对增强型填芯混凝土管桩的水平承载力试验及理论分析.pdf

2 0 1 4年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT 201 4 No 5 Ma v 对增强型填芯混凝土管桩的水平承载力 试验及理论分析 杨子京 ， 白晓红 ， 贺武斌 ， 郭昭胜 ( 太原理工大学 建筑与土木工程学院， 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 为 了不使基桩在地震作 用下由于节点的薄弱而提 前失去承 载能力， 结合室 内拟静力试验 ， 对不同节点加强 方式的管桩承 台节点模 型进行 了水平承栽力试验研究 。对比 了在节点处设 置加 强环和将普通填芯换做劲性填芯的试 件 节点的抗 弯能力、 裂缝发展情 况和破 坏模式 ， 并依据 实测的破坏荷载得 出了相 当于普通填 芯混凝土 管桩 的桩体嵌 入承 台的深度 分析 比较 了试验试件与等效试件的裂缝发展 情况和破坏 形式 ， 为桩 基抗震设计提供参考和帮助 。 关键词 ： 增强型管桩； 拟静力加载 ； 锚 固钢筋 ； 等效嵌 固深度 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o ma k e s u r e t h e n o d e o f p i l e s a n d c a p p r o v i d e e n o u g h c a r r y i n g c a p a c i t y d u r i n g t h e e a r t h q u a k e ，t h e n o d e s wi t h d i f f e r e n t e n h a n c e d fi l l e d c o n c r e t e p i l e u n d e r t h e q u a s i - s t a t i c l o a d i n g c o n d i t i o n s a r e s t u d i e d T h e b e n d i n g s t r e n g t h s ，c r a c k d e v e l o p me n t a n d d e s t r u c t i v e me c h a n i s m o f s p e c i me n n o d e s wi t h s e t t i n g r i n g a t t h e n o d e a n d r e p l a c i n g c o mmo n c o r e t o s t i ff f i l l c o r e a r e c o mp a r e d T h e e q u i v a l e n t e mb e d d e d d e p t h o f p i l e i n t o t h e c a p i s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s o f f a i l u r e l o a d i n g s T h e e x p e r i me n t r e s u h s c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e t o t h e s e i s mi c d e s i g n o f c o n c r e t e p i l e n o d e Ke y w o r d s ： E n h a n c e d p i l e ； Q u a s i - s t a t i c l o a d i n g ； A n c h o r b a r s ； E q u i v a l e n t e m b e d d e d d e p t h 中图分类号 ： T U 4 7 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 5 3 O 一 0 4 0前 言 对 于非 液化 场 地而 言 预 应 力混 凝 土 管桩 在 地 震作用下的震 害主要发生在桩与承 台的连接处和 承台下的桩身上部。大量的工程实例和室内试验 都证实 了在水平地震荷载作用下 ， 桩与承台连接处 的弯矩 、 剪力值均很大 ， 接近同一量级 ， 同时还作用 有压力 ， 在这三部分荷载共 同作用下桩与承台的连 接处处于危险状态 2 3 。 