PHC管樁功能革新分析范文
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作者：戎賢邸昊李艷艷單位：河北工業(yè)大學土木工程學院天津河北省土木工程技術研究中心天津
我國自上世紀80年代初開始引進、研制和生產(chǎn)預應力高強混凝土管樁（以下簡稱phc管樁）。目前，該樁型已成為深基礎工程的重要組成部分，在高層建筑和軟土地基中應用較為廣泛。在實際工程中，單樁水平靜載試驗研究較常見，但對管樁的抗震性能研究很少，特別是對管樁在水平往復荷載作用下的受力性能和破壞形式的研究更是少之又少，其可行性和安全性有待進一步分析和驗證。相比國內(nèi)，國外近年來對地震下軟土樁基動力反應和橫向承載特性的研究比較多，同時也獲得了較多成果。1995年，日本阪神地震樁基震害特點分析表明，液化土層內(nèi)及軟硬層交界面處，樁截面彎矩較大，土層內(nèi)的樁身受震害最嚴重。本文基于樁基地震震害破壞特點及PHC管樁的薄弱部位，結(jié)合國內(nèi)研究不足之處，在低周往復荷載作用下，對PHC管樁、改善型PHC管樁的抗震性能進行試驗研究，并對其在模擬地震力作用下的水平承載力和變形能力進行研究和評價。
1試驗概況
1.1試件設計
本試驗的基本試件是按GB13476—2009《先張法預應力混凝土管樁》及天津地方標準DB29-110—2010《預應力混凝土管樁技術規(guī)程》進行設計的樁徑為500mm的PHC管樁。針對PHC管樁抗震性能的影響因素，采取箍筋加密、箍筋加粗，配置非預應力筋等措施對其進行改善。試件樁身長度均為5000mm、壁厚100mm，預應力筋均采用直徑為9.0mm的預應力鋼棒，箍筋為螺旋箍筋，混凝土強度為C80。試件設計參數(shù)見表1。
1.2試驗方法
1.2.1加載方案
由于樁身在土中變形和內(nèi)力曲線為正弦形狀，將正弦曲線兩個反彎點之間樁身視為簡支梁，而對于承受水平力為主的PHC管樁來說，豎向荷載對樁身水平承載力的影響較小，故采用跨中施加往復集中荷載的方式模擬地震作用下樁身彎曲和剪切變形，研究管樁樁身的抗震性能。采用液壓加載裝置，荷載通過反力架上的液壓千斤頂作用在樁身中部加載頭處。加載裝置如圖1所示。試驗加載采用力-位移混合控制加載制度。試件在彈性階段，用荷載來控制加載，每級荷載循環(huán)一次，通過預埋于樁身加載頭位置的鋼筋應變片對預應力筋應變進行實時觀測，根據(jù)受拉預應力筋達到屈服應變來判斷試件的屈服。進入塑性階段用位移來控制加載，每級荷載循環(huán)3次，直至荷載下降到極限荷載的85%后，認為試件破壞，停止加載。
1.2.2測量方法
采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對試驗的荷載及其相應的位移、塑性鉸區(qū)的縱筋、混凝土應變等數(shù)據(jù)進行實時采集。通過放置在塑性鉸區(qū)預埋角鋼上的電子傾角儀對試件塑性鉸區(qū)的轉(zhuǎn)角進行觀測。
2試驗結(jié)果分析
2.1試驗現(xiàn)象
2.1.1裂縫開展情況
圖2為試件P504與P508裂縫開展情況。從圖2（a）可知，基本試件P504裂縫的開展位置集中在加載部位的塑性鉸區(qū)，且裂縫均為垂直于管樁受拉邊緣的橫向裂縫，數(shù)量較少,試件破壞前裂縫寬度及間距很大，裂縫發(fā)展不充分，且間距基本一致。可見剪力對于試件裂縫分布及形態(tài)變化影響不大。以上現(xiàn)象表明，管樁受力狀態(tài)主要為樁身中間部分受彎，尤其是在塑性鉸區(qū)發(fā)生的純彎現(xiàn)象。與P504基本試件相比，采取加密、加粗箍筋措施的P502、P505試件裂縫的開展情況無明顯改善，故調(diào)整配箍率無法改變試件受力狀態(tài)。配置非預應力筋的P507和P508試件裂縫形態(tài)擴展為較長的斜裂縫，裂縫數(shù)量明顯增多，分布區(qū)域也向兩側(cè)擴展，最大裂縫寬度也由試件P504的4mm減小為1.8mm，可見非預應力筋的加入使PHC管樁混凝土應力分布更均勻，裂縫發(fā)展更為充分，緩解了受力集中現(xiàn)象，提高了其抗裂性能，并使其耗能能力增強。
