预应力混凝土抗拔桩受力性能分析

刘晗晗，刘擎波

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

预应力混凝土抗拔桩受力性能分析

刘晗晗1，刘擎波2

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

抗拔桩的承载力除受桩身强度、桩侧阻力影响外，桩身裂缝通常起控制作用。通过改变抗拔桩内受拉钢筋的数量、直径，改变桩身混凝土强度等级等方式改善抗拔桩的抗裂性能，在一定程度上造成了材料的浪费，工程造价的提高，且改善效果往往不是十分明显。本文通过在有限元软件ABAQUS中建立预应力混凝土桩土接触模型，分析了在抗拔桩内增加预应力钢绞线后桩身混凝土及钢筋的应力变化情况，以及在上拔力作用下，预应力钢绞线对桩身混凝土及钢筋的应力影响。分析结果表明，预应力能够在桩长范围内有效建立，增加预应力钢绞线能够有效提高混凝土抗拔桩的抗裂性能。

抗拔桩；预应力；钢绞线；抗裂性能

引 言

对于某些码头结构、大型船坞底板以及地下水位较高的高耸建筑物桩，由于建筑物所受水浮力较大，在其桩基础中往往需要设置抗拔桩（又称抗浮桩）以抵抗结构所受水浮力[1～3]。在抗拔桩的设计中，其所能承受的最大拉力除受桩身强度、桩侧阻力影响外，桩身裂缝往往对其承受的最大拉力起控制作用。根据JTJ 248-2001《港口工程灌注桩设计与施工规程》[4]的规定，减小桩身裂缝的措施主要包括改变抗拔桩内受拉钢筋的数量、直径，改变桩身混凝土强度等级等方式。这些方式对于改善抗拔桩的抗裂性能易于操作，常常被设计人员所采用，但也因此在一定程度上造成了材料的浪费，工程造价的提高，且改善效果往往不是十分明显。

对于某些适合采用灌注桩的码头结构，由于波浪等荷载的作用导致桩基的受弯作用力很大，常采用预应力桩或钢管桩改善桩基的抗弯抗裂性能[5]。但却很少采用预应力混凝土桩作为抗拔桩。为分析在灌注桩内增加预应力钢绞线对桩身抗裂性能的影响，本文通过有限元软件ABAQUS建立了混凝土灌注桩的模型，并对比分析了增加预应力筋后桩身及钢筋、钢绞线的应力变化情况，为工程中采用预应力混凝土灌注桩提供参考意义。

1 有限元模型

为分析在钻孔灌注桩中施加预应力钢绞线对桩受力性能的影响，采用有限元软件ABAQUS建立了预应力桩及土的有限元模型。

1.1 桩、基础参数

1）材料

桩及承台的混凝土强度等级为C30，抗压强度fc=14.3 N/mm2，抗拉强度设计值ft=1.43 N/mm2，弹性模量Ec=3.0×104N/mm2。桩中普通钢筋采用HRB400级钢筋，抗拉强度设计值为fy= 360 N/mm2，弹性模量Es=2.0×105N/mm2；桩中预应力筋采用1860钢绞线，抗拉强度设计值为fpy= 1 320 N/mm2，弹性模量Eps=1.95×105N/mm2。

2）几何尺寸

桩径为 0.8 m，桩长为 25 m，承台尺寸为2.0 m×2.0 m，厚度为0.8 m。桩内均匀设置6根直径为14 mm钢筋和2根面积为140 mm2的钢绞线。

1.2 土体参数

土体深度均为37.5 m。分析时将预应力钢绞线的张拉端设在桩顶，桩周土范围的直径取8 m；有限元模型如图1所示。

图1 桩土有限元模型

2 本构模型

2.1 混凝土本构模型

分析过程中混凝土受拉及受压本构模型分别如图2和图3所示，均不考虑截面内横向箍筋的约束增强效应，仅采用规范中建议的素混凝土参数，未考虑混凝土裂缝对其刚度的影响。分析时当混凝土由受拉变为受压时，混凝土材料的裂缝闭合，此时混凝土抗压刚度将恢复为原有的抗压刚度；当混凝土由受压变为受拉时，混凝土裂缝将再次张开，此时混凝土抗拉刚度仍采用进入受压状态前混凝土抗拉刚度。