对于该种不利状况。 国内已做 了很多研究 。朱海堂等通过改变桩体嵌入承台的深 度改变节点的抗弯性能 ， 提 出了连接节点受弯承载 力 的受力模型和计算公式 。但是 ， 在不改变桩体 嵌入深度 的前提下 ， 通过设加强环或其它方法提高 节点抗弯能力的研究还很少。因此 ， 本项 目通过拟 静力实验条件 对三种不同节点构造的混凝土管桩 与承台连接的节点试件进行了试验 ， 实时观测 了裂 缝发展形态 、 承载能力 、 内力变化及破坏形态 ， 并对 连接节点处的弯 曲性能进行 了分析和探讨 ， 提出 了等效嵌 固深度 的概念 ， 可 以为工程界提供一定 的 理论和实验依据 。 基 金 项 目 ： 山 西 省 留 学 人 员 科 技 活 动 择 优 资 助 项 目 ( 8 0 0 1 O 4 0 2 0 2 O 0 2 8) 。 一 3 0 1 试 验概况 1 1 试件制作及试验装置 1 1 1 试件制作 本项 目共进行了 组试件( 编号分别为 T 一 1 、 T 一 2 、 T 一 3 ) 的拟静力试验 ， 试件设计详 图如 图 1 所示 ， 试验采用的桩型根据图集 1 0 G 4 0 9 ( 预应力混凝土管 桩 制作 ， 选用 P H C 一 4 0 0 一 AB 一 9 5型 ， 锚 固钢筋采 用 4 0 2 0 m m， 焊接在管桩 的端板上 ， 最大锚固长度为 6 2 0 m m。T一 1试 件 仅设 置 普 通 填 芯 ，其 纵 筋 为 4 0 1 0 m m， 钢 筋 沿 圆 周 均 匀 布 置 ，箍 筋 采 用 0 6 mm l O O m m，承 台尺 寸 1 5 mx O 8 mx 0 9 m： T 一 2试 件设有普通填芯和加强环 加强环直径 8 0 0 mm。 高 度 为 8 0 0 m m，加 强环 部分 承 台外 包宽 度为 2 0 0 m m， 加 强 箍 筋 构 造 采 用 0 8 m m5 O mm 环 向 筋 ， 01 2 mm 2 0 0 mm竖 向钢筋 ，承 台尺 寸 1 5 m l mX 0 9 m： T 一 3试 件设 有 劲性 填芯 ，采 用 T形 的工 1 4型 钢 ， 底部横向宽度为 1 m， 竖 向长度为 3 1 7 m， 角部采 用边长为 1 0 0 mm的等腰直角三角形进行加固， 从承 台上边 缘算 起 ，型钢 深 入到 承 台 内部 的长度 为 3 7 0 m m， 承台尺寸为 1 5 mx 0 8 mx O 9 mo三组试件承 台内部的钢筋参照混凝土结构设计规范 按双 向均 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨子京 ， 白晓红 ， 贺武斌 ， 等 对增强型填芯混凝土管桩的水平承载力试验及理论分析 匀通长布置 ； 管桩嵌入承台高度均为 5 0 mm， 三组试 件的填芯混凝土和承 台混凝土同时浇筑 ， 强度等级 C3 0。 ! Q Q T一1 T一2 T一3 图 1 试件设计详图 1 1 2 试 验装 置 本次试验用电液伺服系统进行拟静力试验 ， 试 验 加 载装 置如 图 2所 示 ， 通 过 固定在 反 力 墙 上 的一 台电液伺服 液压加载器在试件的桩头标高处施加 往 复的水平 荷载 ， 加 载方 向为东 西向 ， 座动器 在东 侧 ， 竖 向由油压 千斤顶进行施压 ， 整个试件 由地脚 锚栓和钢梁固定。 图 2加载装置 1 2 加载方案及数据采集 试 验加载采用位移控制加载方案 8 3 ， 水平加 载 采用 的是往 复循 环加载 ， 每级荷 载循环 3次 ， 两次 加力时间间隔 3 m i n ， 直至荷载跃过峰值 降至极限荷 载的 8 5 后 ，认为试件破坏 ，停止加载 。参照 J G J 9 4 -2 0 0 8 ( 建筑桩基技术规范 ， 竖 向轴压 比控制 在 0 1 ， 本次试验 的千斤顶荷载值定为 2 0 0 k N。 试 验数据采集系统 由 I MP测试数据采集 系统 和计算机 、 力传感器组成 ， 可 以在试验 中连续测量 和 记 录 。 2试 验 结果 分析 2 1 荷载一 位移滞回曲线及裂缝发展状况 在座动器上安装了量力装置 ， 并实时反馈。试 验加载过程 中 ， 对各组试件 的反力实 时记 录 ， 并在 每级荷载下描绘试件各部分的裂缝发展情况_ 1 o 。 