PHC管樁抗震性能試驗研究

戎 賢，賈 楠，李艷艷

(1.河北工業大學土木工程學院，天津300401;2.河北省土木工程技術研究中心，天津300401)

0 引言

預應力高強混凝土管樁(簡稱PHC管樁)由于其適用范圍廣、承載力高、樁身耐打穿透力強、成樁質量好［1］等優點在工程實踐中得到廣泛應用［2］.目前，國外在研究地震作用下軟弱土層中樁基在水平方向的動力反應及承載特性方面取得了較大成果，國內鄭州工業大學、合肥工業大學等科研機構在PHC管樁承臺節點部位的力學性能進行了研究［3］，然而對PHC管樁樁身抗震性能的研究較少.因此，筆者進行了PHC管樁的低周往復實驗，以研究PHC管樁的抗震性能.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗共設計了5根PHC管樁，試件樁身長度均為5 000 mm，混凝土強度等級為C80，混凝土管樁壁厚度按樁徑不同分別為95 mm(Φ400 mm型樁)、100 mm(Φ500 mm 型樁)，預應力縱筋的直徑按樁型不同分別為9.0 mm(A型樁)、10.7 mm(AB型樁)，箍筋采用Фb=4 mm的螺旋箍筋.試驗擬針對樁徑、樁型及配置非預應力筋對管樁抗震性能的影響進行對比分析，設計了不同樁徑的P2和P4，P1和P3兩組試件對比分析樁徑的影響;設計了不同樁型的P1和 P2，P3和P4兩組試件對比分析樁型的影響;設計了P4和P5對比分析配置非預應力筋的影響.試件設計參數見表1，混凝土和鋼筋的力學指標見表2.

1.2 試驗方案

試驗采用的荷載形式為低周往復集中荷載，施加荷載的位置選在管樁試件的中部，從而能更準確地模擬管樁在地震力下的受力狀態以研究其抗震性能.加載裝置見圖1.根據JGJ 101—96《建筑抗震試驗規程》［4］中關于擬靜力試驗加載相關規定，試驗加載采用力-位移混合控制制度進行.試件屈服前采用荷載控制并分級加載，每個荷載控制等級循環一次.試件屈服后采用位移控制，每級位移荷載循環3次，直至構件破壞.

表1 試件設計參數Tab.1 Design parameters of the specimen

表2 混凝土和鋼筋的力學指標Tab.2 Measured values of mechanical properties of steel and concrete

圖1 實驗加載裝置Fig.1 Loading device

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

P1，P2，P3及P4試件裂縫數量較少，分布區域主要集中在樁身中部加載位置的塑性鉸區域，且裂縫形式均為沿樁身橫截面發展橫向裂縫，試件破壞前裂縫寬度很大，間距也較大且保持一致，裂縫發展很不充分，可見裂縫發展的形態及分布受剪力的影響不大［5］.以上現象表明管樁在試驗荷載作用下主要處于樁身中部彎矩作用下的受彎狀態，尤其是在塑性鉸區的純彎狀態，可見樁徑及預應力度對于提高管樁的抗震性能不明顯.

而增配非預應力筋的改善型試件P5裂縫形態中出現了較長的斜裂縫，裂縫的平均寬度減小，裂縫數量明顯增多，分布范圍也向試件兩端發展，可見采用增加非預應力筋的措施后，試件樁身的應力分布更加合理均勻，裂縫發展更充分，有利于發揮高強混凝土的高強性能以增強試件的耗能能力.

2.2 試驗結果

以試件受力區出現的第一條裂縫對應的荷載為開裂荷載，各試件的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載見表3.

由表3可見，試件的開裂荷載隨樁徑的減小而降低的趨勢非常明顯，樁徑較小的試件P1和P2開裂很早，這對于以裂縫作為主控目標的預應力構件而言是十分不利的.試件的極限承載力隨樁徑的增大而增大，樁徑大的試件的屈服荷載和極限荷載均較小樁徑試件明顯增大.與相同條件下的原型試件P4相比，采用增配非預應力筋措施的試件P5的承載力有所增大，特別是破壞時的極限荷載明顯提高.

表3 各試件主要受力階段的承載力Tab.3 Bearing capacity of specimen under the main conditions kN

2.3 試驗抗震性能分析

2.3.1 荷載-位移滯回曲線

荷載-位移滯回曲線是研究結構試件抗震性能的主要指標，它綜合反映了試件在加載中任意時刻的承載及變形能力、耗能能力及剛度退化現象.各試件樁身的荷載-位移滯回曲線見圖2.

通過不同樁徑的原型試件比較發現，樁徑較小的P1、P2試件較之相同條件下樁徑為500 mm的試件P3、P4，其滯回曲線的形態更為飽滿，小樁徑試件的滯回曲線的捏縮現象得到一定的緩解，表明預應力高強混凝土管樁的耗能能力隨著樁徑的增大而減弱;通過比較還發現，較之樁徑為500 mm的試件，小樁徑試件在破壞前能夠經歷更大的變形，其位移延性性能較前者提高.綜合以上兩點得出，預應力高強混凝土管樁的抗震性能隨著樁徑的增大而降低.

