PHC管桩柱在不同轴压比下抗震性能的有限元分析

时间：2024-07-28

范枝波，强烨佳，李诚

（1、广东建科创新技术研究院有限公司广州 510500；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500）

0 引言

在装配式混凝土结构中，预制混凝土柱是常用的一种竖向预制构件，按照构件组成在时间上是否存在同步性，预制混凝土柱可分为全预制柱和叠合柱［1-2］。叠合柱通常是由预制空心外壳和现浇内芯混凝土组成，预制空心外壳需具备高强度、标准化、承载力高等特点，而预制混凝土管桩恰好具备上述的特点，但其以往通常应用于地基基础部分，尚未或较少运用于上部结构，尤其是在抗震设防区。本课题提出了将PHC管桩柱用作预制空心外壳，运输至施工项目后，在其管芯内插入纵筋并浇筑混凝土，以此形成一种新型的叠合柱，本文将该叠合柱称为PHC管桩柱。课题组对PHC 管桩柱申请了系列中国专利［3-6］，并陆续开展了抗震性能试验［7-8］。考虑到现场试验需支出大量的经费，若结合数值模拟，将节约较多的人力、物力和时间。本文基于ABAQUS 有限元软件，建立PHC 管桩柱-基础节点模型，将模拟结果与试验结果进行对比，在验证模型可靠性后，分析了轴压比对PHC管桩柱抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

PHC管桩采用的型号为AB500（100），桩身混凝土强度等级为C80，而内芯、基础则采用强度等级为C30的商品混凝土，钢筋均采用HRB400。为避免管桩自身混凝土、基础混凝土强度差距过大，造成基础受损较大，进而影响PHC管桩抗震性能的表现，在两者之间设置了20 mm的C60坐浆层。此外，由于试验设备加载有限，试件设计的轴压比为0.2。具体的试件设计方案如图1所示。

图1 试件设计图Fig.1 Layout Plan of Internal Support （mm）

1.2 试验加载

1.2.1 加载装置

为模拟柱子在地震作用下承受竖向力和往复的水平力，柱顶设置了液压千斤顶和双向推拉千斤顶，基础则采用压梁、钢梁和千斤顶进行固定（见图2）。

图2 加载装置Fig.2 Loading Device

1.2.2 加载制度

本试验竖直方向为恒定的2 000 kN 压力。水平方向的加载制度如图3 所示，在钢筋屈服前采用力加载，钢筋屈服后采用位移加载。

图3 加载制度Fig.3 Loading System

2 有限元软件建模

2.1 单元选取及材料本构

在单元选取上，为避免出现严重的沙漏问题，混凝土单元均采用C3D8R；钢筋单元采用T3D2。混凝土本构采用CDP 模型，根据《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［9］附录C提供的单轴应力-应变公式进行计算；钢筋本构采用双折线模型。

2.2 部件装配

ABAQUS 有限元建模般可采用分离式或整体式的方法。在装配式混凝土结构中，分离式模型计算结果通常要比整体式模型更为精准。因此，本文采用分离式建模方法，试件有限元模型如图4所示。

图4 试件有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Specimen

2.3 施加预应力

PHC-AB500（100）管桩配置了11 根A10.7 的预应力钢棒，根据《预应力混凝土管桩技术标准：JGJ/T 406—2017》［10］，其混凝土有效预压应力为6.59 MPa，本文采用降温法对预制管桩进行施加预应力（见图5）。

图5 降温后桩身混凝土应力云图Fig.5 Stress Cloud Map of Pile Concrete after Cooling

2.4 模型可靠性验证

2.4.1 承载力

骨架曲线对比如图6 所示，试验的正向极限水平承载力为251.26 kN，反向为217.39 kN；有限元模型计算的正向极限水平承载力为256.53 kN，反向为246.31 kN。正向极限水平承载力两者相差2%，反向两者相差13%。因此，从承载力的角度来看，该有限元模型与试验情况较为贴合。

图6 骨架曲线对比Fig.6 Comparison of Skeleton Curves

2.4.2 破坏模式

由图7⒜的有限元模型等效塑性应变应力云图可知，PHC 管桩柱在低周往复作用下，破坏主要集中于根部两侧，其他位置受损程度较轻，这也与图7⒝的试验破坏模式基本一致。

图7 破坏模式对比Fig.7 Comparison of Failure Mode

综合承载力和破坏模式来看，建立的有限元模型可靠，可基于该模型开展数值模拟分析。

3 有限元参数分析

3.1 模型参数

通过改变PHC管桩柱的轴向加载力的大小，保持有限元模型的其他参数不变，得到6 组不同轴压比大小的试件模型（见表1）。

选择进行高压氧治疗时应注意：(1)要掌握高压氧治疗的适应征和禁忌征；(2)应用高压氧治疗应在术后次日，患者生命体征平稳的情况下进行，不可强行治疗；(3)使用高压氧治疗也无法保证较大的血肿上的皮片成活，因此彻底止血是手术成功的关键；(4)术区应妥善制动，足部植皮应担架抬入，防止创伤基底面再出血；(5)幼儿使用高压氧治疗前开始应单独开舱，最高压力升为0.16 MPa，待3～4次适应后，再采用成人压力进行治疗。

表1 试件参数Tab.1 Specimen Parameters

3.2 结果分析

经过有限元模型数值模拟，各轴压比的试件模型的破坏模式大致相同。因此，本文主要对比各试件模型的滞回曲线和骨架曲线，去分析其抗震性能的规律。

由图8 和图9 可知：当轴压比从0.018 增大到0.75时，六组试件的水平极限承载力分别为197.11 kN、227.30 kN、256.52 kN、269.59 kN、275.29 kN和276.01 kN；当轴压比提高至0.55 前，其下降段较为平缓，试件的延性较好，而轴压比为0.65 和0.75 的试件下降段斜率较大，其延性较差。

图8 不同轴压比下试件的滞回曲线与骨架曲线Fig.8 Hysteretic Curve and Skeleton Curve of Specimen under Different Axial Compression Ratio

图9 不同轴压比下试件的骨架曲线对比Fig.9 Comparison of Skeleton Curves of Specimens under Different Axial Compression Ratios

由此可知，随着轴压比的增大，PHC 管桩柱的水平极限承载力随之增大，尤其是在轴压比为0.55 前，其增幅较为明显；当轴压比超过0.55 时，其对承载力的提升十分有限，反而会引起PHC 管桩柱延性的降低，造成脆性的破坏，建议将本型号的PHC 管桩柱轴压比控制在0.55以内。