預應力混凝土抗拔樁受力性能分析

劉晗晗，劉擎波

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

預應力混凝土抗拔樁受力性能分析

劉晗晗1，劉擎波2

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

抗拔樁的承載力除受樁身強度、樁側(cè)阻力影響外，樁身裂縫通常起控制作用。通過改變抗拔樁內(nèi)受拉鋼筋的數(shù)量、直徑，改變樁身混凝土強度等級等方式改善抗拔樁的抗裂性能，在一定程度上造成了材料的浪費，工程造價的提高，且改善效果往往不是十分明顯。本文通過在有限元軟件ABAQUS中建立預應力混凝土樁土接觸模型，分析了在抗拔樁內(nèi)增加預應力鋼絞線后樁身混凝土及鋼筋的應力變化情況，以及在上拔力作用下，預應力鋼絞線對樁身混凝土及鋼筋的應力影響。分析結(jié)果表明，預應力能夠在樁長范圍內(nèi)有效建立，增加預應力鋼絞線能夠有效提高混凝土抗拔樁的抗裂性能。

抗拔樁；預應力；鋼絞線；抗裂性能

引 言

對于某些碼頭結(jié)構、大型船塢底板以及地下水位較高的高聳建筑物樁，由于建筑物所受水浮力較大，在其樁基礎中往往需要設置抗拔樁（又稱抗浮樁）以抵抗結(jié)構所受水浮力[1～3]。在抗拔樁的設計中，其所能承受的最大拉力除受樁身強度、樁側(cè)阻力影響外，樁身裂縫往往對其承受的最大拉力起控制作用。根據(jù)JTJ 248-2001《港口工程灌注樁設計與施工規(guī)程》[4]的規(guī)定，減小樁身裂縫的措施主要包括改變抗拔樁內(nèi)受拉鋼筋的數(shù)量、直徑，改變樁身混凝土強度等級等方式。這些方式對于改善抗拔樁的抗裂性能易于操作，常常被設計人員所采用，但也因此在一定程度上造成了材料的浪費，工程造價的提高，且改善效果往往不是十分明顯。

對于某些適合采用灌注樁的碼頭結(jié)構，由于波浪等荷載的作用導致樁基的受彎作用力很大，常采用預應力樁或鋼管樁改善樁基的抗彎抗裂性能[5]。但卻很少采用預應力混凝土樁作為抗拔樁。為分析在灌注樁內(nèi)增加預應力鋼絞線對樁身抗裂性能的影響，本文通過有限元軟件ABAQUS建立了混凝土灌注樁的模型，并對比分析了增加預應力筋后樁身及鋼筋、鋼絞線的應力變化情況，為工程中采用預應力混凝土灌注樁提供參考意義。

1 有限元模型

為分析在鉆孔灌注樁中施加預應力鋼絞線對樁受力性能的影響，采用有限元軟件ABAQUS建立了預應力樁及土的有限元模型。

1.1 樁、基礎參數(shù)

1）材料

樁及承臺的混凝土強度等級為C30，抗壓強度fc=14.3 N/mm2，抗拉強度設計值ft=1.43 N/mm2，彈性模量Ec=3.0×104N/mm2。樁中普通鋼筋采用HRB400級鋼筋，抗拉強度設計值為fy= 360 N/mm2，彈性模量Es=2.0×105N/mm2；樁中預應力筋采用1860鋼絞線，抗拉強度設計值為fpy= 1 320 N/mm2，彈性模量Eps=1.95×105N/mm2。

2）幾何尺寸

樁徑為 0.8 m，樁長為 25 m，承臺尺寸為2.0 m×2.0 m，厚度為0.8 m。樁內(nèi)均勻設置6根直徑為14 mm鋼筋和2根面積為140 mm2的鋼絞線。

1.2 土體參數(shù)

土體深度均為37.5 m。分析時將預應力鋼絞線的張拉端設在樁頂，樁周土范圍的直徑取8 m；有限元模型如圖1所示。

圖1 樁土有限元模型

2 本構模型

2.1 混凝土本構模型

分析過程中混凝土受拉及受壓本構模型分別如圖2和圖3所示，均不考慮截面內(nèi)橫向箍筋的約束增強效應，僅采用規(guī)范中建議的素混凝土參數(shù)，未考慮混凝土裂縫對其剛度的影響。分析時當混凝土由受拉變?yōu)槭軌簳r，混凝土材料的裂縫閉合，此時混凝土抗壓剛度將恢復為原有的抗壓剛度；當混凝土由受壓變?yōu)槭芾瓡r，混凝土裂縫將再次張開，此時混凝土抗拉剛度仍采用進入受壓狀態(tài)前混凝土抗拉剛度。