圖2 各試件滯回曲線Fig.2 Hysteretic curve

通過不同樁型試件的比較發現，較之A樁型試件(P2和P4)，預應力筋配筋率較大的AB樁型試件(P1和P3)的滯回曲線的形態較為豐滿，滯回環的面積明顯增大，捏縮現象也有較大改善，耗能能力明顯增強，并且其破壞前經歷的變形量也大幅增加，使其延性性能增強，表明PHC管樁的抗震性能受管樁預應力筋配筋率影響較大.

通過采取增配非預應力筋措施的試件P5與相同條件下的試件P4的滯回曲線比較可知，增加了非預應力筋的試件P5，水平承載力有大幅提高，試件的耗能能力顯著增強，滯回環明顯呈梭形，形態飽滿，黏滯阻尼系數增大，“捏縮”現象消失.由于在預應力縱筋受拉斷裂后，非預應力筋可以與混凝土共同作用以發揮高強混凝土的強度高的優勢，以及非預應力筋在塑性變形能力方面的優勢明顯，所以試件的耗能能力及變形能力等抗震性能得到明顯提高.

2.3.2 延性性能分析

試件的位移延性系數為極限位移與屈服位移的比值，主要對延性結構構件局部的相對延性進行評價［6］.研究者采用能量等面積法［7］，對試件的位移延性系數進行計算.各試件的位移延性系數見表4.

通過試件的位移延性系數的對比發現，對于相同樁型的管樁試件P4和P2，P3和P1的屈服位移和極限位移隨著樁徑增大而減小，位移延性系數也有所減小;對于相同樁徑的試件P4和P3，P1和P2，其屈服位移和極限位移隨著樁型的不同而變化，預應力筋配筋率較高的AB型樁試件P3和P1的屈服位移與極限位移明顯大于相同條件下的A型樁試件P4，P2，其位移延性系數也較后者有大幅的提高，樁徑為400 mm的P1試件(AB型)位移延性系數較P2(A型)增大了35%，樁徑為500 mm的P3試件(AB型)位移延性系數較P4(A型)增大了約70%，以上兩點表明樁型與樁徑對預應力高強混凝土管樁的位移延性性能均有影響，且樁型即樁身預應力筋配筋率對其延性性能的影響更加顯著，管樁的變形能力隨其樁身預應力筋配筋率的增加而明顯增強.

表4 位移延性系數Tab.4 Displacement ductility coefficient

與原型試件P4相比，增配了直徑為16 mm普通鋼筋的改善型試件P5的位移延性性能明顯改善，屈服位移增加了20%，極限位移增加了63%，位移延性系數增大了38%，這表明增配的非預應力筋使樁身混凝土的應力分布變得更加均勻，從而使預應力混凝土管樁的受力狀況得到改善，進而改善了管樁的延性性能.

3 結論

(1)在低周往復荷載作用下，預應力高強混凝土管樁主要處于樁身中部彎矩作用下的受彎狀態，由于管樁預應力筋的脆性斷裂嚴重制約了高強混凝土的裂縫發展，使得受彎狀態下的管樁存在延性較差、變形及耗能能力較低等不足，限制了管樁混凝土強度高等性能優勢的發揮.

(2)管樁的延性性能、變形能力等抗震性能隨著樁徑的增大而降低;而隨著預應力筋配筋率的提高，破壞的脆性特征及剛度退化現象減弱，延性性能及變形能力明顯增強，抗震性能有所改善.

(3)配置一定數量的非預應力筋可以改善預應力高強混凝土管樁樁身的受力特性，充分發揮其承載性能高的優勢，從而可以有效地提高管樁的水平承載力、改善其在延性性能、變形及耗能能力等方面的抗震性能.

［1］涂濤.預應力混凝土管樁承載性能的研究［D］.長安大學建筑工程學院，2009.

［2］鄧友生.預應力混凝土管樁的應用研究和發展前景［J］.建筑技術，2003(4):263-266.

［3］宋寅.預應力混凝土管樁填芯混凝土抗彎試驗研究及理論分析［D］.合肥工業大學土木與建筑工程學院，2006.

［4］中國建筑科學研究院.JGJ 101—96建筑抗震試驗規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［5］曾慶響.預應力高強混凝土管樁正截面受彎性能試驗研究［J］.建筑結構，2010，40(4):114-116.

［6］柳炳康.預應力填芯管樁抗彎性能與延性特征的試驗［J］.工業建筑，2007，37(3):46-49.

［7］倪詩閣.結構試驗中屈服變形的確定方法［J］.工業建筑，1996，26(8):45-50.