PHC管桩抗弯承载力研究

周 安， 刘小乐， 陈 凯， 王 珺

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 建筑设计研究院，安徽 合肥230009）

预应力混凝土管桩单桩承载力高、桩身质量易于保证、施工速度快、工期短、造价低、施工现场文明整洁，与预制类、沉管类的实心桩相比，预应力管桩可以使土涌入桩内，挤土效应较小，并且桩身的整体刚度也比普通的预制桩有很大的提高。在实际的工程中，预应力混凝土管桩特别是预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）得到了充分的发展和推广［1－3］。但是预应力混凝土管桩存在水平承载力低、抗震性能差的不足，仅用于6度、7度以下抗震设防的竖向承载基础［4］。

近年来，针对管桩抗弯性能的试验研究越来越多［5－6］，与管桩相关的有限元研究主要集中在桩土效应［7］和抗剪性能［8］上，关于管桩抗弯承载力的有限元研究还比较少。本文对2根PHC管桩进行抗弯试验，并运用有限元分析软件ANSYS对管桩的抗弯承载力进行数值模拟。

1 PHC管桩抗弯试验

1.1 试验概况

本试验完成了2根PHC桩（B型和AB型各1根）的抗弯承载力检测。管桩的混凝土等级均为C80，具体配筋情况和截面尺寸如图1所示（单位为mm）。

图1 管桩配筋情况和截面尺寸图

试验依据先张法预应力混凝土管桩［9］，采用简支梁对称加载装置。应变测点布置在管桩纯弯段最下缘，如图2所示（单位为mm）。

图2 管桩加载示意图

1.2 试验结果

试验加载初期，预应力混凝土首先进入弹性阶段，此时管桩混凝土中应变和应力成线性关系。随着荷载的增大，在纯弯段底部出现第1条竖向裂缝。随着荷载的不断增大，不断有新的竖向裂缝产生，继续加载，在剪弯端出现斜裂缝。斜裂缝由管桩底端向加载点延伸，主要集中在加载点附近，靠近支座的地方很少。超过检验极限弯矩后，不再有新的裂缝产生，裂缝宽度及长度不断增大，挠度急剧增加，管桩进入破坏阶段。当最大裂缝宽度达到1.5mm时，认为管桩达到了极限状态，停止加载。终止加载时，预应力钢筋并没有屈服，受压区混凝土没有出现明显的塑性变形。缓慢卸载后，由于预应力筋的作用，管桩的桩身裂缝能基本闭合。

由整个试验过程可以看出，试验管桩从弹性状态到极限状态，没有经历明显的塑性阶段，在达到极限状态前塑性变形比较小；达到极限状态时受压区混凝土并没有被压碎，预应力钢筋没有屈服，破坏状态由裂缝控制。

B型桩在开裂阶段受拉区混凝土应变随荷载变化的曲线图如图3所示。由图3可以看出，当加载到648.5kN·m时，3#的应变值有明显的突变，管桩混凝土开裂。

图3 B桩开裂阶段荷载－应变曲线

AB型桩在开裂阶段受拉区混凝土应变随荷载变化的曲线如图4所示。由图4可以看出，当加载到494.4kN·m时，1#的应变值有明显的突变，管桩混凝土开裂。

管桩的裂缝主要分布在纯弯段及其附近3m范围内。B型桩的裂缝如图5所示。

图4 AB桩开裂阶段荷载－应变曲线

图5 B桩破坏时管桩裂缝图

试验具体对比结果见表1所列。由表1可以看出，开裂弯矩和极限弯矩的实测值均大于规范规定的检验值，2根试验管桩的抗弯性能均能满足规范要求，都有一定的富余度，最大富余度为18%。

表1 管桩试验结果

2 数值模拟

2.1 管桩有限元模型

本文有限元模拟采用整体式模型，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移，采用初应变法施加预应力。混凝土单元用Solid65单元，预应力钢筋单元用Link8单元。