圖2 混凝土受拉應力-應變曲線

圖3 混凝土受壓應力-應變曲線

2.2 土本構模型

分析過程中土體采用 Mohr-Coulomb強度準則：

式中：τ為剪切強度；σ為正應力；c為材料粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角，取20°。

2.3 鋼筋及鋼絞線本構模型

分析過程中鋼筋及鋼絞線均采用等向強化本構模型。由于分析過程中上拔力較小，因此非預應力鋼筋處于完全彈性狀態(tài)，未達到屈服應力。施加預應力后，去除預應力損失后實際施加預應力，鋼絞線的張拉應力為77 %，故此時鋼絞線也處于完全彈性狀態(tài)。

3 樁、土接觸模擬

樁土間接觸的切向行為采用庫侖摩擦模型模擬，該模型用摩擦系數(shù)μ來表征在兩個表面之間的摩擦行為。在達到臨界剪應力之前，切向運動一直保持為零。臨界剪應力可表示為[6]：

式中：p為兩接觸面之間的接觸壓力；μ為摩擦系數(shù)，本模型取0.4。

樁土間接觸的法向行為采用硬接觸，即當接觸面之間的接觸壓力變?yōu)榱慊蛘哓撝禃r，兩個接觸面分離，同時接觸面間的約束被移開；但對接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力量值未做任何限制。

4 計算過程

計算過程共采用5個荷載步：

1）應用ABAQUS生死單元技術，殺死樁、鋼筋、鋼絞線及承臺，對土體施加約束，并進行地應力平衡；

2）激活樁、鋼筋、鋼絞線及承臺，對樁及承臺施加豎向約束，并施加重力；

3）去除樁及承臺，在承臺底部、樁周及樁底施加接觸，定義樁土接觸；

4）鋼絞線施加預應力，單根鋼絞線預應力大小為200 kN（去除預應力損失后實際施加預應力，張拉應力為77 %）；

5）在樁頂施加上拔力，大小為500 kN。

5 結(jié)果分析

5.1 樁身預應力的建立過程分析

對于普通的預應力構件，無論先張法還是后張法，通過構造及施工措施，基本可以保證構件兩端及沿構件縱軸方向上沒有明顯的約束，即在施加預應力時構件可以相對自由的壓縮變形，以便在構件上有效建立預壓應力。但對于后張有粘結(jié)預應力鉆孔灌注抗拔樁而言，由于樁身周圍土體對抗拔樁的側(cè)阻約束，可能導致樁身預壓應力無法有效的建立起來。為分析預應力鉆孔灌注抗拔樁樁身預應力建立的效果，分析了施加預應力后樁內(nèi)鋼筋和樁身的應力。

圖4 鋼筋應力

圖5 樁身應力

由圖4～圖5可知，張拉端設在樁頂時，施加重力后樁內(nèi)鋼筋最大壓應力為-0.96 MPa，樁身混凝土最大壓應力為-0.24 MPa。施加預應力后，樁內(nèi)鋼筋最大壓應力為-5.88 MPa，最小壓應力為-5.05 MPa，樁身混凝土最大壓應力為-0.98 MPa，最小壓應力為-0.79 MPa。施加預應力前后，樁身及樁內(nèi)鋼筋最大應力均位于樁身中下部。

由以上分析可知，在施加預應力后，與未施加預應力相比，樁內(nèi)鋼筋和樁身混凝土最大應力均有顯著增加，因此可知預應力能夠在樁全長范圍內(nèi)有效建立。

5.2 混凝土抗拉對抗拔樁受力性能的影響

混凝土的抗拉性能較差，其抗拉承載力與抗壓承載力相比較低。以C30混凝土為例，其抗拉強度設計值tf=1.43 N/mm2，抗壓強度設計值cf= 14.3 N/mm2，二者相差10倍。而當混凝土內(nèi)配置受拉鋼筋時，鋼筋抗拉強度設計值為360 N/mm2，遠遠大于混凝土抗拉強度，因此在設計時往往假定混凝土不承擔拉力，拉力全部由鋼筋承擔。為分析是否考慮混凝土抗拉對抗拔樁受力性能的影響，計算中分別將其抗拉強度取為0.002 N/mm2和1.43 N/mm2，對結(jié)構施加預應力進行分析。

