非预应力钢筋的配置对PHC管桩水平承载力影响分析

孙晓凯 （安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 233000）

0 引言

预应力高强混凝土管桩（简称PHC管桩）是一种重要的新型桩基础[1]，用先张法预应力工艺和离心成型方法制成的一种细长环形截面混凝土预制桩。此种类型的桩具有单桩竖向承载力高、耐久性好、质量可靠、现场施工无污染等优点，目前PHC管桩已大量应用于高层建筑及公用建筑，成为我国应用最广泛的桩型之一[2]。然而，在PHC管桩的实际工程应用过程中，通过一些具体的工程事故调查与分析，反映出预应力高强混凝土管桩存在桩身抗弯性能较差的问题，这就严重限制了PHC管桩作为水平支护桩在工程中的大规模推广应用。

在实际工程中，主要采用钢筋混凝土灌芯措施来提高预应力混凝土管桩的抗水平荷载能力，但是施工过程周期长、投入大，效果也并不显著[3]。本文从加强PHC管桩桩身水平承载力的角度出发，通过非预应力钢筋的配置来改善普通预应力混凝土管桩的抗弯性能，采用大型有限元分析软件ANSYS，建立了原型桩体模型和配置普通非预应力钢筋的对比桩模型[4]，按照工程桩配置纵向钢筋和箍筋，计算了管桩在水平荷载作用下的受力性状，分析了在不同级别荷载作用下，桩身产生的挠度和弯矩以及钢筋应力，从而得出非预应力普通钢筋的配置对PHC管桩的水平承载力影响的相关结论。

1 材料单元及本构关系的选取

利用ANSYS有限元数值分析软件建立分离式模型，钢筋和混凝土之间通过插入粘结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移。桩身混凝土选用带筋的8节点3D-Solid65单元，考虑螺旋箍筋的作用，两者做整体处理，采用Willam-Warnke五参数破坏准则；预应力钢筋与普通非预应力钢筋均采用3D-LINK8单元。采用降温法对钢筋施加预应力，钢筋的温降值公式如下[5]：

式中：△T为钢筋温降值；E为钢筋弹性模量；α为钢筋线性膨胀系数；A为钢筋截面积；P为预应力施加值。

2 材料强度参数选取及模型建立

原型桩为预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）,桩长为10m，桩径600mm，壁厚130mm，桩体内对称配置14根φ12.6预应力钢棒，箍筋螺旋式φ6@50，水平放置，两端简支，加载位置位于桩中间，施加竖向集中荷载，两端简支。配置非预应力普通钢筋的对比桩在原型桩的基础上增加配置7根φ12的HRB400级钢筋，其他同原型桩。桩身材料强参数如表1，两种模型配筋截面如图1、图2所示。

图1 原型桩配筋截面

图2 对比桩配筋截面

桩身材料强度参数 表1

由图1、2可知，预应力原型桩按实际工程桩要求沿截面对称配置，对比桩中的非预应力钢筋沿截面间隔布置。在此基础上运用ANSYS软件建立有限元模型，采用桩体分割法，根据钢筋位置不断的将桩体分割，然后进行网格单元的划分，得到桩体有限元模型如图3、图4所示。

图3 桩体实体单元模型

图4 桩体纵筋与箍筋透视模型

3 模拟过程

采用分级加载的方式，分别对预应高强混凝土原型桩和配置非预应力普通螺纹钢的对比桩施加分级荷载，初级荷载为20kN，以后逐级递加：30kN、40 kN……加载至桩身开裂破坏，停止加载。

4 计算结果分析

通过数值分析计算，原型桩在分级荷载作用下，在290kN荷载作用下达到开裂破坏，桩身跨中挠度为23.259mm，如图5所示。配置非预应力钢筋的对比桩在290kN荷载作用下，桩身没有破坏，还能继续承载。在本级荷载作用下，对比桩桩身跨中挠度为9.723mm，如图6、图7所示。继续加载至350kN，对比桩开裂破坏，桩身跨中挠度为13.465mm，抗裂弯矩明显增大。

