預(yù)應(yīng)力混凝土管樁受力性能研究

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁常應(yīng)用于軟弱土層，而管樁的受力性能會影響建筑工程的安全。因此，準(zhǔn)確掌握預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力性能，對建筑工程非常重要。本文結(jié)合工程實例，通過數(shù)值建模分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力性能，探究不同條件對管樁受力性能的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果能夠客觀反映管樁受力情況，樁身最大彎矩隨著混凝土彈性模量增加而變大，當(dāng)樁頭受到約束時，最大彎矩隨深度增加而變大，之后迅速變小。在施工設(shè)計過程中，考慮彎矩荷載可延長管樁使用壽命，樁長對管樁受力性能影響較小，模擬結(jié)果可為后續(xù)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；受力分析；彎矩；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 75" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是預(yù)應(yīng)力技術(shù)與離心制管技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，該樁型具有工藝簡單、質(zhì)量可靠、施工速度快等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應(yīng)用。施工中的土質(zhì)情況越來越復(fù)雜，因此預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工技術(shù)仍須完善，為保證管樁的效果，許多學(xué)者針對該問題進(jìn)行了相關(guān)研究。

馬傳政等[1]為改善預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的受力特性，研究一種新型連接節(jié)點，該設(shè)計可有效減少樁端的擠壓作用。伊麗愛[2]基于對鋼筋混凝土在腐蝕環(huán)境中的受損情況，提出一種防護(hù)措施，以提高地基承載能力。郭利偉等[3]分析預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的技術(shù)特點，并結(jié)合工程中的實際問題總結(jié)解決方案。程飛[4]結(jié)合工程實際，分析預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道施工過程中的問題。孫懷軍等[5]通過靜荷載試驗，分析不同阻力的發(fā)揮規(guī)律，為后續(xù)研究提供參考。

現(xiàn)有研究對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁受力性能研究不夠全面，因此本研究基于工程實例，建立模型，通過改變影響因素，分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力情況。研究結(jié)果為施工工藝提供依據(jù)，提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的效果。

1 工程概況

某花園工程位于福建省福州市晉江區(qū)東山路和化工路間。該工程項目規(guī)劃用地面積達(dá)到3.3萬㎡，總建筑面積達(dá)到1.55萬㎡，工程包括11棟高層住宅，其中1號至6號住宅的層高32層，7號至11號住宅的層高33層，并且該住宅為精裝修房。

工程以預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁為基礎(chǔ)，樁身混凝土強(qiáng)度為C80，持力層大于1m且為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。對混凝土管樁來說，其鋼筋采用HRB400E鋼筋、HRB335E鋼筋及HPB300鋼筋，采用HRB400E鋼筋和HRB335E鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的縱向受力鋼筋。

該工程地下室面積大，施工場地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，淤泥土質(zhì)較多且厚，在施工過程中會因為地基開挖導(dǎo)致土層發(fā)生擾動，從而使混凝土管樁發(fā)生斷裂。并且該工程屬于重點工程，施工階段處于雨季，工期較緊，因此施工難度變大且工程項目存在高大模板，危險系數(shù)較高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

根據(jù)實際工程概況，本研究通過ANSYS軟件模擬預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力情況，在建立模型的過程中，樁和樁周土體均為同性材料，對樁周土來說，土體的本構(gòu)模型為應(yīng)力—應(yīng)變模型，混凝土管樁由鋼筋和混凝土組成，因此樁身應(yīng)力小于或者等于混凝土的屈服應(yīng)力。在建立樁土間的接觸面模型的過程中，會根據(jù)土體結(jié)構(gòu)的特性，將兩個假定作為前提條件。假定條件：接觸面粗糙，土與結(jié)構(gòu)間無滑動可能；接觸面十分光滑，不可能產(chǎn)生剪應(yīng)力。

確定模型邊界條件的過程會影響模型的真實性。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁模型表面和底端被完全約束，模型頂面上的節(jié)點是自由的。由于該工程的危險系數(shù)較高，因此采用映射網(wǎng)格劃分模型ANSYS網(wǎng)格，該網(wǎng)格劃分方式可將規(guī)則圖形映射入不規(guī)則的區(qū)域內(nèi)，使網(wǎng)格相互排列，使模型具有較高分析精度。

2.2 模型參數(shù)與計算

某工程基礎(chǔ)的管樁混凝土強(qiáng)度設(shè)計等級為C80，彈性模量為4×104MPa，樁頂無約束。模型土體范圍水平方向取20倍樁半徑，由于計算區(qū)域具有對稱性，因此模型計算只需要計算一半?yún)^(qū)域，可以減少模型計算的工作量。模型土體的物理參數(shù)見表1。

為分析模型管樁受力情況的合理性，為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，基于控制樁頂位移的方法將荷載施加在樁頂部位，模型施加的初位移與荷載關(guān)系見表2和圖1。