圖6 鋼筋應力（不考慮混凝土抗拉）

圖7 樁身應力（不考慮混凝土抗拉）

圖8 鋼筋應力（考慮混凝土抗拉）

圖9 樁身應力（考慮混凝土抗拉）

由圖6～圖9可知，當不考慮混凝土抗拉時，施加預應力后，鋼筋最大壓應力為5.88 MPa，混凝土受壓應力為-0.98 MPa；施加500 kN上拔力后，鋼筋由受壓變?yōu)槭芾渥畲罄瓚?7.45 MPa。當考慮混凝土抗拉時，由于混凝土截面面積與鋼筋截面面積相比較大，因此混凝土分擔大部分上拔力，此時鋼筋的拉應力降低為1.19 MPa，混凝土受拉應力則為0.18 MPa。因此可知，考慮混凝土抗拉后鋼筋所受拉應力大幅降低，與未考慮是相比，降低幅度達98.8 %。而事實上，雖然混凝土受拉性能較差，抗拉承載力較低，但由于其與配置的鋼筋相比，截面面積較大，因此不考慮混凝土抗拉所得結(jié)果將大大低估樁身抗拉承載力，造成較大的浪費。由于現(xiàn)行規(guī)范在設計抗拔樁時未考慮樁身混凝土的抗拉強度，因而樁身混凝土的抗拉強度可以作為有效的安全儲備。

5.3 預應力對抗拔樁受力性能的影響

為分析在抗拔樁中施加預應力對抗拔樁受力性能的影響，分別對比分析了施加預應力鋼絞線和未施加預應力鋼絞線對樁內(nèi)鋼筋及混凝土應力變化情況。

圖10 有預應力時鋼筋應力

圖11 有施加預應力時樁身應力

圖12 無預應力時鋼筋應力

圖13 無預應力時樁身應力

由圖10～圖13可知，未施加預應力鋼絞線時，抗拔樁在 500 kN拉力作用下，鋼筋最大應力為6.43 MPa，樁身最大應力為0.99 MPa；施加預應力鋼絞線后鋼筋最大應力為1.19 MPa，混凝土受拉應力則為0.18 MPa，與未施加預應力鋼絞線相比分別降低了81.5 %和81.8 %。由此可知，在抗拔樁內(nèi)施加預應力可大幅降低其內(nèi)部非預應力鋼筋及樁身混凝土的應力水平，有效提高樁身抗裂性能。

6 結(jié) 語

1）在鉆孔灌注抗拔樁內(nèi)施加預應力鋼筋，可大幅降低鉆孔樁內(nèi)部非預應力鋼筋及樁身混凝土的應力水平，從而有效提高樁身抗裂性能。

2）對于后張有粘結(jié)預應力鉆孔灌注抗拔樁來說，雖然在樁身及樁端存在一定約束，但是在預應力鋼筋張拉后樁身依然能夠建立起有效的預壓應力。由于張拉端設置位置的不同，將導致樁身有效預壓應力的分布位置有所不同。

3）在樁身施加上拔力后，是否考慮混凝土自身的抗拉強度對最終樁身混凝土和鋼筋的應力狀況影響較大。在樁身設計時，混凝土抗拉強度可以作為有效地安全儲備。

[1]楊紹虎.抗拔樁承載力計算方法研究[J].安徽建筑,2014,1(195):90-92.

[2]李海霞.嵌巖抗拔樁承載力特性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2012.

[3]江凌.結(jié)合工程案例探討鉆孔灌注樁在船塢地基工程中的應用[J].交通建設,2012:250-251.

[4]JTJ 248-2001港口工程灌注樁設計與施工規(guī)程[S].北京:中華人民共和國交通部,2002.

[5]JTJ254-98 港口工程樁基規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[6]莊茁,張帆,岑松.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京:科學出版社,2004.

Load Performance Analysis of Pre-stressed Concrete Uplift Pile

Liu Hanhan1,Liu Qingbo2
(1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China; 2.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

Besides the strength and side resistance of pile body,pile cracks usually play an important role in the control of the bearing capacity of uplift pile.Some conventional measures have been adopted to improve the crack resistance of the uplift pile,including the changes of pile’s concrete strength grade,the number and diameter of reinforcing bars in the uplift pile.The above methods waste materials and increase the construction cost to a certain extent,but the crack resistance is not improved obviously.Based on finite element software ABAQUS,a pre-stressed concrete pile-soil model is established to analyze the stress variation of pile concrete and reinforcing bars after adding pre-stressed steel strand into the uplift pile as well as the stress impact of the pre-stressed steel strand on pile concrete and reinforcing bars under uplifting force.The analysis results show that pre-stress works effectively in the range of pile length and the addition of pre-stressed steel strands can improve the crack resistance of concrete uplift pile effectively.

uplift pile; pre-stress; steel strand; crack resistance

TU473.1+1

：A

：1004-9592（2016）06-0031-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160608

2015-01-08

劉晗晗(1984-)，女，助理工程師，主要從事港工結(jié)構設計及研究工作。