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PHC管桩功能革新分析

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作者:戎贤邸昊李艳艳单位:河北工业大学土木工程学院天津河北省土木工程技术研究中心天津

我国自上世纪80年代初开始引进、研制和生产预应力高强混凝土管桩(以下简称PHC管桩)。目前,该桩型已成为深基础工程的重要组成部分,在高层建筑和软土地基中应用较为广泛。在实际工程中,单桩水平静载试验研究较常见,但对管桩的抗震性能研究很少,特别是对管桩在水平往复荷载作用下的受力性能和破坏形式的研究更是少之又少,其可行性和安全性有待进一步分析和验证。相比国内,国外近年来对地震下软土桩基动力反应和横向承载特性的研究比较多,同时也获得了较多成果。1995年,日本阪神地震桩基震害特点分析表明,液化土层内及软硬层交界面处,桩截面弯矩较大,土层内的桩身受震害最严重。本文基于桩基地震震害破坏特点及PHC管桩的薄弱部位,结合国内研究不足之处,在低周往复荷载作用下,对PHC管桩、改善型PHC管桩的抗震性能进行试验研究,并对其在模拟地震力作用下的水平承载力和变形能力进行研究和评价。

1试验概况

1.1试件设计

本试验的基本试件是按GB13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》及天津地方标准DB29-110—2010《预应力混凝土管桩技术规程》进行设计的桩径为500mm的PHC管桩。针对PHC管桩抗震性能的影响因素,采取箍筋加密、箍筋加粗,配置非预应力筋等措施对其进行改善。试件桩身长度均为5000mm、壁厚100mm,预应力筋均采用直径为9.0mm的预应力钢棒,箍筋为螺旋箍筋,混凝土强度为C80。试件设计参数见表1。

1.2试验方法

1.2.1加载方案

由于桩身在土中变形和内力曲线为正弦形状,将正弦曲线两个反弯点之间桩身视为简支梁,而对于承受水平力为主的PHC管桩来说,竖向荷载对桩身水平承载力的影响较小,故采用跨中施加往复集中荷载的方式模拟地震作用下桩身弯曲和剪切变形,研究管桩桩身的抗震性能。采用液压加载装置,荷载通过反力架上的液压千斤顶作用在桩身中部加载头处。加载装置如图1所示。试验加载采用力-位移混合控制加载制度。试件在弹性阶段,用荷载来控制加载,每级荷载循环一次,通过预埋于桩身加载头位置的钢筋应变片对预应力筋应变进行实时观测,根据受拉预应力筋达到屈服应变来判断试件的屈服。进入塑性阶段用位移来控制加载,每级荷载循环3次,直至荷载下降到极限荷载的85%后,认为试件破坏,停止加载。

1.2.2测量方法

采用数据自动采集系统对试验的荷载及其相应的位移、塑性铰区的纵筋、混凝土应变等数据进行实时采集。通过放置在塑性铰区预埋角钢上的电子倾角仪对试件塑性铰区的转角进行观测。

2试验结果分析

2.1试验现象

2.1.1裂缝开展情况

图2为试件P504与P508裂缝开展情况。从图2(a)可知,基本试件P504裂缝的开展位置集中在加载部位的塑性铰区,且裂缝均为垂直于管桩受拉边缘的横向裂缝,数量较少,试件破坏前裂缝宽度及间距很大,裂缝发展不充分,且间距基本一致。可见剪力对于试件裂缝分布及形态变化影响不大。以上现象表明,管桩受力状态主要为桩身中间部分受弯,尤其是在塑性铰区发生的纯弯现象。与P504基本试件相比,采取加密、加粗箍筋措施的P502、P505试件裂缝的开展情况无明显改善,故调整配箍率无法改变试件受力状态。配置非预应力筋的P507和P508试件裂缝形态扩展为较长的斜裂缝,裂缝数量明显增多,分布区域也向两侧扩展,最大裂缝宽度也由试件P504的4mm减小为1.8mm,可见非预应力筋的加入使PHC管桩混凝土应力分布更均匀,裂缝发展更为充分,缓解了受力集中现象,提高了其抗裂性能,并使其耗能能力增强。

2.1.2试件破坏形态

基本试件破坏的主要特征为裂缝尚未充分发展,受压区混凝土应变远未达到设计的极限压应变,试件就由于受拉区的预应力钢棒受拉断裂而丧失承载力,脆性破坏特征显著,破坏时,受压区混凝土形态较为完整,未出现压碎现象,高强混凝土的承压性能未能得到充分发挥。与之相比,P507(见图3)和P508(见图2b)试件破坏时,由于加入非预应力筋,试件经历较大变形,加载位置处受压区混凝土压碎现象明显,试件P507被压碎脱落的混凝土块的最大尺寸约为200mm,箍筋外露,裂缝发展较为充分,凭借高强混凝土的高承载力使脆性破坏得到明显改善。