2.1.2試件破壞形態(tài)
基本試件破壞的主要特征為裂縫尚未充分發(fā)展，受壓區(qū)混凝土應變遠未達到設計的極限壓應變，試件就由于受拉區(qū)的預應力鋼棒受拉斷裂而喪失承載力，脆性破壞特征顯著，破壞時，受壓區(qū)混凝土形態(tài)較為完整，未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，高強混凝土的承壓性能未能得到充分發(fā)揮。與之相比，P507（見圖3）和P508（見圖2b）試件破壞時，由于加入非預應力筋，試件經(jīng)歷較大變形,加載位置處受壓區(qū)混凝土壓碎現(xiàn)象明顯，試件P507被壓碎脫落的混凝土塊的最大尺寸約為200mm，箍筋外露，裂縫發(fā)展較為充分，憑借高強混凝土的高承載力使脆性破壞得到明顯改善。
2.2荷載-位移滯回曲線
各試件樁身的荷載-位移滯回曲線見圖4。該類曲線反映了試件在整個往復荷載作用下的變形和耗能能力，是描述試件抗震性能的重要指標。通過5根PHC管樁荷載-位移滯回曲線的對比發(fā)現(xiàn)，基本試件P504在進入彈塑性工作階段后，由于剛度退化嚴重，滯回曲線呈現(xiàn)反S型，出現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象，滯回環(huán)面積較小，計算得出的能量耗散系數(shù)偏低，試件的耗能性能較差。這是由于管樁水平方向承載力及剛度主要是由管樁的預應力縱筋及處于預壓狀態(tài)下的高強混凝土提供，而這兩者均呈脆性破壞，混凝土的裂縫未能充分發(fā)展，故試件的耗能能力較差。通過對比可知，采取箍筋加密和加粗措施的P502、P505試件，滯回過程中的“捏縮”現(xiàn)象稍有緩解，但效果不明顯，其水平承載力也未得到提高。這表明加密、加粗箍筋產(chǎn)生的混凝土環(huán)箍效應對PHC管樁的水平承載力及耗能性能的改善作用不明顯：采取配置非預應力筋措施的P507、P508試件，水平承載力有大幅提高，與基本樁P504相比，配置11根16mm非預應力筋的P507試件最大水平承載力提高60.4%，配置11根覫D18mm非預應力筋的P508試件最大水平承載力提高72.25%。試件的耗能能力也明顯改善，滯回環(huán)呈弓形，形態(tài)較飽滿，能量耗散系數(shù)增大，“捏縮”現(xiàn)象基本消失。主要原因是加入的非預應力筋在塑性階段與預應力縱筋共同作用，并且在預應力鋼棒退出工作后，繼續(xù)與受壓區(qū)混凝土共同工作提供承載力，利用高強混凝土的高抗壓強度使其水平承載力明顯提高。由于非預應力筋的塑性變形性能明顯優(yōu)于處在預拉狀態(tài)的預應力鋼棒，試件在滯回過程中的耗能明顯增強，抗震性能得到顯著改善。
2.3延性系數(shù)
最常用的衡量延性的量化指標為曲率延性系數(shù)前者反映延性結(jié)構構件臨界截面的相對延性；后者用于反映延性結(jié)構構件局部的相對延性。本文從這兩個方面對PHC管樁的抗震延性進行分析，其中試件的曲率為傾角變化量與兩傾角儀中心距離的比值，屈服變形均根據(jù)繪出的骨架曲線采用能量等面積法確定，極限位移確定條件為臨界截面的承載力下降到最大承載力值的85%。各試件的位移延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果分別見表3和表4。
