预应力混凝土实心方桩力学性能研究

徐运生，陈忠范，范 记，张 扬，张 楷

（1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189；2.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司电网事业部，河北 石家庄 050031）

预应力混凝土桩由于桩身可承载力大、加工质量可靠以及适用范围广等优点，在基建工程中被广泛应用。国内外学者对预应力混凝土桩进行了大量的研究，Zhang 等［1］对含有非预应力筋的9 根预应力高强度混凝土（prestressed highintensity concrete，PHC）桩进行了循环荷载试验，结果表明轴压比越大，PHC 桩抗裂抗弯强度、极限抗弯强度和初始刚度越高，但随着轴压比的增大，弯曲裂纹的扩展高度减小，同时提出了预测含有非预应力筋的PHC 桩的抗弯承载力公式。张锡治等［2］通过ABAQUS 研究不同轴压比下PHC桩的抗震性能，研究结果表明轴压比、非预应力筋和剪跨比是受力性能的主要因素，而箍筋间距则是受力性能的次要因素。Cao 等［3］对8 根PHC 桩进行了低周反复荷载试验，研究表明增加配筋率对提高PHC 桩的抗弯承载力没有影响，而增加主筋配筋率可以提高PHC 桩的极限弯矩。刘雨松等［4］为了提高预应力方桩施工拼装效率，提出了一种螺旋锁式连接接头，研究结果表明螺旋锁式连接接头力学性能优于桩身。刘畅等［5］通过分析预应力方桩的抗震性能，得出在桩身受力较大处配置非预应力筋可以提高抗震性能。Wu等［6］研究了玄武岩纤维增强交合材料（basalt fiber reinforced polymer，BFRP）筋和钢筋混合加固预应力混凝土桩的抗弯性能，试验结果表明，在混凝土中加入纤维可以改善PHC 桩的抗弯性能，提高PHC 桩的承载力［6］。

目前，针对不同配筋预应力实心方桩之间连接的力学性能研究较少且不够系统。本文对相同配筋和不同配筋的2 根实心方桩进行弹卡式连接，同时进行节点抗弯试验。在试验基础上，验证了数值模拟的正确性，通过数值模拟对X-PRS400-A 预应力方桩，在不同轴压比和不同剪跨比下的参数进行分析。以期为实际基建工程中应用不同配筋的预应力混凝土实心方桩，提供有益借鉴并降低工程投资。

1 试验方案

试验中预应力方桩的配筋见表1，桩身截面配筋如图1所示，试件信息见表2。连接方式为弹卡式机械连接［7-8］。

表1 预应力混凝土方桩参数表Tab.1 Prestressed concrete square pile parameter table

图1 桩身截面配筋Fig.1 Pile section reinforcement

表2 试件信息Tab.2 Specimen information

预应力混凝土方桩接头抗弯试验加载装置实物与示意图，如图2和图3所示。试验中分别在左右2 个支座和跨中3 个部位布置3 个电子位移计，在跨中连接接头两侧沿试件高度方向依次布置5个应变测点，左右两边共10 个应变测点，编号分别为1～10，应变测点编号详见图3。

图2 预应力混凝土方桩接头抗弯加载装置实物Fig.2 Actual diagram of flexural loading device for prestressed concrete square pile joint

图3 预应力混凝土方桩接头抗弯加载装置Fig3 Schematic diagram of flexural loading device for prestressed concrete square pile joints

加载步骤如下：①加到极限承载力理论值Vcr的30%左右，观察仪器是否完好；②Vcr的10%分级加载，达到Vcr的90%后停止，每一级荷载的间隔时间为3 min，每次加载完毕后采集应变片数据，然后记录荷载与位移计数据，最后利用裂缝观测仪观察裂缝的发展情况并记录裂缝位置；③当荷载达到Vcr的90%之后，改为每次按Vcr的5%加载，记录数据和裂缝开展情况，直至构件被破坏，停止加载。

当出现以下5 种情况之一，即认为达到极限状态：①受拉区混凝土裂缝宽度达到1.5 mm；②预应力钢棒被拉断；③受压区混凝土压碎破坏；④弹卡式机械连接件被拉断；⑤接头处预应力钢棒的墩头被拉坏。

2 有限元数值模拟

有限元模型尺寸与试验尺寸完全相同。混凝土和钢支座采用C3D8R，钢筋T3D2 单元，钢筋嵌入混凝土区域中，混凝土膨胀角取为30°，采用静力通用分析步，初始分析步用于施加支座等位移边界条件，步骤1 分析步用于预应力钢棒施加预应力，步骤2 分析步用于模拟竖向集中荷载。非线性弹簧修改的inp语句如下：

*Spring,elset=Springs/Dashpots-1-spring,nonlinear

3,3 0 ,0

1183.61,0 .0527 7068.89,0.2946 18433.8,0.7211 31754.2,1.1875 46638.8,1.6637 57607.5,1.9543

74450.4,2 .3636 89726.2,2.7299 102655,3.1062 110888,3.4493 116382,3.7703 119921,4.1122

121895,4.4749 122308,4.8905 121161,5.3909 118839,5.8697 114959,6.4866 111465,7.0077

