范枝波，強(qiáng)燁佳，李 誠(chéng)

（1、廣東建科創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司 廣州 510500；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)制混凝土柱是常用的一種豎向預(yù)制構(gòu)件，按照構(gòu)件組成在時(shí)間上是否存在同步性，預(yù)制混凝土柱可分為全預(yù)制柱和疊合柱［1-2］。疊合柱通常是由預(yù)制空心外殼和現(xiàn)澆內(nèi)芯混凝土組成，預(yù)制空心外殼需具備高強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)化、承載力高等特點(diǎn)，而預(yù)制混凝土管樁恰好具備上述的特點(diǎn)，但其以往通常應(yīng)用于地基基礎(chǔ)部分，尚未或較少運(yùn)用于上部結(jié)構(gòu)，尤其是在抗震設(shè)防區(qū)。本課題提出了將PHC管樁柱用作預(yù)制空心外殼，運(yùn)輸至施工項(xiàng)目后，在其管芯內(nèi)插入縱筋并澆筑混凝土，以此形成一種新型的疊合柱，本文將該疊合柱稱為PHC管樁柱。課題組對(duì)PHC 管樁柱申請(qǐng)了系列中國(guó)專利［3-6］，并陸續(xù)開展了抗震性能試驗(yàn)［7-8］?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需支出大量的經(jīng)費(fèi)，若結(jié)合數(shù)值模擬，將節(jié)約較多的人力、物力和時(shí)間。本文基于ABAQUS 有限元軟件，建立PHC 管樁柱-基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)模型，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在驗(yàn)證模型可靠性后，分析了軸壓比對(duì)PHC管樁柱抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

PHC管樁采用的型號(hào)為AB500（100），樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，而內(nèi)芯、基礎(chǔ)則采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的商品混凝土，鋼筋均采用HRB400。為避免管樁自身混凝土、基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度差距過(guò)大，造成基礎(chǔ)受損較大，進(jìn)而影響PHC管樁抗震性能的表現(xiàn)，在兩者之間設(shè)置了20 mm的C60坐漿層。此外，由于試驗(yàn)設(shè)備加載有限，試件設(shè)計(jì)的軸壓比為0.2。具體的試件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)圖Fig.1 Layout Plan of Internal Support （mm）

1.2 試驗(yàn)加載

1.2.1 加載裝置

為模擬柱子在地震作用下承受豎向力和往復(fù)的水平力，柱頂設(shè)置了液壓千斤頂和雙向推拉千斤頂，基礎(chǔ)則采用壓梁、鋼梁和千斤頂進(jìn)行固定（見(jiàn)圖2）。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading Device

1.2.2 加載制度

本試驗(yàn)豎直方向?yàn)楹愣ǖ? 000 kN 壓力。水平方向的加載制度如圖3 所示，在鋼筋屈服前采用力加載，鋼筋屈服后采用位移加載。

圖3 加載制度Fig.3 Loading System

2 有限元軟件建模

2.1 單元選取及材料本構(gòu)

在單元選取上，為避免出現(xiàn)嚴(yán)重的沙漏問(wèn)題，混凝土單元均采用C3D8R；鋼筋單元采用T3D2?；炷帘緲?gòu)采用CDP 模型，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010》［9］附錄C提供的單軸應(yīng)力-應(yīng)變公式進(jìn)行計(jì)算；鋼筋本構(gòu)采用雙折線模型。

2.2 部件裝配

ABAQUS 有限元建模般可采用分離式或整體式的方法。在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，分離式模型計(jì)算結(jié)果通常要比整體式模型更為精準(zhǔn)。因此，本文采用分離式建模方法，試件有限元模型如圖4所示。

圖4 試件有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Specimen

2.3 施加預(yù)應(yīng)力

PHC-AB500（100）管樁配置了11 根A10.7 的預(yù)應(yīng)力鋼棒，根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 406—2017》［10］，其混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力為6.59 MPa，本文采用降溫法對(duì)預(yù)制管樁進(jìn)行施加預(yù)應(yīng)力（見(jiàn)圖5）。