混凝土的本构关系可以分为线弹性、非线弹性、弹塑性及其他力学理论等。在混凝土结构有限元研究中，弹性分析时常使用线弹性理论和非线弹性理论，塑性分析时则常用弹塑性理论。

由抗弯试验可知，达到极限状态时，管桩受压区混凝土没有被压碎。文献［10］中提到97%的管桩是受拉区混凝土裂缝达到1.5mm而被认为破坏，受压区混凝土均未被压碎。本文采用线弹性理论，不考虑混凝土被压碎。对于管桩极限状态的确定，通过预应力钢筋是否达到屈服来判断。

本文使用的C80混凝土材料抗拉强度的标准值ftk为3.11N／mm2，抗 压强度标准值fck为50.22N／mm2，弹性模量Ec为3.8×104N／mm2，泊松比λ为0.2。通过查阅文献［11－12］可知，混凝土的开放裂缝和闭合裂缝的剪力传递系数分别取0.3和0.9。

管桩中的预应力钢筋采用的是混凝土用预应力钢棒，其力学性能如下：非比例伸长应力不小于1 275N／mm2，抗拉强度的标准值fptk不小于1 420N／mm2，伸长率不小于5%，弹性模量为2×105N／mm2。

有限元模型中预应力钢筋本构关系采用理想弹性模型，即在屈服前（应力小于1 420MPa）认为其是完全弹性的，屈服后钢筋的应力－应变关系简化为一条水平直线。在管桩两端加上30mm厚的钢板以模拟锚固区。为了避免应力集中，在指定支座和加载点尽量多地选取节点。管桩有限元模型如图6所示。

图6 管桩有限元模型

2.2 数值模拟结果

有限元模型建立完毕后，首先进行预应力荷载的计算，然后再添加集中力荷载，进行开裂弯矩和极限弯矩的计算。计算分析时打开大变形开关，采用全牛顿－拉弗逊计算方法，最大迭代次数取50，控制精度为0.05。

B桩和AB桩的混凝土预压应力模拟值分别为9.17MPa和6.50MPa，和表1数值接近。

2.2.1 开裂弯矩

考虑离心工艺放大系数后，输入到模型中的C80混凝土抗拉强度值为5.91MPa。预应力计算后，在加载点处施加集中力，再次进行计算。B桩、AB桩开裂时混凝土的应力结果如图7所示。

图7 开裂时混凝土应力图

由图7可以看出，当混凝土拉应力达到5.91MPa时，管桩混凝土开裂。开裂荷载有限元模拟结果的具体数值见表2所列。

表2 开裂荷载有限元模拟结果

2.2.2 极限承载力

管桩破坏时预应力钢筋的应力云图和混凝土主压应力如图8、图9所示。

图8 B桩开裂荷载模拟结果

图9 AB桩开裂荷载模拟结果

由图8、图9可以看出，管桩中纯弯段受拉区最外侧的预应力钢筋应力最大，最先达到屈服；而由管桩主压应力图可知，此时纯弯段受压区混凝土的压应力已接近抗压强度标准值。因为采用理想线性模型，所以压应力模拟结果会比实际值大。这和实际试验中管桩受压区没有被压碎是吻合的。极限弯矩有限元模拟结果的具体数值见表3所列。

表3 管桩极限荷载模拟结果

由表3可以看出，2根管桩的极限弯矩模拟值和实测值都比较接近，且都略小于实测值。因此，有限元结果和试验结果是吻合的。

3 结束语

试验的2根PHC管桩的抗弯性能明显优于规范值，在弯矩的作用下，管桩达到极限状态的标志是裂缝宽度达到1.5mm，并且达到极限状态后还有一定的承载力。在管桩抗弯承载力进行的有限元研究中，对混凝土材料采用理想线弹性模型，把预应力钢筋的屈服作为管桩达到极限状态的标志，可以取得良好的结果。

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