90 移 荷载kN OU 30 - 4 。 2 O 4 0 。 位移 mm 图 3 T l 荷 载一 位移滞 回曲线 试 验得 到 的 T 一 1 滞 回曲线 如 图 3所示 ， 由图 可 知 加载初期试件处于弹性工作 阶段 ， 荷载位移曲线 呈直线变化。进入弹塑性工作阶段后 ， 曲线斜率迅 速减小 。 滞 回曲线呈“ Z形” ， 试件耗能性能差。 当荷载达到极限荷载的 4 5 时， 管桩与承台节 点处出现粘结裂缝 ， 荷载达到 6 7 时承台上 出现围 绕管桩 的辐射裂缝 ， 随着荷载的增加新裂缝不断出 现 。 但是延伸长度很短 ； 达到极限荷载之后 ， 承台节 点 处顺着加载方 向的承 台两侧混凝土开始 出现 隆 起 ， 随着位移的增大 ， 荷载迅速降低 ， 隆起部位很快 抬高， 节点破坏。 T 一 2滞 回曲线如图 4所示 ， 图中曲线呈“ 弓形” ， 具有“ 捏缩 ” 效应 ， 滞回环比较饱满 ， 能较好地吸收地 震 能量 ， 构件 的刚度增强 ， 承载力增加幅度很大。 1 )U 1 2 0 荷载 k N 9 0 6 0 3 0 _ 8 。 2 O 4 0 6 O 8 O 位 移 mm 图 4 T 一 2荷 载一 位 移 滞 回 曲线 当荷载加载到极 限荷载的 6 0 时 ， 管桩与加强 台 连 接 处 出现 径 向辐 射 裂 缝 并 且 随荷 载 增 加 向 两 侧 逐渐延伸 ， 此时在加强台上方 的管桩上 出现正裂 缝 ； 继 续 加 载 到极 限 荷 载 8 5 左 右 时 ， 再 无 新 裂 缝 出现 ， 但加强环上的辐射裂缝向下延伸 ， 出现劈裂裂 缝 和斜裂缝 ； 达到极 限荷载后 ， 荷载值降低 ， 管桩 与 加强 台之间 的间隙增大 ，当荷载加至极 限荷载 的 7 5 时 ， 间隙急剧增大 ， 节点发生破坏。 T 一 3滞 回曲线呈“ 反 S形” ， 滞 回曲线相对饱满 ， 曲线斜率减小缓慢 ，说 明试件刚度退化的速度慢 。 滞 回曲线如图 5所示 ， 由图看 出试件的延性得到很 大的提高 。 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨子京 ， 白晓红 ， 贺武斌 ， 等 对增强型填芯混凝土管桩的水平承载力试验及理论分析 注： q 和 q 为沿节点处 管桩 轴 向呈 三角 形分布 的 弯矩 的抗力 ，沿 管桩外 圆 周 成 余 弦 函数 分 布 ， 。 和 q 2 为最大值 1 ； 为沿节点处管桩 轴 向均 匀分布 的剪 力的抗 力 沿 管桩一 侧外 圆周成 余 弦 函数 分 布 ， q ， 为 最 大 值 2 ， = g q = q2 c o s o q3 q3 o = q3 c o s 0 图 9 T 一 1节点受弯力学简化模 型 钢筋 的弹性模量， MP a ； 为节点连接破坏时锚固钢 筋应变 ； D为预应力管桩 的外直径 ， m m； L为预应力 管桩嵌人桩 帽的深度 ， m m； 仅为桩帽和加强 台混凝 土挤压强度提高系数 ， 根据试验资料统计取 仅 = 2 7 ， 当 L D O 2 5时取 cx = 6 7 5 。 依据试件的荷载一 位移滞 回曲线 、锚 固钢筋 的 荷载一 应变滞 回曲线得到各参数 ，将各参数代入公 式 得 十 连接节点处的受弯承载力为 1 1 4 8 9 k N m， 实测值为 1 2 1 3 5 k N r n 按此计算方法所得结果与实 验数据匹配良好。 2 - 3 2 T 一 2和 T 一 3的等效嵌 固深度 在不考虑裂缝发展 的影响 ， 只将承载力特性作 为评价 因素 ，设 加强环的 T 一 2试 件承载力提升明 显 ， 将普通填芯换做劲性填芯 的 T 一 3试件承载力得 到提升 ， 但增值不大 。普通型试件 T 一 1 ， 桩身与承 台 节点处 的荷载由锚 固钢筋与混凝土共 同承受 。 其 中 混凝 土提供的抗力与桩体深入承台的深度 ， 即桩身 嵌 固深度有直接关系 ， 而锚 固钢筋提供 的抗力可以 实测得到。将 T 一 2的数据带人 T 一 1的简化公式 ， 得 等效嵌固深度为 2 8 7 3 m m， 增加管桩的嵌入深度 ， 可 以很大程度的提高管桩 的锚固强度 ， 更好地传递荷 载O通过设加强环 试件的水平极限承载力提高了 5 3 ； T 一 3的等效嵌 固深度为 2 1 5 6 ra m。通过改变普 通填芯为劲性填芯 ，水平极限承载力提高了 1 9 。 