非預應力鋼筋的配置對PHC管樁水平承載力影響分析

孫曉凱 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 233000）

0 引言

預應力高強混凝土管樁（簡稱PHC管樁）是一種重要的新型樁基礎[1]，用先張法預應力工藝和離心成型方法制成的一種細長環形截面混凝土預制樁。此種類型的樁具有單樁豎向承載力高、耐久性好、質量可靠、現場施工無污染等優點，目前PHC管樁已大量應用于高層建筑及公用建筑，成為我國應用最廣泛的樁型之一[2]。然而，在PHC管樁的實際工程應用過程中，通過一些具體的工程事故調查與分析，反映出預應力高強混凝土管樁存在樁身抗彎性能較差的問題，這就嚴重限制了PHC管樁作為水平支護樁在工程中的大規模推廣應用。

在實際工程中，主要采用鋼筋混凝土灌芯措施來提高預應力混凝土管樁的抗水平荷載能力，但是施工過程周期長、投入大，效果也并不顯著[3]。本文從加強PHC管樁樁身水平承載力的角度出發，通過非預應力鋼筋的配置來改善普通預應力混凝土管樁的抗彎性能，采用大型有限元分析軟件ANSYS，建立了原型樁體模型和配置普通非預應力鋼筋的對比樁模型[4]，按照工程樁配置縱向鋼筋和箍筋，計算了管樁在水平荷載作用下的受力性狀，分析了在不同級別荷載作用下，樁身產生的撓度和彎矩以及鋼筋應力，從而得出非預應力普通鋼筋的配置對PHC管樁的水平承載力影響的相關結論。

1 材料單元及本構關系的選取

利用ANSYS有限元數值分析軟件建立分離式模型，鋼筋和混凝土之間通過插入粘結單元來模擬鋼筋和混凝土之間的粘結和滑移。樁身混凝土選用帶筋的8節點3D-Solid65單元，考慮螺旋箍筋的作用，兩者做整體處理，采用Willam-Warnke五參數破壞準則；預應力鋼筋與普通非預應力鋼筋均采用3D-LINK8單元。采用降溫法對鋼筋施加預應力，鋼筋的溫降值公式如下[5]：

式中：△T為鋼筋溫降值；E為鋼筋彈性模量；α為鋼筋線性膨脹系數；A為鋼筋截面積；P為預應力施加值。

2 材料強度參數選取及模型建立

原型樁為預應力高強混凝土管樁（PHC管樁）,樁長為10m，樁徑600mm，壁厚130mm，樁體內對稱配置14根φ12.6預應力鋼棒，箍筋螺旋式φ6@50，水平放置，兩端簡支，加載位置位于樁中間，施加豎向集中荷載，兩端簡支。配置非預應力普通鋼筋的對比樁在原型樁的基礎上增加配置7根φ12的HRB400級鋼筋，其他同原型樁。樁身材料強參數如表1，兩種模型配筋截面如圖1、圖2所示。

圖1 原型樁配筋截面

圖2 對比樁配筋截面

樁身材料強度參數 表1

由圖1、2可知，預應力原型樁按實際工程樁要求沿截面對稱配置，對比樁中的非預應力鋼筋沿截面間隔布置。在此基礎上運用ANSYS軟件建立有限元模型，采用樁體分割法，根據鋼筋位置不斷的將樁體分割，然后進行網格單元的劃分，得到樁體有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 樁體實體單元模型

圖4 樁體縱筋與箍筋透視模型

3 模擬過程

采用分級加載的方式，分別對預應高強混凝土原型樁和配置非預應力普通螺紋鋼的對比樁施加分級荷載，初級荷載為20kN，以后逐級遞加：30kN、40 kN……加載至樁身開裂破壞，停止加載。

4 計算結果分析

通過數值分析計算，原型樁在分級荷載作用下，在290kN荷載作用下達到開裂破壞，樁身跨中撓度為23.259mm，如圖5所示。配置非預應力鋼筋的對比樁在290kN荷載作用下，樁身沒有破壞，還能繼續承載。在本級荷載作用下，對比樁樁身跨中撓度為9.723mm，如圖6、圖7所示。繼續加載至350kN，對比樁開裂破壞，樁身跨中撓度為13.465mm，抗裂彎矩明顯增大。

