新型預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁抗裂試驗(yàn)有限元分析

饒江 王小廠(chǎng) 張偉 顏慶智

(1.勝利石油管理局供水公司，山東東營(yíng) 257097;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 引言

隨著半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，在未來(lái)的幾年內(nèi)，將興建大量公共建筑和港口碼頭等建筑與設(shè)施，在青島地區(qū)的大部分建筑物都是以風(fēng)化巖作為淺基礎(chǔ)或樁基的持力層［1］。基樁呈現(xiàn)端承樁的性質(zhì)，對(duì)預(yù)制混凝土樁的入巖能力有較高的要求［2］，且青島沿海地區(qū)對(duì)預(yù)制混凝土樁的防腐蝕性能要求較高。因此對(duì)具有良好性能且適合在青島地區(qū)大范圍推廣應(yīng)用的新型預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁的研究變得十分重要和十分迫切。通過(guò)研究，本樁已獲得三項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)分別為201210546175.3;201210546171.5;201210497029.6。有限元 ANSYS 軟件是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的有限元分析程序，在鋼筋混凝土非線(xiàn)性有限元分析計(jì)算方面具有很好的效果［3］。

本文對(duì)基于A(yíng)NSYS程序的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁、空心方樁和實(shí)心方樁的抗裂試驗(yàn)的非線(xiàn)性數(shù)值計(jì)算分析。

1 工程概況

1.1 抗裂試驗(yàn)

本試驗(yàn)采取垂直向下加載的方式施加集中力通過(guò)分配梁將集中力進(jìn)行再分配［2］，計(jì)算公式如下:

式中:M——抗彎彎矩，kN·m;

W——預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁重量，kN;

L——預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁試驗(yàn)長(zhǎng)度，m;

P——荷載垂直加載時(shí)，施加在方樁中間的集中力，包括加

載設(shè)備以及分配梁等作用在方樁上的自身重量;

b——1/2的加載跨距，m。當(dāng) L≤15 m 時(shí)，b=0.5 m;當(dāng) L＞

15 m時(shí)，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的抗彎試驗(yàn)方法參照GB/T 50152-

2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁抗裂試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 鋼筋混凝土的有限元模型

構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有三類(lèi)，目前常用的鋼筋混凝土建模方法有分離式模型(discrete model)、分布式模型(smeared model)和組合式模型(embedded model)。本文采用分布式建模方法［4-7］。并根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，對(duì)預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。

圖1 預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁抗裂試驗(yàn)示意圖

1.2.1 單元類(lèi)型

1)混凝土單元:Solid65單元。2)縱向鋼筋:Link8單元。3)橫向箍筋:Link8單元。

1.2.2 材料性質(zhì)

1)混凝土材料。

ANSYS具有專(zhuān)門(mén)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的Concrete材料模型，該模型可以預(yù)測(cè)脆性材料的失效行為，同時(shí)考慮了開(kāi)裂與壓碎失效模擬。Concrete材料破壞準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型，其基本參數(shù)主要有張開(kāi)裂縫和閉合裂縫的剪切傳遞系數(shù)、抗拉強(qiáng)度以及單雙軸抗壓強(qiáng)度等。

2)鋼材。

所有鋼材，包括方樁中縱向主筋、橫向箍筋和鋼支座墊板均采用理想彈塑性模型。鋼材的屈服準(zhǔn)則選用雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化材料BIIN。

1.3 縱向主筋的預(yù)應(yīng)力模擬方法

初始應(yīng)變法可以模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋的具體位置，能夠得到預(yù)應(yīng)力鋼筋在荷載作用下的應(yīng)力分布。

式中:ε0——預(yù)應(yīng)力鋼筋的初始應(yīng)變值;

σ——預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效拉應(yīng)力值;

E——預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量。

2 模型分析結(jié)果

2.1 模型加載集中力

從圖2～圖4可以看出:預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的有效預(yù)壓應(yīng)力基本滿(mǎn)足計(jì)算要求，且在集中力全部加載后，在對(duì)稱(chēng)面位置，上排鋼筋上的節(jié)點(diǎn)受壓，下排鋼筋上的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始受拉，在方樁端部發(fā)生應(yīng)力集中，由于采用的是方形實(shí)心截面，故四角的鋼筋節(jié)點(diǎn)在局部區(qū)域應(yīng)力突然增大。

