预应力混凝土管桩受力性能研究

摘 要：预应力混凝土管桩常应用于软弱土层，而管桩的受力性能会影响建筑工程的安全。因此，准确掌握预应力混凝土管桩的受力性能，对建筑工程非常重要。本文结合工程实例，通过数值建模分析预应力混凝土管桩的受力性能，探究不同条件对管桩受力性能的影响。结果表明，数值模拟结果能够客观反映管桩受力情况，桩身最大弯矩随着混凝土弹性模量增加而变大，当桩头受到约束时，最大弯矩随深度增加而变大，之后迅速变小。在施工设计过程中，考虑弯矩荷载可延长管桩使用寿命，桩长对管桩受力性能影响较小，模拟结果可为后续施工提供参考。

关键词：预应力混凝土管桩；受力分析；弯矩；数值模拟

中图分类号：TU 75" " 文献标志码：A

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，该桩型具有工艺简单、质量可靠、施工速度快等优点，在工程中得到广泛应用。施工中的土质情况越来越复杂，因此预应力混凝土管桩施工技术仍须完善，为保证管桩的效果，许多学者针对该问题进行了相关研究。

马传政等[1]为改善预应力高强混凝土管桩的受力特性，研究一种新型连接节点，该设计可有效减少桩端的挤压作用。伊丽爱[2]基于对钢筋混凝土在腐蚀环境中的受损情况，提出一种防护措施，以提高地基承载能力。郭利伟等[3]分析预应力高强混凝土管桩的技术特点，并结合工程中的实际问题总结解决方案。程飞[4]结合工程实际，分析预应力钢筒混凝土管道施工过程中的问题。孙怀军等[5]通过静荷载试验，分析不同阻力的发挥规律，为后续研究提供参考。

现有研究对预应力混凝土管桩受力性能研究不够全面，因此本研究基于工程实例，建立模型，通过改变影响因素，分析预应力混凝土管桩的受力情况。研究结果为施工工艺提供依据，提高预应力混凝土管桩的效果。

1 工程概况

某花园工程位于福建省福州市晋江区东山路和化工路间。该工程项目规划用地面积达到3.3万㎡，总建筑面积达到1.55万㎡，工程包括11栋高层住宅，其中1号至6号住宅的层高32层，7号至11号住宅的层高33层，并且该住宅为精装修房。

工程以预应力高强度混凝土管桩为基础，桩身混凝土强度为C80，持力层大于1m且为砂土状强风化花岗岩。对混凝土管桩来说，其钢筋采用HRB400E钢筋、HRB335E钢筋及HPB300钢筋，采用HRB400E钢筋和HRB335E钢筋作为混凝土结构的纵向受力钢筋。

该工程地下室面积大，施工场地地质条件较为复杂，淤泥土质较多且厚，在施工过程中会因为地基开挖导致土层发生扰动，从而使混凝土管桩发生断裂。并且该工程属于重点工程，施工阶段处于雨季，工期较紧，因此施工难度变大且工程项目存在高大模板，危险系数较高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

根据实际工程概况，本研究通过ANSYS软件模拟预应力混凝土管桩的受力情况，在建立模型的过程中，桩和桩周土体均为同性材料，对桩周土来说，土体的本构模型为应力—应变模型，混凝土管桩由钢筋和混凝土组成，因此桩身应力小于或者等于混凝土的屈服应力。在建立桩土间的接触面模型的过程中，会根据土体结构的特性，将两个假定作为前提条件。假定条件：接触面粗糙，土与结构间无滑动可能；接触面十分光滑，不可能产生剪应力。

确定模型边界条件的过程会影响模型的真实性。预应力混凝土管桩模型表面和底端被完全约束，模型顶面上的节点是自由的。由于该工程的危险系数较高，因此采用映射网格划分模型ANSYS网格，该网格划分方式可将规则图形映射入不规则的区域内，使网格相互排列，使模型具有较高分析精度。

2.2 模型参数与计算

某工程基础的管桩混凝土强度设计等级为C80，弹性模量为4×104MPa，桩顶无约束。模型土体范围水平方向取20倍桩半径，由于计算区域具有对称性，因此模型计算只需要计算一半区域，可以减少模型计算的工作量。模型土体的物理参数见表1。

为分析模型管桩受力情况的合理性，为避免应力集中现象，基于控制桩顶位移的方法将荷载施加在桩顶部位，模型施加的初位移与荷载关系见表2和图1。

由表2和图1可知，在桩顶施加的初位移与荷载曲线为线性关系，由此说明当荷载较小时，管桩与土体为弹性变形阶段，当荷载不断增加，土体在弹性变形时还会产生塑性变形，说明预应力混凝土管桩模型受力情况符合客观事实。