图2 混凝土受拉应力-应变曲线

图3 混凝土受压应力-应变曲线

2.2 土本构模型

分析过程中土体采用 Mohr-Coulomb强度准则：

式中：τ为剪切强度；σ为正应力；c为材料粘聚力；φ为内摩擦角，取20°。

2.3 钢筋及钢绞线本构模型

分析过程中钢筋及钢绞线均采用等向强化本构模型。由于分析过程中上拔力较小，因此非预应力钢筋处于完全弹性状态，未达到屈服应力。施加预应力后，去除预应力损失后实际施加预应力，钢绞线的张拉应力为77 %，故此时钢绞线也处于完全弹性状态。

3 桩、土接触模拟

桩土间接触的切向行为采用库仑摩擦模型模拟，该模型用摩擦系数μ来表征在两个表面之间的摩擦行为。在达到临界剪应力之前，切向运动一直保持为零。临界剪应力可表示为[6]：

式中：p为两接触面之间的接触压力；μ为摩擦系数，本模型取0.4。

桩土间接触的法向行为采用硬接触，即当接触面之间的接触压力变为零或者负值时，两个接触面分离，同时接触面间的约束被移开；但对接触面之间能够传递的接触压力量值未做任何限制。

4 计算过程

计算过程共采用5个荷载步：

1）应用ABAQUS生死单元技术，杀死桩、钢筋、钢绞线及承台，对土体施加约束，并进行地应力平衡；

2）激活桩、钢筋、钢绞线及承台，对桩及承台施加竖向约束，并施加重力；

3）去除桩及承台，在承台底部、桩周及桩底施加接触，定义桩土接触；

4）钢绞线施加预应力，单根钢绞线预应力大小为200 kN（去除预应力损失后实际施加预应力，张拉应力为77 %）；

5）在桩顶施加上拔力，大小为500 kN。

5 结果分析

5.1 桩身预应力的建立过程分析

对于普通的预应力构件，无论先张法还是后张法，通过构造及施工措施，基本可以保证构件两端及沿构件纵轴方向上没有明显的约束，即在施加预应力时构件可以相对自由的压缩变形，以便在构件上有效建立预压应力。但对于后张有粘结预应力钻孔灌注抗拔桩而言，由于桩身周围土体对抗拔桩的侧阻约束，可能导致桩身预压应力无法有效的建立起来。为分析预应力钻孔灌注抗拔桩桩身预应力建立的效果，分析了施加预应力后桩内钢筋和桩身的应力。

图4 钢筋应力

图5 桩身应力

由图4～图5可知，张拉端设在桩顶时，施加重力后桩内钢筋最大压应力为-0.96 MPa，桩身混凝土最大压应力为-0.24 MPa。施加预应力后，桩内钢筋最大压应力为-5.88 MPa，最小压应力为-5.05 MPa，桩身混凝土最大压应力为-0.98 MPa，最小压应力为-0.79 MPa。施加预应力前后，桩身及桩内钢筋最大应力均位于桩身中下部。

由以上分析可知，在施加预应力后，与未施加预应力相比，桩内钢筋和桩身混凝土最大应力均有显著增加，因此可知预应力能够在桩全长范围内有效建立。

5.2 混凝土抗拉对抗拔桩受力性能的影响

混凝土的抗拉性能较差，其抗拉承载力与抗压承载力相比较低。以C30混凝土为例，其抗拉强度设计值tf=1.43 N/mm2，抗压强度设计值cf= 14.3 N/mm2，二者相差10倍。而当混凝土内配置受拉钢筋时，钢筋抗拉强度设计值为360 N/mm2，远远大于混凝土抗拉强度，因此在设计时往往假定混凝土不承担拉力，拉力全部由钢筋承担。为分析是否考虑混凝土抗拉对抗拔桩受力性能的影响，计算中分别将其抗拉强度取为0.002 N/mm2和1.43 N/mm2，对结构施加预应力进行分析。