圖2 鋼筋軸上節(jié)點(diǎn)Z方向應(yīng)力圖

從圖5，圖6關(guān)于預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的裂縫圖中可以看出，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁在分段施加集中力的情況下，在加載到集中荷載的100%時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，當(dāng)繼續(xù)加載集中力時(shí)，在加載至110%時(shí)逐漸出現(xiàn)裂縫，與現(xiàn)場(chǎng)抗裂試驗(yàn)的結(jié)果基本符合。

圖3 鋼筋軸上節(jié)點(diǎn)Z方向位移圖

圖4 鋼筋軸上節(jié)點(diǎn)Y方向撓度圖

圖5 100%集中荷載下的裂縫

圖6 110%集中荷載下的裂縫

2.2 中間節(jié)點(diǎn)位移變化情況的分析

圖7 Y方向撓度變化曲線(xiàn)

圖8 Z方向應(yīng)力變化曲線(xiàn)

從預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁跨中撓度以及該方樁在預(yù)應(yīng)力和荷載共同作用下按結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算的撓度結(jié)果［6，7］。方樁跨中撓度三種解的結(jié)果如下:

1)荷載和預(yù)應(yīng)力作用下解析解5.94 mm;

2)僅受預(yù)應(yīng)力作用的有限元模型解0.005 6 mm;

3)荷載和預(yù)應(yīng)力作用下的有限元模型解5.78 mm。

圖7，圖8分別為預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁對(duì)稱(chēng)面橫截面上沿Y方向(撓度方向)及Z方向(應(yīng)力方向)上的一系列節(jié)點(diǎn)。

從圖7，圖8可以看出，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的模型在集中力作用下，跨中撓度逐漸增大，跨中Z方向的應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，隨著集中力的施加，對(duì)稱(chēng)面上靠下的節(jié)點(diǎn)Z方向的應(yīng)力值逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁產(chǎn)生裂縫，方樁開(kāi)裂。

2.3 對(duì)比分析

圖9對(duì)預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁與C型預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力空心方樁的抗裂性能進(jìn)行對(duì)比［8，9］。

圖9 相同樁徑條件下的抗裂彎矩

由圖9可以看出:在相同樁徑條件下，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的抗裂性能指標(biāo)比型號(hào)為C的PHC管樁、型號(hào)為A(AB)，B的PHS空心方樁的抗裂性能指標(biāo)高。

圖10 PHC管樁的裂縫

圖11 PHS空心方樁的裂縫

從圖10～圖12可以看出:通過(guò)ANSYS有限元數(shù)值分析，在相同樁徑條件下，施加相同集中荷載，預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的抗裂指標(biāo)比型號(hào)為C的PHC管樁、型號(hào)為A(AB)，B的PHS空心方樁的抗裂性能指標(biāo)高。

圖12 預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的裂縫

3 結(jié)論

ANSYS有限元軟件可以很好的模擬預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁的抗裂試驗(yàn);且與理論計(jì)算的抗裂彎矩指標(biāo)相符合;通過(guò)與預(yù)應(yīng)力管樁和空心方樁的抗裂試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比可以看出:在相同集中力作用下，實(shí)心方樁有較好的抗裂性能。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

1)本文針對(duì)半島地區(qū)特點(diǎn)研究設(shè)計(jì)一種新型預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁，達(dá)到節(jié)能減排指標(biāo);

2)本文通過(guò)所研究方樁與管樁、空心方樁力學(xué)性能對(duì)比分析，突出本方樁的力學(xué)指標(biāo)。

［1］劉新勝.青島地區(qū)CFG樁的應(yīng)用試驗(yàn)研究［D］.青島:青島理工大學(xué)，2010.

［2］王靜靜.青島風(fēng)化巖地基上樁基礎(chǔ)工程性狀研究［D］.青島:青島理工大學(xué)，2008.

［3］付永強(qiáng)，張小水，胡 成.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的Ansys模擬［J］.工程與建設(shè)，2008，22(6):784-786.

［4］龍絳珠，王 鳳.預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁體抗彎試驗(yàn)研究［J］.淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，21(5):38-41.

［5］李 圍.土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007:183-121.

［6］李建宏.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁受彎承載力非線(xiàn)性有限元分析［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，15(4):5-8.

［7］曾秋寧.ANSYS在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁非線(xiàn)性有限元分析中的應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2010(5):4-6.

［8］10G409，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.

［9］08SG360，預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁［S］.