PHC管桩滞回性能有限元研究

PHC管桩滞回性能有限元研究

李伟李博

沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168

摘要：本文为了探究PHC管桩的抗震性能。利用有限元分析软件ABAQUS对5根PHC管桩进行有限元分析，得到了相应的滞回曲线、骨架曲线，同时研究了不同混凝土轴压力、预应力筋应力比、箍筋间距三种参数对其抗震性能的影响。结果为随着预应力钢筋应力比的增加，PHC管桩的耗能能力增强，随着轴压力和预应力筋应力比的增加，其侧向承载力增加，减少箍筋间距可以小幅度增加承载力。

关键词：PHC管桩；有限元分析；抗震；预应力筋应力比；轴压力；箍筋间距

预应力混凝土管桩具有单桩承载力高、质量可控制、价格便宜、施工速度快等优点，在我国工程建设中得到广泛的应用。黑正清治等研究了管桩内填芯对抗震性能的影响，结果表明填芯可以提高PHC管桩的延性，填芯的混凝土可以提高管桩的耗能能力，改善管桩的抗震性能。近些年国内一些研究机构对于PHC管桩有一定的研究，得到了一些有价值的研究成果。增配非预应力钢筋对常规PHC管桩承载性能的改善作用。杨志坚[1]通过对PHC管桩桩头与承台连接节点抗震破坏情况的试验研究，发现桩顶嵌入承台深度、锚固筋的直径和数量对截桩节点的延性、承载力有着较为显著的影响。

为了进一步探究PHC管桩的抗震性能，作者采用ABAQUS软件，通过建立5个试件进行有限元分析，分别对其滞回曲线、骨架曲线及刚度退化等因素展开对比分析，为以后的研究提供参考。

1．有限元模型分析

1.1试件设计

文章中共设计了5个PHC管桩试件，试件长度为5m，桩径为500mm，壁厚为200mm，混凝土强度为C80。

表1试件参数表

1.2材料本构模型

1.2.1混凝土的本构模型

本文采用强度为C80的混凝土，混凝土塑性计算时采用美国E.Hognestad建议的模型。该模型的特点是：上升段采用抛物线形，反映混凝土并非理想的弹塑性材料，下降段采用斜直线[2]，这一模型的应力应变曲线如图2所示

上升段：(1)

下降段：(2)

式中：fc——峰值应力

ԑcu——峰值应力时的应变，取ԑcu=0.002

ԑ0——极限压应变，取ԑ0=0.0038

图1Hognested建议应力应变模型

1.2.2.钢材本构模型

钢筋的本构关系模型采用双直线的本构关系模型，强化模量取初始弹性的1%。

对于钢骨而言，在混凝土与钢筋骨架同时的影响下，防止了钢骨发生侧向失稳，钢骨周围的侧向力有一部分被混凝土分担，基于以上分析本论文中钢骨的本构关系采用了二次塑流模型[3]。

1.3部件单元选取及网格划分

钢骨采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)[4]，网格划分如图3所示。

图2模型网格划分

2.有限元分析结果

2.1滞回曲线

从所有试件中选取TG-01试件的滞回曲线如图5所示。

图3滞回曲线

从图3中可以看出，各滞回曲线的共同特点为：滞回环基本呈弓形，中部不同程度出现捏缩现象。加载初期，力和位移基本呈线性关系，滞回环包围的面积很小，试件的残余变形也很小，各试件均具有良好的变形恢复能力，基本处于弹性工作状态。混凝土开裂之后，随着加载循环次数的增加，试件的跨中挠度不断增大，而承载力也随之增加。在每一次加载过程中，加载曲线的斜率随荷载增大而减小。同一位移控制时，比较三次同向加载曲线，后次曲线的斜率比前次的逐渐减小，说明往复荷载作用引起构表现出了良好的滞回性能。

通过对比P01、P02与P03、P04、P05相比，前两个试件的滞回曲线更加饱满，耗能能力更强，说明预应力钢筋应力比越高，试件越耗能。

2.2骨架曲线

图4骨架曲线

通过图4可以看出，通过比较P01和P02可以看出，试件的轴压力越大，其侧向承载力越高。由P01和P03可以看出预应力钢筋应力比越大试件的侧向承载力越高，但是极限位移越低，降低了试件的变形能力。由P01和P04、P05可以看出试件的箍筋间距对于试件的影响较小，当箍筋间距增大时，试件的承载力有小幅度下滑，其他性能大致相同。

3.结论

通过对PHC管桩的有限元研究，得出了下列结论：

（1）PHC管桩的滞回性能良好，出现了捏塑现想，随着预应力钢筋应力比的增加，其耗能能力增强。

（2）从骨架曲线可以看出，增加PHC管桩的轴压力和预应力筋应力比可以增其侧向承载力，减少箍筋间距可以小幅度增加承载力。

参考文献(References)：

[1]杨志坚,王文进等,往复荷载作用下预应力高强混凝土管桩延性分析[J].工程力学,2016.33(S1):第107-112页.

[2]李一凡,预应力高强混凝土管桩抗震性能试验及理论研究[D],2015,河北工业大学.

[3]齐晓光,预应力高强混凝土管桩抗震性能的试验及理论研究[D],2012,河北工业大学.

[4]陈艳风,预应力高强混凝土管桩—承台组合体试件节点抗震性能试验研究[D],2014,河北工业大学.