超高性能混凝土管桩承载能力及影响因素数值分析

2022-11-17 10:55黄家森
西部交通科技 2022年9期
关键词:轴力管桩轴向

黄家森

(广西北投交通养护科技集团有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

软土地基当中采用超高强度混凝土管桩施工具有较大的优越性,主要是因为其具有承载力高、工艺简单、造价低以及效果好等特点。近年来,国内学者对混凝土管桩施工进行了一些研究,邱鹤、谭祥韶[1-2]以某工程为例,通过对倾斜预应力管桩的分析,研究了桩长以及桩倾角变化对管桩承载力的影响,研究表明,当管桩倾角达到一定值时,会对其极限承载力产生影响。徐燕、吴军杰等[3-4]以沿海地区工程为研究分析对象,重点分析预应力管桩的施工特点和加固机理,并对持力层、桩端入土深度、挤土效应等进行了分析。何旭龙、张超等[5-6]介绍了预应力管桩具有的强度高、承载力强以及施工方便、环保等特点,并以某铁路软基处理为研究对象,从预应力管桩计算、方案设计和施工技术等方面作了详细探讨。慕雪、郭贝[7-8]在介绍预应力管桩优点的基础上,分析了其存在断桩、上浮和倾斜等缺点,并以实际工程实例对在施工中应采取的预防措施进行了分析。目前的研究中,大多聚焦于预应力管桩的施工工艺及其特点,少有分析预应力管桩自身参数变化对其性能发挥的影响。鉴于此,本文主要以高强度混凝土(PHC)管桩和超高强度混凝土(UHPC)管桩为研究对象,分析了二者的承载能力,并重点分析了参数变化对UHPC管桩的轴向承载力影响规律,研究结果可为类似工程设计提供参考和借鉴。

1 概述

某桥梁工程下部结构采用桩基础形式,本文将UHPC的特性与预制桥面板相结合,提出采用一种适用于装配式桥梁的非预应力UHPC管桩基础。这种桩基础不仅可以提高管桩的承载能力和混凝土耐久性,还取消了一般预应力钢筋的使用,取而代之的是普通带肋钢筋,其作为纵筋和接桩锚固钢筋使用,可以在一定程度上提高装配式桩基础施工效率。

2 数值建模

本文为了探讨超高性能混凝土管桩承载能力及参数影响特性,不指定工况。如图1所示,采用大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型,假定管桩的外直径为500 mm,混凝土壁厚为100 mm,分别建立UHPC管桩和PHC管桩模型,具体尺寸详见表1。其中混凝土和钢筋分别采用CSD8R三维实体单元和T3D2三维桁架单元,PHC管桩模型采用预应力,本文预应力的施加采用降温法[5],UHPC管桩采用大直径纵筋代替预应力钢筋,表2为混凝土和钢筋的物理力学参数,图2为管桩钢筋配筋示意图。

图1 数值模型图

图2 管桩钢筋配筋示意图

表1 模型的力学参数表

表2 材料的物理力学参数表

3 数值结果分析

3.1 UHPC与PHC管桩对比分析

为了对比UHPC管桩与PHC管桩二者的轴向承载性能,如图3所示,提取得到了UHPC管桩与PHC管桩二者的轴力-位移关系曲线。由图3可知,在管桩轴心受压的弹性阶段,轴力-位移曲线呈现出近似线性变化,二者达到峰值荷载后开始进入非弹性阶段。UHPC管桩在达到峰值荷载之后承载力明显下降,持续加载直至管桩破坏,之后管桩的承载力大小基本趋于稳定;PHC管桩在到达峰值荷载之后,位移迅速增大,即该管桩混凝土迅速开裂破坏,同时承载力下降,但由于预应力存在,此时钢筋仍未屈服,承载力出现缓慢上升的趋势,随着轴压的不断增大,钢筋发生屈服,管桩整体破坏,之后管桩的承载力大小基本趋于稳定。此外,由图3可知,UHPC管桩的抗压承载力明显高于PHC管桩,UHPC管桩与PHC管桩极限承载分别为16 246 kN和4 978 kN,对应的极限位移分别为5.14 mm和2.35 mm,即UHPC管桩极限承载力和极限位移分别为PHC管桩的3.3倍和2.2倍。

为了反映极限承载力状态下管桩的特征,如图4和图5所示,以PHC管桩为例,提取得到了轴向荷载取4 978 kN时的管桩损伤云图和钢筋应力云图。由图4~5可知,在轴向荷载取4 978 kN时,PHC管桩出现中间鼓包,两端鼓曲现象,此时PHC管桩损伤最大,预应力钢筋和箍筋均开始发生屈服。对于UHPC管桩,在轴向荷载取16 246 kN时,只在钢底座附近产生局部小范围损伤,此时的纵筋和箍筋均没有屈服,说明UHPC管桩可以承受更大的轴向荷载。