*Element,type=Spring2,elset=Springs/Dashpots-1-spring

接触面混凝土采用通用接触，法向行为设置为硬接触，切向行为设置为罚摩擦，摩擦系数依据试验结果调整为0.7。边界条件为铰接，文中预应力采用降温法施加，通过计算求出所需要的温度场见表3。

表3 ABAQUS模型中的温度场取值Tab.3 Temperature field value in ABAQUS model

3 数据分析

3.1 荷载-位移曲线

试件FZ-5 和FZ-6 接头抗弯试验荷载-位移曲线如图4和图5所示，表4和表5为相应的开裂荷载Pcr、开裂弯矩Mcr、极限荷载Pu和抗弯承载力Mu的取值。FZ-5开裂弯矩85.0 kN·m；FZ-6开裂弯矩为86.4 kN·m，与前者相差1.6%。FZ-5 抗弯承载力为185.5 kN·m；FZ-6 抗弯承载力为177.8 kN·m，与前者相差4.2%，说明不同配筋的方桩对接头弯矩影响较小。由表4与表5可知，数值模拟结果与试验结果的差值均在15%之内，说明数值模拟的结果能够与试验结果相吻合。

图4 FZ-5试件荷载-位移Fig.4 Load-displacement diagram of FZ-5 specimen

图5 FZ-6试件荷载-位移Fig.5 Load-displacement diagram of FZ-6 specimen

表4 FZ-5试件接头抗弯试验与数值模拟结果对比Tab.4 The comparison between the bending test and numerical simulation results of the FZ-5 specimen joint

表5 FZ-6试件接头抗弯试验与数值模拟结果对比Tab.5 The comparison between the bending test and numerical simulation results of the FZ-6 specimen joint

3.2 参数分析

3.2.1 轴压比分析

在输电工程中，预应力方桩要承受水平荷载，还要承受竖向荷载。因此，有必要研究预应力方桩承压受力性能。不同轴压比下X-PRS400-A 型预应力混凝土方桩的荷载-位移曲线如图6所示，分别取轴压比为0.1、0.2、0.3、0.4 和0.5。由图6可知：随着轴压力的增大，开裂弯矩和极限抗弯承载力会增大，但曲线更陡峭，极限位移变小，桩身的延性变差；当轴压比增加至0.3 左右时，极限承载力不再增加；继续增加轴压力，方桩的极限承载力会下降。

图6 不同轴压比下荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves under different axial compression ratios

不同轴压比下预应力混凝土方桩抗弯承载力与极限位移情况见表6。由表6可知：与轴压比为0时相比，轴压比分别为0.1～0.5时，预应力混凝土方桩的抗弯承载力分别提高了12.6%、16.0%、15.6%、14.6%和8.3%，极限位移分别减小了9.2%、20.9%、53.4%、47.2%和53.4%。

表6 不同轴压比作用下抗弯承载力与极限位移Tab.6 Flexural bearing capacity and ultimate displacement under different axial compression ratios

3.2.2 剪跨比分析

不同剪跨比下X-PRS400-A型方桩的抗剪性能荷载-位移曲线如图7所示，分别取剪跨比为0.50、0.75、1.00、1.25。随着剪跨比的减小，方桩试件的抗剪承载力显著提高，同时其最大位移会相应地减小，说明减小剪跨比能够提高预应力混凝土方桩试件的抗剪承载力，但同时脆性破坏更明显。不同剪跨比下抗剪承载力和位移情况见表7。不同剪跨比下的混凝土总刚度损伤云图如图8所示。当剪跨比为1.25 时，纯弯区的损伤比剪跨区的损伤较严重，说明随着剪跨比的增大构件从受剪破坏向受弯破坏转移。当剪跨比在1.00以下时，预应力混凝土方桩的损伤集中在剪跨区附件，随着剪跨比的逐渐减小，剪跨区的损伤不断增加。

图7 不同剪跨比下的荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves at different shearspan ratios

图8 不同剪跨比下的总刚度损伤云图（SDEG）Fig.8 Total stiffness damage contour（SDEG）at different shear-span ratios

表7 不同剪跨比下的抗剪承载力与极限位移Tab.7 Shear bearing capacity and ultimate displacement under different shear-span ratios

4 结论

（1）对预应力方桩接头部位进行抗弯试验，证明了弹卡式接头的可靠性较好。接头抗弯试验与FZ-1构件的抗弯试验的开裂弯矩与极限抗弯承载力相差在15%之内，说明接头与桩身构件抗弯承载力相似。

（2）FZ-5、FZ-6 构件数值模拟结果与试验结果的差值均在15%之内，说明模型中材料本构、单元类型和网格密度等选取是合理的，数值模拟的结果能够与试验结果相吻合。

（3）当轴压比在0.3 以内，在一定程度上能够提高预应力方桩的抗弯承载力，但当超过这一限值后，极限承载力和位移均会下降。

（4）随着剪跨比的减小，预应力方桩的抗剪承载力不断增大，其极限位移不断减小，脆性破坏的特征更加明显，当剪跨比大于1.25 后，预应力方桩表现出由受剪破坏向受弯破坏过渡的特征。