新型预应力实心方桩抗裂试验有限元分析

饶江 王小厂 张伟 颜庆智

(1.胜利石油管理局供水公司，山东东营 257097;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580)

0 引言

随着半岛蓝色经济区等国家战略的实施，在未来的几年内，将兴建大量公共建筑和港口码头等建筑与设施，在青岛地区的大部分建筑物都是以风化岩作为浅基础或桩基的持力层［1］。基桩呈现端承桩的性质，对预制混凝土桩的入岩能力有较高的要求［2］，且青岛沿海地区对预制混凝土桩的防腐蚀性能要求较高。因此对具有良好性能且适合在青岛地区大范围推广应用的新型预应力混凝土实心方桩的研究变得十分重要和十分迫切。通过研究，本桩已获得三项发明专利，专利号分别为201210546175.3;201210546171.5;201210497029.6。有限元 ANSYS 软件是一个功能非常强大的有限元分析程序，在钢筋混凝土非线性有限元分析计算方面具有很好的效果［3］。

本文对基于ANSYS程序的钢筋混凝土结构数值模拟技术进行介绍，并对预应力管桩、空心方桩和实心方桩的抗裂试验的非线性数值计算分析。

1 工程概况

1.1 抗裂试验

本试验采取垂直向下加载的方式施加集中力通过分配梁将集中力进行再分配［2］，计算公式如下:

式中:M——抗弯弯矩，kN·m;

W——预应力混凝土实心方桩重量，kN;

L——预应力混凝土实心方桩试验长度，m;

P——荷载垂直加载时，施加在方桩中间的集中力，包括加

载设备以及分配梁等作用在方桩上的自身重量;

b——1/2的加载跨距，m。当 L≤15 m 时，b=0.5 m;当 L＞

15 m时，预应力实心方桩的抗弯试验方法参照GB/T 50152-

2012混凝土结构试验方法标准。

预应力实心方桩抗裂试验示意图见图1。

1.2 钢筋混凝土的有限元模型

构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三类，目前常用的钢筋混凝土建模方法有分离式模型(discrete model)、分布式模型(smeared model)和组合式模型(embedded model)。本文采用分布式建模方法［4-7］。并根据对称性，对预应力实心方桩进行简化建模。

图1 预应力实心方桩抗裂试验示意图

1.2.1 单元类型

1)混凝土单元:Solid65单元。2)纵向钢筋:Link8单元。3)横向箍筋:Link8单元。

1.2.2 材料性质

1)混凝土材料。

ANSYS具有专门用于钢筋混凝土结构的Concrete材料模型，该模型可以预测脆性材料的失效行为，同时考虑了开裂与压碎失效模拟。Concrete材料破坏准则采用William-Warnke五参数强度模型，其基本参数主要有张开裂缝和闭合裂缝的剪切传递系数、抗拉强度以及单双轴抗压强度等。

2)钢材。

所有钢材，包括方桩中纵向主筋、横向箍筋和钢支座垫板均采用理想弹塑性模型。钢材的屈服准则选用双线性随动强化材料BIIN。

1.3 纵向主筋的预应力模拟方法

初始应变法可以模拟预应力钢筋的具体位置，能够得到预应力钢筋在荷载作用下的应力分布。

式中:ε0——预应力钢筋的初始应变值;

σ——预应力钢筋的有效拉应力值;

E——预应力钢筋的弹性模量。

2 模型分析结果

2.1 模型加载集中力

从图2～图4可以看出:预应力实心方桩的有效预压应力基本满足计算要求，且在集中力全部加载后，在对称面位置，上排钢筋上的节点受压，下排钢筋上的节点开始受拉，在方桩端部发生应力集中，由于采用的是方形实心截面，故四角的钢筋节点在局部区域应力突然增大。

图2 钢筋轴上节点Z方向应力图

从图5，图6关于预应力实心方桩的裂缝图中可以看出，预应力实心方桩在分段施加集中力的情况下，在加载到集中荷载的100%时，没有出现裂缝，当继续加载集中力时，在加载至110%时逐渐出现裂缝，与现场抗裂试验的结果基本符合。

图3 钢筋轴上节点Z方向位移图

图4 钢筋轴上节点Y方向挠度图

图5 100%集中荷载下的裂缝

图6 110%集中荷载下的裂缝

2.2 中间节点位移变化情况的分析

图7 Y方向挠度变化曲线

图8 Z方向应力变化曲线

从预应力实心方桩跨中挠度以及该方桩在预应力和荷载共同作用下按结构规范设计计算的挠度结果［6，7］。方桩跨中挠度三种解的结果如下:

1)荷载和预应力作用下解析解5.94 mm;

2)仅受预应力作用的有限元模型解0.005 6 mm;

3)荷载和预应力作用下的有限元模型解5.78 mm。

图7，图8分别为预应力实心方桩对称面横截面上沿Y方向(挠度方向)及Z方向(应力方向)上的一系列节点。

从图7，图8可以看出，预应力实心方桩的模型在集中力作用下，跨中挠度逐渐增大，跨中Z方向的应力基本为压应力，随着集中力的施加，对称面上靠下的节点Z方向的应力值逐渐变为拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，预应力实心方桩产生裂缝，方桩开裂。

2.3 对比分析

图9对预应力实心方桩与C型预应力管桩和预应力空心方桩的抗裂性能进行对比［8，9］。

图9 相同桩径条件下的抗裂弯矩

由图9可以看出:在相同桩径条件下，预应力实心方桩的抗裂性能指标比型号为C的PHC管桩、型号为A(AB)，B的PHS空心方桩的抗裂性能指标高。

图10 PHC管桩的裂缝

图11 PHS空心方桩的裂缝

从图10～图12可以看出:通过ANSYS有限元数值分析，在相同桩径条件下，施加相同集中荷载，预应力实心方桩的抗裂指标比型号为C的PHC管桩、型号为A(AB)，B的PHS空心方桩的抗裂性能指标高。

图12 预应力实心方桩的裂缝

3 结论

ANSYS有限元软件可以很好的模拟预应力实心方桩的抗裂试验;且与理论计算的抗裂弯矩指标相符合;通过与预应力管桩和空心方桩的抗裂试验模型对比可以看出:在相同集中力作用下，实心方桩有较好的抗裂性能。

4 创新点

1)本文针对半岛地区特点研究设计一种新型预应力混凝土实心方桩，达到节能减排指标;

2)本文通过所研究方桩与管桩、空心方桩力学性能对比分析，突出本方桩的力学指标。

［1］刘新胜.青岛地区CFG桩的应用试验研究［D］.青岛:青岛理工大学，2010.

［2］王静静.青岛风化岩地基上桩基础工程性状研究［D］.青岛:青岛理工大学，2008.

［3］付永强，张小水，胡 成.预应力混凝土结构施加预应力的Ansys模拟［J］.工程与建设，2008，22(6):784-786.

［4］龙绛珠，王 凤.预应力混凝土空心方桩桩体抗弯试验研究［J］.淮阴工学院学报，2012，21(5):38-41.

［5］李 围.土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2007:183-121.

［6］李建宏.预应力混凝土管桩受弯承载力非线性有限元分析［J］.安徽建筑工业学院学报，2007，15(4):5-8.

［7］曾秋宁.ANSYS在预应力钢筋混凝土梁非线性有限元分析中的应用［J］.科学之友，2010(5):4-6.

［8］10G409，预应力混凝土管桩［S］.

［9］08SG360，预应力混凝土空心方桩［S］.