由表2和圖1可知，在樁頂施加的初位移與荷載曲線為線性關(guān)系，由此說明當(dāng)荷載較小時，管樁與土體為彈性變形階段，當(dāng)荷載不斷增加，土體在彈性變形時還會產(chǎn)生塑性變形，說明預(yù)應(yīng)力混凝土管樁模型受力情況符合客觀事實。

3 試驗結(jié)果分析

為對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力性能進(jìn)行分析，基于數(shù)值模型研究樁身彈性模量、樁頂約束條件、彎矩荷載以及樁長等因素對管樁受力性能的影響。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身彈性模量情況分析

由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁由混凝土和鋼筋組成，因此管樁的混凝土彈性模量是衡量管樁強(qiáng)度的重要指標(biāo)。通過改變混凝土材料的彈性模量分析樁身最大彎矩變化，可以反映預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力情況，如圖2所示。

表2 初位移與荷載

樁頂位移/mm 荷載/kN

0.5 14.4

2.5 23.7

5 47.3

7.5 71.3

10 95.1

由圖2可知，樁身最大彎矩隨著管樁深度增加先變大后變小，但無論混凝土材料的彈性模量如何變化，樁身最大彎矩的峰值都在管樁深度為2～4m，且樁身最大彎矩都在200kN·m～300kN·m。樁身最大彎矩隨著混凝土彈性模量變大而變大，并且彎矩峰值點在樁身位置有所下降。因此在實際施工過程中，使用彈性模量較大的混凝土材料可以使預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的樁身彎矩變大，以此減少施工過程中產(chǎn)生的位移。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁頂約束條件情況分析

樁頂約束條件對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力情況有直接影響，現(xiàn)基于數(shù)值模型分析樁頭自由和樁頭約束兩種條件下樁身最大彎矩變化，具體情況如圖3所示。

由圖3可知，在樁頭約束的情況下，管樁樁身最大彎矩隨深度增加而變大，當(dāng)深度在0～2m時，樁身最大彎矩達(dá)到峰值，之后樁身最大彎矩迅速變大，當(dāng)深度接近4m時，樁身最大彎矩為0kN·m。而樁頭在自由狀態(tài)下，樁身最大彎矩與深度有明顯的曲線關(guān)系，與樁頭約束相比，樁頭自由曲線更平緩且在深度2～4m處出現(xiàn)峰值。但在實際施工過程中，應(yīng)盡量讓樁頭與承臺固接牢固，使樁頭約束，樁身最大彎矩變小，降低管樁受力影響。

3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁彎矩荷載情況分析

在實際工況中，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是在水平荷載、豎向荷載以及彎矩荷載共同作用下工作的，但在數(shù)值建模過程中經(jīng)常不考慮彎矩荷載，因此本研究通過改變彎矩荷載分析樁身最大彎矩的變化，如圖4所示。

由圖4可知，隨著管樁深度增加，樁身彎矩先增后減，當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁頭施加不同彎矩荷載時，出現(xiàn)較大變化，樁頭彎矩越大，樁身最大彎矩峰值越大，其中當(dāng)樁頭彎矩荷載400kN·m時，樁身最大彎矩達(dá)到最大值，接近600kN·m，而當(dāng)樁頭彎矩為0時，樁身最大彎矩約為200kN·m。因此在施工設(shè)計過程中，應(yīng)該考慮彎矩荷載影響，并提出方案使樁身最大彎矩變小。

3.4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁長情況分析

在實際工況中，樁長對樁身最大彎矩有重要影響，本模型設(shè)置3種不同的樁長，分別為15m、30m以及45m，對應(yīng)的樁身最大彎矩與管樁深度曲線如圖5所示。

由圖5可知，樁長對樁身最大彎矩影響較小，通過改變樁長無法改變樁身最大彎矩與管樁深度變化曲線，樁長增加使管樁樁身出現(xiàn)第二反彎點。因此在實際施工過程中，不能盲目增加樁的長度，不但無法降低預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力影響，還會增加成本。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬并結(jié)合實際工況，研究預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力性能，分析不同影響因素對樁身受力情況的影響，得出以下結(jié)論。1）樁身最大彎矩隨著管樁深度增加先變大后變小，隨著混凝土彈性模量的變大而變大，彎矩峰值點在樁身的位置會降低。2）當(dāng)樁頭受到約束時，樁身最大彎矩隨深度增加而變大，當(dāng)深度為0～2m時，樁身最大彎矩達(dá)到峰值，之后樁身最大彎矩迅速變小，在實際施工過程中，應(yīng)盡量使樁頭與承臺固接牢固。3）樁頭彎矩越大，樁身最大彎矩峰值越大，在施工設(shè)計過程中，考慮彎矩荷載影響，可延長預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的使用壽命。4）改變樁長無法改變樁身最大彎矩與管樁深度變化曲線，增加樁長只能使管樁樁身出現(xiàn)第二反彎。

參考文獻(xiàn)

[1]馬傳政，譚雅文，楊志堅.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與承臺新型連接節(jié)點受力性能分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，39（5）：853-861.

[2]伊麗愛.高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2023（9）：201-204.

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