不同預應力混凝土管樁在地震作用下的受力特性分析

鄭榮政 杜曉磊

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251； 2.河北工業大學， 天津 300401)

不同預應力混凝土管樁在地震作用下的受力特性分析

鄭榮政1杜曉磊2

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251； 2.河北工業大學， 天津 300401)

以一定長度的混凝土管樁作為分析研究對象，運用大型有限元分析軟件ANSYS對其在不同預應力條件下的受力特性進行有限元模擬及分析。研究的主要內容和步驟包括：分別建立三種不同預應力混凝土管樁的模型，以天津波為例分析比較不同模型在地震作用下樁周土體位移、樁身位移和樁身軸力的變化，提出施加部分預應力的混凝土管樁在地震作用下相對穩定的觀點，為后續的進一步實驗對比和數值模擬分析研究提供參考和指導。

預應力管樁 地震作用 位移 樁身軸力

1 概述

在地震荷載作用下， 樁基礎受到的荷載有豎向荷載、水平荷載和彎矩。當作用在樁基的荷載較大，樁基及樁周土的強度不足以抵抗時，就會導致樁-土體系的破壞，從而導致整個結構的破壞[1]。目前國內外對施加部分預應力管樁在地震作用下的研究還不是很多，尤其是針對預應力筋的研究更是缺乏實踐經驗。對地震作用下三種預應力管樁的受力性狀進行數值模擬分析和對比，為現階段預應力混凝土管樁的創新應用提供一些理論依據。

2 預應力混凝土管樁的數值模擬

2.1 模型建立及相關說明

在進行樁土作用分析時，由于樁土復雜的作用機理，影響最終結果的因素眾多，如土體的顆粒大小以及粒徑分布、土的含水率、土體的成分、土體的固結時間以及模型的幾何形狀等。因此，在用ANSYS做樁土分析時進行如下假設，以使模型更加簡化，排除多種因素的影響，達到分析的合理性：

①土體被視為理想均質各向同性，其物理力學性質不隨樁的設置而改變，土體的塑性變形服從德魯克-普拉格準則。

②樁垂直設置于土體中，其底面為水平面。

③混凝土樁身與預應力鋼筋本構模型均為線彈性。

④不考慮施工因素對樁周土體(如土體應力歷史和排水固結和初始位移)的影響，并且樁的存在不影響地基土的特性。

⑤作為實際情況的空間整體模型取代為三維軸對稱模型。

⑥在樁底處混凝土與預應力筋為粘結狀態，兩者之間的縱向滑移不予考慮。

取長為10 m，外徑0.6 m，內徑0.34 m的混凝土管樁為研究對象，根據預應力施加的鋼筋數目，分別建立三種預應力混凝土管樁模型，其截面見圖1，相關力學參數見表1。

圖1 截面配筋(單位：m)

表1 計算物理模型力學參數

為了便于計算，根據其截面軸對稱的特性，建立二分之一模型，即關于xz平面對稱。在模型的外側和底部施加水平和垂直兩個方向的位移約束，對于樁土之間的接觸面，假設在接觸面法向樁體表面與土體接觸之后不再分開，在接觸面切向設為摩擦接觸，即允許樁土之間發生相對滑移。所研究模型為部分粘結預應力混凝土管樁模型，為符合實際情況，在桿單元劃分過程中，鋼筋的粘結部分也采用與樁身縱向一樣的劃分尺度，以保證樁身網格中的節點與預應力筋的節點在粘結段能夠很好的耦合在一塊(即無縱向滑移)；在非粘結部分，則采用一個網格單元，在樁頂處鋼筋節點與混凝土節點亦耦合在一塊，保證預應力發揮作用。最后建立接觸單元，進行加載與求解。加載分為兩部分，每束鋼絞線施加預應力100 kN，預應力加載采用降溫方法，鋼筋收縮產生拉力。樁頂施加上拔荷載，由于樁頂鋼板的存在，使得上拔荷載100 kN均勻布置在樁頂界面上為均布荷載，求解后得到預應力軸向應力等值圖(如圖2所示)。選擇天津波水平向，輸入的地震波加以調整，按適當的比例放大或縮小，使峰值加速度相當于與設防烈度相應的多遇地震與罕遇地震時的加速度峰值。對于原始記錄數據進行處理，在計算模擬時輸入8 s地震波，時間間隔0.02 s，如圖3。

2.2 數值模擬結果分析

(1)樁周土體Z向位移分析

從樁周土的受力情況來看，打樁過程中樁周土不斷被擠密，在樁周形成一層硬殼，牢固地吸附在樁周表面。管樁為圓形截面，樁周土像“箍”一樣箍住樁體且受力平衡[2]。當作用在樁基的荷載較大，樁基和樁周土的強度不足以“箍”住時，樁土間就會產生一定的位移，導致樁-土體系破壞，帶來較大的安全隱患。

圖2 預應力軸向應力等值圖

圖3 天津地震波加速度與時間曲線

為了更加清楚直觀的比較三種預應力混凝土管樁樁周土體的位移，取同一個yz坐標平面上離樁中心點在X軸上的距離分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m的五個點進行比較，畫出樁周土體Z向位移曲線，如圖4所示。