由表可知，基本樁試件P504的位移延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)均較小，延性性能較差。綜合基本樁試件的裂縫開展形式、破壞形態(tài)及破壞時塑性鉸區(qū)混凝土應力狀況分析其原因，在擬地震力作用下，PHC管樁樁身中部的受力狀態(tài)主要為正截面的受彎狀態(tài)，而管樁的受力縱筋是直徑僅為9mm且處于張拉狀態(tài)下的預應力鋼棒，其塑性變形及耗能能力明顯不足，使試件在地震荷載作用下的延性性能受到影響，同時限制了高強混凝土承壓性能的發(fā)揮，未達到提高水平承載力的效果。與基本試件P504相比，采取提高配箍率措施的試件P502的位移延性與曲率延性均沒有提高，說明該措施對于改善預應力高強混凝土管樁的變形、延性性能沒有明顯作用，這是由于提高配箍率的主要作用是提高試件的抗剪性能以及在環(huán)箍效應下的約束混凝土的作用，而對于在地震力荷載作用下的管樁正截面抗彎和延性性能幾乎不起作用，故管樁的抗震性能無法得到有效改善。
配置16mm非預應力筋的試件P507的位移延性較之基本試件P504有了明顯的改善，屈服位移和極限位移分別增加了20%和63%，位移延性系數(shù)增大了38%，而其塑性鉸區(qū)截面曲率延性較試件P504雖有提高，但幅度較位移延性減小，極限曲率增大33%，延性系數(shù)增大27%。這表明，PHC管樁在配置非預應力筋后，混凝土塑性鉸區(qū)出現(xiàn)外移跡象，結(jié)合試驗現(xiàn)象分析得出，配置的非預應力筋能夠在預應力鋼棒退出工作后繼續(xù)受力，有較強的塑性變形能力，使得高強混凝土的力學性能得到更充分的發(fā)揮，延緩了試件的破壞，并由于受力縱筋數(shù)量的增加使混凝土的應力分布更為均勻、合理，從而改善了PHC管樁的受力狀況，使管樁的變形及延性性能顯著增強。但是，在增加非預應力筋后，配置覫b18mm非預應力筋的試件P508的改善效果比試件P507略有降低，由此可以得出，非預應力筋的用量在超出一定范圍后對提高管樁延性的作用將會變小。
2.4剛度退化
剛度與承載能力、延性一樣，也是構件抗震性能的一個重要指標。結(jié)構構件在承受地震作用時，其剛度會逐漸減小。定義坐標原點與某次循環(huán)的荷載峰值（即骨架曲線上的點）連線的斜率為等效剛度，其值由K=F/Δ得到。各試件的剛度退化曲線如圖5所示。由圖5（a）可知，基本試件P504及采用提高配箍率措施的改善型試件P502和P505的剛度退化曲線十分相似，剛度退化規(guī)律及退化速度基本相同，試件在混凝土開裂后，剛度退化速度最大，而在屈服后剛度退化速度明顯放緩，剛度衰減比較均勻，沒有發(fā)生剛度突變。由圖5（b）可知，對比基本試件P504，配置非預應力筋的P507和P508試件，在混凝土開裂后剛度退化速度明顯變慢，剛度衰減量大幅度減小。這表明，非預應力筋的加入能夠有效緩解受拉區(qū)混凝土退出工作對試件剛度的削弱作用，延緩其剛度退化現(xiàn)象，明顯改善PHC管樁的抗震性能。
3結(jié)論
（1）在試驗荷載作用下，處于受彎狀態(tài)的PHC管樁存在變形、延性較差、耗能不足、彈塑性階段剛度退化顯著等不足，因而限制了高強混凝土高抗壓強度優(yōu)勢的發(fā)揮，抗裂性差。在地震荷載彎矩作用下，受力縱筋的變形能力是影響預應力高強混凝土管樁樁身抗震性能的主要因素，管樁耗能不足的主要原因是預應力鋼棒的脆性破壞限制了高強混凝土的裂縫發(fā)展。
（2）配置一定數(shù)量的非預應力筋可以改善PHC管樁高強混凝土的應力分布，充分發(fā)揮其高強度的特點，從而有效提高PHC管樁的水平承載力、改善其延性及耗能能力，減緩剛度退化，提高其抗震性能。
（3）通過加粗、加密箍筋而提高管樁配箍率的措施未能明顯改善PHC管樁的抗震性能，混凝土的環(huán)箍效應對管樁水平向承載能力的提高沒有明顯作用。