数,包括材料的强度、钢管的壁厚、桩壁壁厚和剪跨比等主要参数进行参数分析,并通过对剪跨比影响的主要分析,确定当剪跨比λ≤0.8时,普通SC桩破坏形式为剪切破坏;当剪跨比0.8<λ≤1.0时,普通SC桩破坏形式为弯剪破坏;当剪跨比λ>1.0时,普通SC桩破坏形式为弯曲破坏。本文还通过对有限元计算结果的拟合,提出了离心钢管混凝土桩的抗剪承载力计算经验公式。

〔参考文献〕

[1]徐春丽.钢管混凝土柱抗剪承载力试验研究[D].济南:山东科技大学,2004.

[2]钱稼茹,崔瑶,方小丹.钢管混凝土柱受剪承载力试验[J].土木工程学报,2007,40(5): 1-9.

[3]尧国皇.钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究[D].福州:福州大学,2006.

[4]郭淑丽.钢管混凝土柱抗剪力学性能研究[D].福州:福州大学,2008.

[5]韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践(第1版)[M].北京:科学出版社,2007.

[6]丁发兴,余志武,蒋丽忠.圆钢管混凝土结构非线性有限元分析[J].建筑结构学报,2006,27(4):110-115.

[7]JG-T 272-2010,预制高强混凝土薄壁钢管桩[S].

[8]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2003.

收稿日期：2016-03-18

作者简介：汤青森(1987-),男,安徽芜湖人,合肥工业大学硕士生．

中图分类号：TU 473.01

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0247-03