图6 钢筋应力（不考虑混凝土抗拉）

图7 桩身应力（不考虑混凝土抗拉）

图8 钢筋应力（考虑混凝土抗拉）

图9 桩身应力（考虑混凝土抗拉）

由图6～图9可知，当不考虑混凝土抗拉时，施加预应力后，钢筋最大压应力为5.88 MPa，混凝土受压应力为-0.98 MPa；施加500 kN上拔力后，钢筋由受压变为受拉，其最大拉应力为97.45 MPa。当考虑混凝土抗拉时，由于混凝土截面面积与钢筋截面面积相比较大，因此混凝土分担大部分上拔力，此时钢筋的拉应力降低为1.19 MPa，混凝土受拉应力则为0.18 MPa。因此可知，考虑混凝土抗拉后钢筋所受拉应力大幅降低，与未考虑是相比，降低幅度达98.8 %。而事实上，虽然混凝土受拉性能较差，抗拉承载力较低，但由于其与配置的钢筋相比，截面面积较大，因此不考虑混凝土抗拉所得结果将大大低估桩身抗拉承载力，造成较大的浪费。由于现行规范在设计抗拔桩时未考虑桩身混凝土的抗拉强度，因而桩身混凝土的抗拉强度可以作为有效的安全储备。

5.3 预应力对抗拔桩受力性能的影响

为分析在抗拔桩中施加预应力对抗拔桩受力性能的影响，分别对比分析了施加预应力钢绞线和未施加预应力钢绞线对桩内钢筋及混凝土应力变化情况。

图10 有预应力时钢筋应力

图11 有施加预应力时桩身应力

图12 无预应力时钢筋应力

图13 无预应力时桩身应力

由图10～图13可知，未施加预应力钢绞线时，抗拔桩在 500 kN拉力作用下，钢筋最大应力为6.43 MPa，桩身最大应力为0.99 MPa；施加预应力钢绞线后钢筋最大应力为1.19 MPa，混凝土受拉应力则为0.18 MPa，与未施加预应力钢绞线相比分别降低了81.5 %和81.8 %。由此可知，在抗拔桩内施加预应力可大幅降低其内部非预应力钢筋及桩身混凝土的应力水平，有效提高桩身抗裂性能。

6 结 语

1）在钻孔灌注抗拔桩内施加预应力钢筋，可大幅降低钻孔桩内部非预应力钢筋及桩身混凝土的应力水平，从而有效提高桩身抗裂性能。

2）对于后张有粘结预应力钻孔灌注抗拔桩来说，虽然在桩身及桩端存在一定约束，但是在预应力钢筋张拉后桩身依然能够建立起有效的预压应力。由于张拉端设置位置的不同，将导致桩身有效预压应力的分布位置有所不同。

3）在桩身施加上拔力后，是否考虑混凝土自身的抗拉强度对最终桩身混凝土和钢筋的应力状况影响较大。在桩身设计时，混凝土抗拉强度可以作为有效地安全储备。

[1]杨绍虎.抗拔桩承载力计算方法研究[J].安徽建筑,2014,1(195):90-92.

[2]李海霞.嵌岩抗拔桩承载力特性研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[3]江凌.结合工程案例探讨钻孔灌注桩在船坞地基工程中的应用[J].交通建设,2012:250-251.

[4]JTJ 248-2001港口工程灌注桩设计与施工规程[S].北京:中华人民共和国交通部,2002.

[5]JTJ254-98 港口工程桩基规范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[6]庄茁,张帆,岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,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

刘晗晗(1984-)，女，助理工程师，主要从事港工结构设计及研究工作。