2.2荷载-位移滞回曲线

各试件桩身的荷载-位移滞回曲线见图4。该类曲线反映了试件在整个往复荷载作用下的变形和耗能能力,是描述试件抗震性能的重要指标。通过5根PHC管桩荷载-位移滞回曲线的对比发现,基本试件P504在进入弹塑性工作阶段后,由于刚度退化严重,滞回曲线呈现反S型,出现明显的“捏缩”现象,滞回环面积较小,计算得出的能量耗散系数偏低,试件的耗能性能较差。这是由于管桩水平方向承载力及刚度主要是由管桩的预应力纵筋及处于预压状态下的高强混凝土提供,而这两者均呈脆性破坏,混凝土的裂缝未能充分发展,故试件的耗能能力较差。通过对比可知,采取箍筋加密和加粗措施的P502、P505试件,滞回过程中的“捏缩”现象稍有缓解,但效果不明显,其水平承载力也未得到提高。这表明加密、加粗箍筋产生的混凝土环箍效应对PHC管桩的水平承载力及耗能性能的改善作用不明显:采取配置非预应力筋措施的P507、P508试件,水平承载力有大幅提高,与基本桩P504相比,配置11根16mm非预应力筋的P507试件最大水平承载力提高60.4%,配置11根覫D18mm非预应力筋的P508试件最大水平承载力提高72.25%。试件的耗能能力也明显改善,滞回环呈弓形,形态较饱满,能量耗散系数增大,“捏缩”现象基本消失。主要原因是加入的非预应力筋在塑性阶段与预应力纵筋共同作用,并且在预应力钢棒退出工作后,继续与受压区混凝土共同工作提供承载力,利用高强混凝土的高抗压强度使其水平承载力明显提高。由于非预应力筋的塑性变形性能明显优于处在预拉状态的预应力钢棒,试件在滞回过程中的耗能明显增强,抗震性能得到显著改善。

2.3延性系数

最常用的衡量延性的量化指标为曲率延性系数前者反映延性结构构件临界截面的相对延性;后者用于反映延性结构构件局部的相对延性。本文从这两个方面对PHC管桩的抗震延性进行分析,其中试件的曲率为倾角变化量与两倾角仪中心距离的比值,屈服变形均根据绘出的骨架曲线采用能量等面积法确定,极限位移确定条件为临界截面的承载力下降到最大承载力值的85%。各试件的位移延性系数和曲率延性系数数据结果分别见表3和表4。

由表可知,基本桩试件P504的位移延性系数和曲率延性系数均较小,延性性能较差。综合基本桩试件的裂缝开展形式、破坏形态及破坏时塑性铰区混凝土应力状况分析其原因,在拟地震力作用下,PHC管桩桩身中部的受力状态主要为正截面的受弯状态,而管桩的受力纵筋是直径仅为9mm且处于张拉状态下的预应力钢棒,其塑性变形及耗能能力明显不足,使试件在地震荷载作用下的延性性能受到影响,同时限制了高强混凝土承压性能的发挥,未达到提高水平承载力的效果。与基本试件P504相比,采取提高配箍率措施的试件P502的位移延性与曲率延性均没有提高,说明该措施对于改善预应力高强混凝土管桩的变形、延性性能没有明显作用,这是由于提高配箍率的主要作用是提高试件的抗剪性能以及在环箍效应下的约束混凝土的作用,而对于在地震力荷载作用下的管桩正截面抗弯和延性性能几乎不起作用,故管桩的抗震性能无法得到有效改善。

配置16mm非预应力筋的试件P507的位移延性较之基本试件P504有了明显的改善,屈服位移和极限位移分别增加了20%和63%,位移延性系数增大了38%,而其塑性铰区截面曲率延性较试件P504虽有提高,但幅度较位移延性减小,极限曲率增大33%,延性系数增大27%。这表明,PHC管桩在配置非预应力筋后,混凝土塑性铰区出现外移迹象,结合试验现象分析得出,配置的非预应力筋能够在预应力钢棒退出工作后继续受力,有较强的塑性变形能力,使得高强混凝土的力学性能得到更充分的发挥,延缓了试件的破坏,并由于受力纵筋数量的增加使混凝土的应力分布更为均匀、合理,从而改善了PHC管桩的受力状况,使管桩的变形及延性性能显著增强。但是,在增加非预应力筋后,配置覫b18mm非预应力筋的试件P508的改善效果比试件P507略有降低,由此可以得出,非预应力筋的用量在超出一定范围后对提高管桩延性的作用将会变小。

2.4刚度退化

刚度与承载能力、延性一样,也是构件抗震性能的一个重要指标。结构构件在承受地震作用时,其刚度会逐渐减小。定义坐标原点与某次循环的荷载峰值(即骨架曲线上的点)连线的斜率为等效刚度,其值由K=F/Δ得到。各试件的刚度退化曲线如图5所示。由图5(a)可知,基本试件P504及采用提高配箍率措施的改善型试件P502和P505的刚度退化曲线十分相似,刚度退化规律及退化速度基本相同,试件在混凝土开裂后,刚度退化速度最大,而在屈服后刚度退化速度明显放缓,刚度衰减比较均匀,没有发生刚度突变。由图5(b)可知,对比基本试件P504,配置非预应力筋的P507和P508试件,在混凝土开裂后刚度退化速度明显变慢,刚度衰减量大幅度减小。这表明,非预应力筋的加入能够有效缓解受拉区混凝土退出工作对试件刚度的削弱作用,延缓其刚度退化现象,明显改善PHC管桩的抗震性能。

3结论

(1)在试验荷载作用下,处于受弯状态的PHC管桩存在变形、延性较差、耗能不足、弹塑性阶段刚度退化显著等不足,因而限制了高强混凝土高抗压强度优势的发挥,抗裂性差。在地震荷载弯矩作用下,受力纵筋的变形能力是影响预应力高强混凝土管桩桩身抗震性能的主要因素,管桩耗能不足的主要原因是预应力钢棒的脆性破坏限制了高强混凝土的裂缝发展。

(2)配置一定数量的非预应力筋可以改善PHC管桩高强混凝土的应力分布,充分发挥其高强度的特点,从而有效提高PHC管桩的水平承载力、改善其延性及耗能能力,减缓刚度退化,提高其抗震性能。

(3)通过加粗、加密箍筋而提高管桩配箍率的措施未能明显改善PHC管桩的抗震性能,混凝土的环箍效应对管桩水平向承载能力的提高没有明显作用。

PHC管桩功能革新分析责任编辑:陈老师    阅读:人次