圖4 樁周土體Z向位移曲線

由圖4可以看出，三種模型的Z向位移均隨著樁周土距樁心距離的變大而呈現遞減的趨勢，施加兩根預應力筋的混凝土管樁樁周土體Z向位移要大于施加四根預應力筋的土體位移，且施加四根預應力筋時樁周土體Z向位移大于施加八根預應力筋的位移。這是由于在施加預應力的過程中鋼筋受拉，而混凝土受到來自鋼筋的壓應力呈現受壓的狀態，在施加豎向拉力的同時，預壓應力與上拔荷載平衡且相互抵消，而后混凝土樁才開始承受拉力，并隨著拉力的增大產生裂縫。由此可知，全部施加預應力筋要比部分施加預應力筋的樁周土體的位移要小一些，也就是說在樁端承受拉力的時候，預應力筋的施加可以抑制樁周土體的位移，保證了樁-土的整體穩定性。

圖5 三種預應力混凝土管樁樁身在較大地震波作用下的X、Y向位移

(2)樁身位移分析

樁承受地震作用時，影響水平承載力和位移的因素有很多，如樁身截面抗彎強度、材料強度、樁側土質條件、樁頂約束條件等，此時管樁的水平承載力由樁身的強度控制。通常情況是低配筋率的樁身先出現裂縫，接著整個樁體遭到損壞。而高配筋率的混凝土預制管樁在破壞時，樁身雖未斷裂，但是由于樁側土體塑性隆起，或是樁頂水平位移超過了允許值，也被認為樁的水平荷載達到了極限狀態，此時樁的水平荷載由位移的控制。圖5為三種預應力混凝土管樁樁身在較大地震波作用下的X、Y向位移。

表2 樁身X向最大和最小水平位移比較 m

表3 樁身Y向最大和最小水平位移比較 m

表4 樁頂與樁底豎向位移比較 m

表2中三種模型X向的水平位移差大小為：全部施加預應力筋的預應力管樁>施加四根預應力筋的管樁>施加兩根預應力筋的管樁。表3中三種模型樁身Y向水平位移差大小為：全部施加預應力筋的預應力管樁>施加四根預應力筋的管樁>施加兩根預應力筋的管樁。

因此可初步判定，部分施加預應力要比全部施加預應力的管樁在水平方向傳遞地震波的能力更強一些，整體穩定性更好。再結合表4樁頂與樁底豎向位移值的比較中可以明顯看出，隨著施加預應力鋼筋數目的變大，樁頂位移逐漸變小。這是因為施加部分預應力混凝土管樁在拉力作用下其樁身混凝土的預壓應力抵消的拉力要比施加全部預應力混凝土管樁要小，受到的上拉荷載作用的影響比較大。而對于樁底位移，可以看出將樁身的所有鋼筋都施加預應力時，要比部分施加預應力鋼筋的管樁變形大。由此可見，預應力鋼筋的數目越多，樁底的地震反應越大。

對比三種預應力混凝土管樁樁頂與樁底的位移差可以看出，隨著預應力鋼筋數目的增多，位移差也變大，也說明施加部分預應力鋼筋管樁能夠更好的維持樁體在地震波作用下的穩定性。綜合以上分析可以得出，對于抗震而言，施加部分預應力鋼筋混凝土管樁的抗震性能最優。

(3)樁身軸力分析

當地震作用下產生的上拉荷載作用在不施加預應力的混凝土管樁上時，樁身受到拉力作用，荷載由上到下傳遞，樁頂受到的拉力要大于樁底。而對于施加預應力的混凝土管樁，樁身首先受到來自預應力鋼筋的壓應力，樁身兩端預應力筋的錨固區會出現拉應力，在上拉荷載作用初期首先是樁身受到壓力，隨后預壓應力與上拉荷載逐漸抵消，當上拉荷載大于預壓應力后，樁身受拉。三種模型在地震波較大時的樁身軸力曲線如圖6所示。

圖6 三種預應力管樁的樁身軸力

通過比較可以看出，隨著管樁內部施加預應力的鋼筋數目的變大，軸向應力也會變大。預應力混凝土管樁在承受上拉荷載和水平地震作用時，四根和八根預應力筋的管樁淺部樁身(0～1 m)的軸力為拉力，兩根預應力筋的軸力為壓力，并且隨著深度的增加而迅速減小。超過1 m后，樁身的軸力全部為壓力，壓力增長變緩，整體上說明向上的拉力對下部樁身的影響不大。在樁長9 m左右處，四根和八根預應力筋的樁身為壓力并且迅速減小，這是因為該深度的樁身截面是預應力筋與混凝土粘結段與非粘結段的過渡面，而兩根預應力筋的樁體軸力恰好相反，呈現迅速變大的趨勢，預應力筋可能發生了破壞。因此，從軸向應力角度分析，施加一半數目預應力鋼筋混凝土管樁抵抗地震作用的能力最強。

3 結論

通過大型有限元軟件ANSYS，對三種不同預應力混凝土管樁在地震作用下的受力特性進行了分析研究，得到了以下結論：

①預應力筋的施加可以抑制樁周土體的位移，保證了樁-土的整體穩定性。

②施加部分預應力鋼筋的混凝土管樁在地震作用下相對更穩定一些。

需說明的是，施加部分預應力鋼筋的混凝土管樁的在實際工程案例還不是很多，本文只限于理論數值模擬分析，應該通過更多的工程實例和數值模擬結果進行對比分析，來進一步得出預應力混凝土管樁的合理設計方法。

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StudyOnCharacteristicsofPrestressedConcretePilesWithDifferentPrestressedReinforcementInSeismicActions

ZHENG Rong-zheng1DU Xiao-lei2

2014-05-12

鄭榮政(1986—)，男，2013年畢業于河北工業大學巖土工程專業，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)04-0066-04

TU473.1

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