3 试验结果分析

为对预应力混凝土管桩的受力性能进行分析，基于数值模型研究桩身弹性模量、桩顶约束条件、弯矩荷载以及桩长等因素对管桩受力性能的影响。

3.1 预应力混凝土管桩桩身弹性模量情况分析

由于预应力混凝土管桩由混凝土和钢筋组成，因此管桩的混凝土弹性模量是衡量管桩强度的重要指标。通过改变混凝土材料的弹性模量分析桩身最大弯矩变化，可以反映预应力混凝土管桩的受力情况，如图2所示。

表2 初位移与荷载

桩顶位移/mm 荷载/kN

0.5 14.4

2.5 23.7

5 47.3

7.5 71.3

10 95.1

由图2可知，桩身最大弯矩随着管桩深度增加先变大后变小，但无论混凝土材料的弹性模量如何变化，桩身最大弯矩的峰值都在管桩深度为2～4m，且桩身最大弯矩都在200kN·m～300kN·m。桩身最大弯矩随着混凝土弹性模量变大而变大，并且弯矩峰值点在桩身位置有所下降。因此在实际施工过程中，使用弹性模量较大的混凝土材料可以使预应力混凝土管桩的桩身弯矩变大，以此减少施工过程中产生的位移。

3.2 预应力混凝土管桩桩顶约束条件情况分析

桩顶约束条件对预应力混凝土管桩的受力情况有直接影响，现基于数值模型分析桩头自由和桩头约束两种条件下桩身最大弯矩变化，具体情况如图3所示。

由图3可知，在桩头约束的情况下，管桩桩身最大弯矩随深度增加而变大，当深度在0～2m时，桩身最大弯矩达到峰值，之后桩身最大弯矩迅速变大，当深度接近4m时，桩身最大弯矩为0kN·m。而桩头在自由状态下，桩身最大弯矩与深度有明显的曲线关系，与桩头约束相比，桩头自由曲线更平缓且在深度2～4m处出现峰值。但在实际施工过程中，应尽量让桩头与承台固接牢固，使桩头约束，桩身最大弯矩变小，降低管桩受力影响。

3.3 预应力混凝土管桩弯矩荷载情况分析

在实际工况中，预应力混凝土管桩是在水平荷载、竖向荷载以及弯矩荷载共同作用下工作的，但在数值建模过程中经常不考虑弯矩荷载，因此本研究通过改变弯矩荷载分析桩身最大弯矩的变化，如图4所示。

由图4可知，随着管桩深度增加，桩身弯矩先增后减，当预应力混凝土管桩桩头施加不同弯矩荷载时，出现较大变化，桩头弯矩越大，桩身最大弯矩峰值越大，其中当桩头弯矩荷载400kN·m时，桩身最大弯矩达到最大值，接近600kN·m，而当桩头弯矩为0时，桩身最大弯矩约为200kN·m。因此在施工设计过程中，应该考虑弯矩荷载影响，并提出方案使桩身最大弯矩变小。

3.4 预应力混凝土管桩桩长情况分析

在实际工况中，桩长对桩身最大弯矩有重要影响，本模型设置3种不同的桩长，分别为15m、30m以及45m，对应的桩身最大弯矩与管桩深度曲线如图5所示。

由图5可知，桩长对桩身最大弯矩影响较小，通过改变桩长无法改变桩身最大弯矩与管桩深度变化曲线，桩长增加使管桩桩身出现第二反弯点。因此在实际施工过程中，不能盲目增加桩的长度，不但无法降低预应力混凝土管桩的受力影响，还会增加成本。

4 结论

通过数值模拟并结合实际工况，研究预应力混凝土管桩的受力性能，分析不同影响因素对桩身受力情况的影响，得出以下结论。1）桩身最大弯矩随着管桩深度增加先变大后变小，随着混凝土弹性模量的变大而变大，弯矩峰值点在桩身的位置会降低。2）当桩头受到约束时，桩身最大弯矩随深度增加而变大，当深度为0～2m时，桩身最大弯矩达到峰值，之后桩身最大弯矩迅速变小，在实际施工过程中，应尽量使桩头与承台固接牢固。3）桩头弯矩越大，桩身最大弯矩峰值越大，在施工设计过程中，考虑弯矩荷载影响，可延长预应力混凝土管桩的使用寿命。4）改变桩长无法改变桩身最大弯矩与管桩深度变化曲线，增加桩长只能使管桩桩身出现第二反弯。

参考文献

[1]马传政，谭雅文，杨志坚.预应力混凝土管桩与承台新型连接节点受力性能分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2023，39（5）：853-861.

[2]伊丽爱.高强度预应力混凝土管桩在腐蚀环境下的应用[J].化学工程与装备，2023（9）：201-204.

[3]郭利伟，宋树全，肖星星，等.复杂地质条件下预应力高强混凝土管桩施工技术[J].工程建设与设计，2023（16）：203-205.

[4]程飞.基于预应力钢筒混凝土管工程施工方法[J].内蒙古水利，2023（8）：38-40.

[5]孙怀军，刘承磊，贾宁.不同桩长预应力混凝土管桩承载特性对比试验[J].勘察科学技术，2023（4）：1-6.