不同剪跨比及轴向力下PHC管桩抗剪承载性能数值分析研究

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高强预应力混凝土管桩(简称PHC管桩)是最常用的桩基础之一,因其造价低、承载力好、施工方便等优点,经常被用于高层建筑、港口、码头、输电线塔等工程的基础。而管桩在土体之中时,不仅承受上部结构传来的竖向压力,有时还有弯矩及上拔力的作用。例如输电线塔有时会受到电线的水平拉力,导致线路塔基础处产生弯矩,使得基础不同位置桩所受压力不同,或者受到向上的拉力。实际管桩发生的破坏也都是由水平与竖向组合力造成的。而目前对与预应力混凝土管桩承载性能的研究,主要是关于承受轴压力时的抗剪、抗弯性能研究,且无论试验或是模拟,大多数的研究都是在较小的轴压下进行的,而对管桩用作抗拔桩使用的研究则相对更少,因此有必要对管桩在较大的轴向拉、压力下的抗剪承载性能进行研究。本文通过用ABAQUS有限元模拟软件,建立了管桩在承受不同轴向力及不同剪跨比时的抗剪模型。分别分析了不同轴压力、不同轴拉力及不同的剪跨比对管桩桩身抗剪承载性能的影响,得到结论有以下几点:1、较小的轴向压力,能够有效的提高桩身的抗剪承载性能,当轴向压力增大到一定程度,桩身的开裂剪力与极限剪力均开始减小,桩身的破坏形式也逐渐发生了变化。桩身开裂之前,桩身处于弹性阶段,不同轴力对管桩性能基本没有影响。混凝土开裂之后,钢筋应力明显增加,轴压对于管桩破坏时的极限位移影响不大。2、轴向拉力的存在对桩身的抗剪承载性能不利。随着轴拉力的增大,桩身开裂剪力与极限剪力均不断减小,管桩的破坏形式也由受剪破坏逐渐变为大偏心的受拉破坏。桩身开裂之前,不同轴拉力对管桩的性能影响较小。轴向拉力与轴向压力相比,对管桩发生极限破坏时桩身位移的影响更大。3、随着剪跨比的不断增大,桩身的抗剪承载力开裂值与极限值均出现明显的下降,破坏形式由受剪破坏逐渐转变为受弯破坏。剪跨比的变化与开裂剪力值的变化近似呈线性关系。剪跨比越大,破坏时的跨中位移就越大。4、分析了桩身受剪时单元体的应力状态及斜截面的受剪机理,不论轴向力还是剪跨比,均通过影响单元体正应力来影响桩身极限承载性能。5、分析了不同轴力、剪跨比桩身承载性能的影响,得出不同轴向力下桩身极限承载力与剪跨比的关系式。不同轴力下,剪跨比对管桩的承载性能影响基本一致。6、绘制了管桩抗剪承载性能的曲线。当轴压力为0.4倍的桩身抗压承载力设计值时,管桩的抗剪承载力达到了最大值。推出了管桩桩身抗剪承载力随剪跨比、轴力变化的关系式,为进一步的研究提供参考。
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