圖5 降溫后樁身混凝土應(yīng)力云圖Fig.5 Stress Cloud Map of Pile Concrete after Cooling

2.4 模型可靠性驗(yàn)證

2.4.1 承載力

骨架曲線對(duì)比如圖6 所示，試驗(yàn)的正向極限水平承載力為251.26 kN，反向?yàn)?17.39 kN；有限元模型計(jì)算的正向極限水平承載力為256.53 kN，反向?yàn)?46.31 kN。正向極限水平承載力兩者相差2%，反向兩者相差13%。因此，從承載力的角度來(lái)看，該有限元模型與試驗(yàn)情況較為貼合。

圖6 骨架曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of Skeleton Curves

2.4.2 破壞模式

由圖7?的有限元模型等效塑性應(yīng)變應(yīng)力云圖可知，PHC 管樁柱在低周往復(fù)作用下，破壞主要集中于根部?jī)蓚?cè)，其他位置受損程度較輕，這也與圖7?的試驗(yàn)破壞模式基本一致。

圖7 破壞模式對(duì)比Fig.7 Comparison of Failure Mode

綜合承載力和破壞模式來(lái)看，建立的有限元模型可靠，可基于該模型開展數(shù)值模擬分析。

3 有限元參數(shù)分析

3.1 模型參數(shù)

通過(guò)改變PHC管樁柱的軸向加載力的大小，保持有限元模型的其他參數(shù)不變，得到6 組不同軸壓比大小的試件模型（見(jiàn)表1）。

選擇進(jìn)行高壓氧治療時(shí)應(yīng)注意：(1)要掌握高壓氧治療的適應(yīng)征和禁忌征；(2)應(yīng)用高壓氧治療應(yīng)在術(shù)后次日，患者生命體征平穩(wěn)的情況下進(jìn)行，不可強(qiáng)行治療；(3)使用高壓氧治療也無(wú)法保證較大的血腫上的皮片成活，因此徹底止血是手術(shù)成功的關(guān)鍵；(4)術(shù)區(qū)應(yīng)妥善制動(dòng)，足部植皮應(yīng)擔(dān)架抬入，防止創(chuàng)傷基底面再出血；(5)幼兒使用高壓氧治療前開始應(yīng)單獨(dú)開艙，最高壓力升為0.16 MPa，待3～4次適應(yīng)后，再采用成人壓力進(jìn)行治療。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen Parameters

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)有限元模型數(shù)值模擬，各軸壓比的試件模型的破壞模式大致相同。因此，本文主要對(duì)比各試件模型的滯回曲線和骨架曲線，去分析其抗震性能的規(guī)律。

由圖8 和圖9 可知：當(dāng)軸壓比從0.018 增大到0.75時(shí)，六組試件的水平極限承載力分別為197.11 kN、227.30 kN、256.52 kN、269.59 kN、275.29 kN和276.01 kN；當(dāng)軸壓比提高至0.55 前，其下降段較為平緩，試件的延性較好，而軸壓比為0.65 和0.75 的試件下降段斜率較大，其延性較差。

圖8 不同軸壓比下試件的滯回曲線與骨架曲線Fig.8 Hysteretic Curve and Skeleton Curve of Specimen under Different Axial Compression Ratio

圖9 不同軸壓比下試件的骨架曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of Skeleton Curves of Specimens under Different Axial Compression Ratios

由此可知，隨著軸壓比的增大，PHC 管樁柱的水平極限承載力隨之增大，尤其是在軸壓比為0.55 前，其增幅較為明顯；當(dāng)軸壓比超過(guò)0.55 時(shí)，其對(duì)承載力的提升十分有限，反而會(huì)引起PHC 管樁柱延性的降低，造成脆性的破壞，建議將本型號(hào)的PHC 管樁柱軸壓比控制在0.55以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)不同軸壓比下的PHC 管樁柱的抗震性能的有限元數(shù)值分析，研究了PHC管樁柱的抗震承載力、延性等的變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論：

⑵軸壓比的增大會(huì)引起PHC 管樁柱延性的降低，造成脆性的破壞，建議將PHC-AB500（100）管樁柱的設(shè)計(jì)軸壓比控制在0.55以內(nèi)。