由 T 一 1 模型所得 的计算公式可 以看 出， 管桩 的水平 承载力并不是随着嵌入深度成比例增加。 3结论 ( 1 ) 本次试验对普通填芯混凝管桩做 了两种不 同方式 的增强 试验后对 T 一 1进行受力分析 ， 建立 了 T l的承载力计算模型 ， 试件承受的破坏荷载和 锚固钢筋的应变是计算模型中两个重要 的参数 应 用增强型试件 的试验结果中的这两个参数 得到强 度等效于普通试件的等效嵌固深度。 ( 2 ) 设 置加强环使得管桩在节点处受力 区域扩 大 ， 锚 固钢筋的受力较小可 以看出管桩的最大弯矩 和剪力点 向远离承台一侧移动 ， 通过这种节点增强 方式改变 了节点处横截面突变的不利情况 ， 极大地 增强了节点处的承载能力 ； 运用 T 一 1的计算模型算 得 T 一 2的等效嵌 固深度 ， 等效模型受力区域相对较 小 ， 裂缝会很密集 ， 导致承台节点处隆起面积过大 而相对 的 T 一 2节点处受力更为合理 ， 裂缝分布和发 展 比较 理 想 ， 达 到 极 限 荷 载 之 后 ， 加 强 环 的套 箍 作 用很 大地 增 强 了节 点 的变 形能 力 。 ( 3 ) 用劲性 填芯替换 普通填芯的增强方式 、 加 大 了承台与管桩节点处 的刚度 。 T形工字钢 深入承 台增大 了承台承受节点荷载的区域 ， 使管桩的抗拔 能力得到很大提升 ； 通过模型计算对比分析 ， T 一 3能 够允许更 大的水平位移 ， 达 到极 限载荷后 节点处 刚度减小缓 慢 ， 还有很大 的承载能力 ， 性能远优于 等效的 T 一 1 参考文献： 【 1 】 戎贤， 李鹏飞 预应力 混凝土管桩节 点抗震性 能研究 J 工 业建筑 2 0 1 3 4 3 ( 8 ) ： 9 4 - 9 7 2 杜福 生 预应力高强混凝土管桩 ( P H C) 抗震 性能的探讨 J 1 福建建筑。 2 0 0 9 ( 3 ) ： 5 7 5 8 3 朱海棠， 丁 自强， 张启 明 预应力混凝 土管桩与桩 帽连接节 点受弯性能试验研究 J 土木工程学报， 1 9 9 7 ， 3 0 N) ：6 8 7 4 4 1 李平先预应 力混凝土 大管桩与桩 帽连接足尺试 验研 究 J J 工程力 学( 增) ， 1 9 9 5 ： 7 7 2 - 7 7 6 5 1 洪涛 水 平荷 载作用下预应力混凝土管桩受力性状 的分析 D J 合肥工业大学， 2 0 0 8 【 6 苏州 中材 建筑建 材设计研 究院 1 0 G 4 0 9预 应力混凝 土管 桩 S 北 京： 中国计划 出版社， 2 0 1 0 7 中华人 民共和 国住房 和城乡建 设部 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混 凝土结构设计规范 S 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 0 f 8 】 张星宇， 柳炳康， 凌应轩， 等 预应力混凝土管桩 与承台结 合 部抗剪承载力 的试验研究【 J _ 建筑结构， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 4 ) ： 1 1 - 1 4 【 9 】中华人 民共和 国住房和城 乡建设部 J G J 9 4 -2 0 0 8建 筑 桩基技术规范【 S 】 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 8 1 0 李平先， 张雷顺， 赵 国潘 预应力混凝 土管桩 与桩帽连接 节 点轴 拔性 能原 型试 验研 究 J 土木 工程 学 报， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 7 ) ： 8 1 8 6 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 2 4 作者简介 ： 杨子京 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 在 读硕 士研究生 。 通 讯 作 者 ： 白晓 红 ( 1 9 5 9 一) ， 女 ， 教 授 。 通讯地址 ： 山西省太原市迎泽西大街 7 9号 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m