图3 混凝土管桩轴力-位移关系曲线图

(a)PHC桩

(b)UHPC桩

(a)PHC桩

(b)UHPC桩

3.2 影响UHPC管桩轴向承载力的参数分析

为了研究探索影响UHPC管桩轴向承载能力的因素,本节以上述UHPC管桩模型为例,采用控制变量法对混凝土壁厚d、混凝土强度以及箍筋配箍率的影响进行分析。

3.2.1 混凝土壁厚d影响分析

为研究UHPC管桩混凝土壁厚d变化对其轴向承载力的影响,取壁厚d分别为80 mm、100 mm、120 mm三种工况,其他参数保持不变,图6所示为监测到的不同壁厚d时的管桩轴力-位移曲线。由图6可知,不同壁厚时的轴力-位移曲线规律相同,即在未达到极限承载力之前,管桩轴力-位移曲线呈现出近似线性变化,在达到极限承载力之后,管桩逐渐出现脆性破坏,轴向变形缓慢增大,持续加载直至管桩破坏。对比三条曲线可知,壁厚d为80 mm、100 mm、120 mm时对应的管桩极限承载力分别为13 580 kN、16 445 kN、18 876 kN,相比壁厚d取80 mm,壁厚d取100 mm和120 mm时管桩极限承载力分别增大了21.1%和39.0%,即随着混凝土壁厚d的增大,管桩极限抗压强度增大,且呈正相关增大规律。

图6 不同壁厚d时轴力-位移曲线图

3.2.2 混凝土强度影响分析

为研究UHPC管桩混凝土强度变化对其轴向承载力的影响,取混凝土强度分别为UHPC120、UHPC150、UHPC180三种工况,其他参数保持不变,图7所示为监测到的不同混凝土强度时的管桩轴力-位移曲线。由图7可知,不同混凝土强度时的轴力-位移曲线规律相同。对比三条曲线可知,UHPC120、UHPC150、UHPC180对应的管桩极限承载力分别为13 264 kN、16 445 kN、18 135 kN,相比混凝土强度取UHPC120,混凝土强度取UHPC150和UHPC180时管桩极限承载力分别增大了24.0%和36.7%,即随着混凝土强度的增大,管桩极限抗压强度不断增大,且呈现出正相关增大规律。

图7 不同混凝土强度时轴力-位移曲线图

3.2.3 箍筋配箍率影响分析

为研究UHPC管桩箍筋配箍率变化对其轴向承载力的影响,如图8所示,通过改变箍筋直径D来改变箍筋的配筋率,分别取箍筋直径D为5 mm、10 mm、15 mm三种工况,其他参数保持不变。由图8可知,不同箍筋配箍率时的轴力-位移曲线规律相同,在未达到极限承载力之前,三种管桩轴力-位移曲线基本重合,即模型的抗压刚度基本一致。对比三条曲线可知,箍筋直径D取5 mm、10 mm、15 mm时对应的管桩极限承载力分别为16 445 kN、16 856 kN、17 040 kN,相比箍筋直径D取5 mm,箍筋直径D取10 mm和15 mm时管桩极限承载力分别增大了2.5%和3.6%,即随着箍筋配箍率的增大,管桩极限抗压强度略微增大,说明通过提高箍筋配箍率对提高UHPC管桩极限承载力的作用微乎其微。

图8 不同箍筋直径D时轴力-位移曲线图

4 结语

本文主要以PHC管桩和UHPC管桩为研究对象,分析了二者的承载能力,并重点分析了参数变化对UHPC管桩的轴向承载力影响规律,得到以下结论:

(1)UHPC管桩的抗压承载力明显高于PHC管桩,PHC管桩与UHPC管桩极限承载分别为4 978 kN和16 246 kN,对应的极限位移分别为2.35 mm和5.14 mm,即UHPC管桩极限承载力和极限位移分别为PHC管桩的3.3倍和2.2倍。

(2)改变混凝土壁厚、强度和箍筋配筋率等参数时,轴力-位移曲线规律均不变,在未达到极限承载力之前,管桩轴力-位移曲线呈现出近似线性变化,在达到极限承载力之后,管桩逐渐出现脆性破坏,轴向变形缓慢增大,持续加载直至管桩破坏。

(3)随着混凝土壁厚、混凝土强度的增大,管桩极限抗压强度均增大,且二者均呈正相关增大规律。

(4)随着箍筋配箍率的增大,管桩极限抗压强度略微增大,通过提高箍筋配箍率对提高UHPC管桩极限承载力的作用不明显。

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