由以上計算分析可知，普通原型樁在290kN荷載作用下的樁身跨中撓度明顯高于配置了非預應力鋼筋的對比樁在同級荷載作用下的樁身跨中撓度，后者僅為前者的41.8%；并且對比樁開裂破壞時的加載等級已達350kN，明顯高于普通原型樁。可見，非預應力普通鋼筋的配置明顯提高了PHC管樁的延性，提高了其水平承載能力，改善了其抗彎性能。

圖5 原型樁在290kN荷載時樁身撓度云圖

圖6 對比樁在290kN荷載時樁身撓度云圖

圖7 兩種模型在290kN荷載時樁身撓度模擬值

圖8 兩種模型在290kN荷載時樁身撓度實驗值

圖9 原型樁在290kN荷載時樁身撓度曲線

圖10 對比樁在290kN荷載時樁身撓度曲線

對比已有實驗數據[6]，普通原型樁在290kN荷載作用下，其樁身跨中撓度為25.38mm，配置非預應力普通鋼筋的對比樁在本級荷載作用下樁身跨中撓度為11.06mm，如圖8所示：樁身兩端撓度差別不大，相互接近，最大撓度跨中處兩種樁型差異顯著，對比樁的抗彎性能明顯優于原型樁。由數值計算結果和實驗結果分析比較，普通原型樁在290kN荷載作用下，模擬值與實驗值分別為23.259mm和25.38mm，模擬值為實驗值的91.6%，配置非預應力筋的對比樁在本級荷載作用下模擬值與實驗值分別為9.723mm和11.06mm，模擬值為實驗值的87.9%，如圖9、圖10所示。由2組數據結果可知，有限元數值模型計算結果與實驗結果比較接近，誤差較小，說明數模型值模擬結果是合理的，進一步說明非預應力筋的配置能顯著改善預應力高強混凝土管樁的抗彎性能，提高其水平承載能力。

通過提取對比樁開裂破壞時樁身內部預應力鋼筋與非預應力鋼筋應力分析比較，鋼筋等效應力云圖與應力曲線如圖11、圖12。在開裂破壞時，對比樁內部預應力鋼筋應力最大值為0.1688MPa，而此時非預應力鋼筋應力最大值為0.1299MPa，后者為前者的76.9%。由此說明，對于配置了非預應力鋼筋的預應力高強混凝土管樁來說，在承受水平荷載時，樁身內部預應力鋼筋先發揮效用，非預應力鋼筋發揮效用速度較預應力鋼筋慢，正是基于這一原因，當樁身受力破壞時，非預應力鋼筋的配置使得樁身還能繼續承載，提高了PHC管樁的樁身延性，從而改善了預應力高強混凝土管樁的抗彎性能，提高了PHC管樁的水平承載能力。

5 結論

通過ANSYS有限元軟件建模對原型樁和對比樁的模擬計算，加之和已有實驗數據的對比分析，研究了非預應力鋼筋的配置對PHC管樁水平承載力的影響，得出如下結論。

圖11 對比樁鋼筋等效應力云圖

圖12 對比樁鋼筋應力曲線

①相比普通預應力高強混凝土管樁原型樁，配置了非預應力鋼筋的對比樁的抗彎性能得到很大的改善。在同級荷載作用下，對比樁樁身跨中撓度顯著小于原型樁樁身跨中撓度，體現其較好的延性。

②通過對對比樁內部預應力鋼筋與非預應力鋼筋的應力分析，表明PHC管樁水平承載能力的提高，主要是由于兩種鋼筋發揮效應的不同，在樁身開裂破壞的時候，預應力鋼筋的應力明顯高于非預應力鋼筋的應力，從而改善了PHC管樁的延性，提高其水平承載力。

③通過和實驗數據的對比分析，數值模擬結果和實驗結果比較接近，誤差較小，表明數值模型的計算結果是合理的，進而說明運用ANSYS有限元軟件模擬分析PHC管樁水平承載力是可行的。