预应力高强混凝土管桩抗震能力改善措施的试验研究*

赵长春 张留军 龚维明 孟春辉

(1.中电建路桥集团有限公司, 北京 100037; 2.东南大学土木工程学院, 南京 211189)

预应力混凝土管桩是预应力技术与离心制管技术结合的产物，经离心、常压蒸养、脱模和高压蒸养而成。预应力高强混凝土(PHC)管桩具有承载力高、桩身质量可靠、应用范围广等优点，在工程中越来越多地得到应用。

PHC管桩作为地下结构，与土的相互作用至关重要，且不同的土性对PHC管桩的承载能力影响很大。许多学者为了明确特定土性中PHC管桩的承载能力，进行了大量的试验和数值模拟[1-8]：为了明确PHC管桩在软土中的荷载传递规律，文献[1-2]介绍了以静载试验为基础进行的试验研究和数值分析；阮翔通过试验研究了PHC管桩在沈阳地区的荷载传递规律，并分析了端阻力和侧阻力的变化规律[3]；郭杨通过试验系统地研究了老黏土中PHC管桩的承载机理[4]；康景文分析了卵石地基中PHC管桩的竖向承载性状[5]；宗钟凌研究了PHC管桩在海淤地质条件下荷载传递机理[6]；郑建国等研究了PHC管桩在湿陷性黄土中的承载特性，并分析了黄土中PHC管桩的侧阻力沿桩身的分布规律[7-8]；王士恩等通过室内模型试验分析了注浆对PHC管桩承载性能的影响[9]；刘永超对软土地区扩孔灌浆预制管桩承载力进行了研究[10]。

上述研究主要集中在PHC管桩与各类土质的相互作用机理。为明确水平荷载作用下预应力混凝土管桩的承载特性，许多学者通过试验和数值分析对PHC桩的抗震性能进行了研究[11-14]：Yang等通过试验和有限元分析研究了PHC桩在单调荷载作用下的抗震性能，其中PHC桩由于预应力筋的张拉断裂而突然失效，承载力下降[11]；Banerjee等通过对PHC桩的室内试验，估算了承载力，通过桩-土相互作用非线性模型，分析估算桩的曲率变化情况，研究了PHC桩的抗震性能[12]；Wang通过试验和有限元分析，对PHC桩在延性和强度方面的性能进行了评价[13]；Au等提出了考虑本构材料的非线性和应力路径，分析钢筋和预应力混凝土截面的全范围弯曲响应[14]；为了改善PHC管桩的承载性能，许多学者提出了改善PHC管桩承载性能的方法[15-17]，并通过纯弯试验和低周往复荷载试验研究改善后PHC管桩的承载性能，基于抗弯试验发现[15-16]在预应力混凝土管桩中配置非预应力螺纹钢筋可以改善抗弯性能；戎贤等通过低周往复荷载试验发现，在预应力混凝土管桩中掺入钢纤维可以改善PHC管桩的抗震性能；然而在预应力混凝土管桩中加非预应力筋或者桩身缠绕碳纤维布对预应力混凝土管桩的抗震性能影响不大[17]。

上述研究主要研究了PHC管桩于各类土的相互作用机理及其PHC管桩桩身的抗弯、抗剪和抗震性能，并提出了改善PHC管桩抗弯性能和抗震性能的方法。在预应力混凝土管桩中配置非预应力螺纹钢筋可改善桩的抗弯性能，而并未提出如何改善PHC管桩桩身的抗震能力措施。本研究旨在通过在PHC管桩的混凝土中添加碳纤维以改善PHC管桩的抗震性能，并通过试验对比普通PHC管桩与添加碳纤维的PHC管桩的抗震性能。

1 试验方案

1.1 试件尺寸

对4根PHC桩开展了低周反复荷载作用下力学性能的研究。试验桩包括普通的PHC桩和在桩身混凝土中添加碳纤维的改善桩。表1给出了桩的详细情况。每一种类型的桩数为两根。PHC桩的长度、跨度、直径和厚度分别为5，4.4，400，95 mm。所有桩体均采用工厂离心、蒸汽和高压蒸汽养护。PHC桩的尺寸及详细配筋如图1所示。其中掺加的碳纤维为短纤维，体积掺量为8‰，碳纤维长度和直径分别为8.0，6.9 μm抗拉强度为3.2 GPa。

表1 试件尺寸Table 1 Sizes of specimens

图1 PHC桩的尺寸和配筋Fig.1 Dimensions and reinforcement of PHC piles

1.2 混凝土材料性能

试件制作的同时，同一批次混凝土另外浇筑3个100 mm×100 mm×100 mm混凝土试块测试混凝土的立方体抗压强度；同时制作了3个150 mm×150 mm×300 mm的混凝土试块测试混凝土轴心抗压强度。将这些标准试块与管桩构件进行同条件蒸汽养护，按照GB/T 228—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求对这些试块进行标准抗压强度试验，在结构实验室压力试验机上完成。