由以上计算分析可知，普通原型桩在290kN荷载作用下的桩身跨中挠度明显高于配置了非预应力钢筋的对比桩在同级荷载作用下的桩身跨中挠度，后者仅为前者的41.8%；并且对比桩开裂破坏时的加载等级已达350kN，明显高于普通原型桩。可见，非预应力普通钢筋的配置明显提高了PHC管桩的延性，提高了其水平承载能力，改善了其抗弯性能。

图5 原型桩在290kN荷载时桩身挠度云图

图6 对比桩在290kN荷载时桩身挠度云图

图7 两种模型在290kN荷载时桩身挠度模拟值

图8 两种模型在290kN荷载时桩身挠度实验值

图9 原型桩在290kN荷载时桩身挠度曲线

图10 对比桩在290kN荷载时桩身挠度曲线

对比已有实验数据[6]，普通原型桩在290kN荷载作用下，其桩身跨中挠度为25.38mm，配置非预应力普通钢筋的对比桩在本级荷载作用下桩身跨中挠度为11.06mm，如图8所示：桩身两端挠度差别不大，相互接近，最大挠度跨中处两种桩型差异显著，对比桩的抗弯性能明显优于原型桩。由数值计算结果和实验结果分析比较，普通原型桩在290kN荷载作用下，模拟值与实验值分别为23.259mm和25.38mm，模拟值为实验值的91.6%，配置非预应力筋的对比桩在本级荷载作用下模拟值与实验值分别为9.723mm和11.06mm，模拟值为实验值的87.9%，如图9、图10所示。由2组数据结果可知，有限元数值模型计算结果与实验结果比较接近，误差较小，说明数模型值模拟结果是合理的，进一步说明非预应力筋的配置能显著改善预应力高强混凝土管桩的抗弯性能，提高其水平承载能力。

通过提取对比桩开裂破坏时桩身内部预应力钢筋与非预应力钢筋应力分析比较，钢筋等效应力云图与应力曲线如图11、图12。在开裂破坏时，对比桩内部预应力钢筋应力最大值为0.1688MPa，而此时非预应力钢筋应力最大值为0.1299MPa，后者为前者的76.9%。由此说明，对于配置了非预应力钢筋的预应力高强混凝土管桩来说，在承受水平荷载时，桩身内部预应力钢筋先发挥效用，非预应力钢筋发挥效用速度较预应力钢筋慢，正是基于这一原因，当桩身受力破坏时，非预应力钢筋的配置使得桩身还能继续承载，提高了PHC管桩的桩身延性，从而改善了预应力高强混凝土管桩的抗弯性能，提高了PHC管桩的水平承载能力。

5 结论

通过ANSYS有限元软件建模对原型桩和对比桩的模拟计算，加之和已有实验数据的对比分析，研究了非预应力钢筋的配置对PHC管桩水平承载力的影响，得出如下结论。

图11 对比桩钢筋等效应力云图

图12 对比桩钢筋应力曲线

①相比普通预应力高强混凝土管桩原型桩，配置了非预应力钢筋的对比桩的抗弯性能得到很大的改善。在同级荷载作用下，对比桩桩身跨中挠度显著小于原型桩桩身跨中挠度，体现其较好的延性。

②通过对对比桩内部预应力钢筋与非预应力钢筋的应力分析，表明PHC管桩水平承载能力的提高，主要是由于两种钢筋发挥效应的不同，在桩身开裂破坏的时候，预应力钢筋的应力明显高于非预应力钢筋的应力，从而改善了PHC管桩的延性，提高其水平承载力。

③通过和实验数据的对比分析，数值模拟结果和实验结果比较接近，误差较小，表明数值模型的计算结果是合理的，进而说明运用ANSYS有限元软件模拟分析PHC管桩水平承载力是可行的。