1.3 加载方案

1.3.1加载装置

加载装置示意如图2，管桩两端被固定在支座上、跨中固定在反力梁上便于施加竖向荷载。为了防止加载过程中桩身发生转动，通过弧形卡口将跨中及两端固定。加载装置包括弧形卡头、反力梁和电液伺服加载系统。为保证加载头面与加载钢板不发生角位移，通过反力架将电液伺服作动器固定。

表2 试件配筋Table 2 Reinforcement of specimens

图2 加载装置示意Fig.2 The test setup

1.3.2加载制度

根据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》的相关建议，采用先荷载控制、后挠度控制的方法进行加载。在正式试验之前，预加载两次，使结构进入正常工作状态。正式加载时，先用荷载控制加载，前6个等级每级增加10 kN。为了得到更加准确的位移加载所对应的开裂荷载，在60 kN之后，每级增加5 kN。根据P-Δ曲线确定试件开裂所对应的荷载，试件开裂后按位移控制，每级位移值增加量为5 mm，每级位移加载循环3次。当试件的承载能力下降到最大承载力的85%时，即认为强度不能满足要求，试验停止。

2 试验结果及讨论

2.1 试验现象

试件A和试件B的破坏过程(图3)可分为三个阶段，加载过程中试件A和试件B都在最大弯矩的中点(作动器作用点)先出现裂缝，并扩展到纵向钢筋的断裂处。加载过程中，试件A先出现裂缝，试件B后出现裂缝；加载至使纵向钢筋破坏后，通过对比试件A和试件B发现：在混凝土中加碳纤维的试件出现裂缝宽度比普通PHC管桩较小，且出现裂缝的数量也相对较少。

a—A桩裂缝分布； b—B桩裂缝分布。图3 纵向钢筋破坏后的开裂情况Fig.3 Cracking in piles after fracture of longitudinal rebars

2.2 荷载-位移滞回曲线

荷载-位移滞回曲线如图4所示,从中可以看出：荷载-位移曲线在开裂前近似呈线性，卸载后的残余变形非常小；在混凝土开裂后，试件A和试件B的骨架曲线斜率明显减小，曲线趋于平缓，构件刚度迅速下降；在相同等级位移下，在混凝土中添加碳纤维的PHC管桩对于普通PHC桩的荷载较小，表明在混凝土中添加碳纤维能使PHC管桩的承载能力相对稳定。

a—A试件； b—B试件。图4 荷载-位移滞回曲线Fig.4 Load-displacement hysteresis curves

2.3 骨架曲线

图5给出了试件A和试件B的骨架曲线，从图5中可以发现：B桩在破坏前，具有较长的下降段， 表现出了延性破坏的特征，表明在混凝土添加碳纤维可以提高PHC桩的延性。

图5 骨架曲线Fig.5 Skeleton curves

2.4 刚度退化

从图6所示的各试件刚度退化曲线可以发现：在混凝土中加碳纤维的PHC管桩的刚度退化曲线在普通PHC管桩的上方。表明在PHC管桩混凝土中添加碳纤维可以改善桩身的刚度，而在开裂前的改善效果最好。随着位移的增大，曲线趋于重合，当位移接近极限时，刚度值之间的差异很小。

图6 刚度退化曲线Fig.6 Curves of stiffness degradation

2.5 延性性能

依据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》，位移延性系数μ可通过式(1)计算得到：

μ=Δu/Δy

(1)

式中：Δy为构件的开裂位移；Δu为构件的破坏位移。

通过上述方法得到位移延性系数如表3所示。

表3 位移延性系数Table 3 Ductility coefficients of displacement

从表3可以发现：在混凝土中添加了碳纤维的PHC管桩的位移延性系数大于普通试件的位移延性系数，这表明在混凝土中增加碳纤维可以有效提高PHC管桩的延性性能。

2.6 耗能性能

试件耗能曲线如图7所示，对比图7中的A试件和B试件的耗能曲线发现，B试件的耗能取消比A试件的耗能曲线更加饱满，且B试件的耗能曲线所围成的面积大于A试件。表明将碳纤维添加到混凝土中可以提高PHC管桩的耗能性能。

图7 能量耗散曲线Fig.7 Curves of energy dissipation

3 结束语

为了研究在混凝土中添加碳纤维对PHC管桩抗震性能的影响，通过对比在混凝土中添加或不添加碳纤维的PHC管桩的试验结果，分析两种PHC管桩的抗震性能，得出以下结论:

1)通过试验现象发现，在纵向受力筋断裂后，在混凝土加碳纤维的试件出现裂缝宽度比普通PHC管桩较小，且出现裂缝的数量也相对较少。表明在混凝土中添加碳纤维可以改善混凝土的黏结力，提高混凝土的抗拉性能，延迟混凝土开裂。

2)通过分析两种类型桩的试验现象，研究抗震性能可发现，在PHC管桩的混凝土中添加碳纤维可以提高PHC管桩的延性、减弱PHC桩的刚度退化、提高PHC桩的刚度、强度和耗能性能。