摘 要：預應力混凝土管樁常應用于軟弱土層，而管樁的受力性能會影響建筑工程的安全。因此，準確掌握預應力混凝土管樁的受力性能，對建筑工程非常重要。本文結(jié)合工程實例，通過數(shù)值建模分析預應力混凝土管樁的受力性能，探究不同條件對管樁受力性能的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果能夠客觀反映管樁受力情況，樁身最大彎矩隨著混凝土彈性模量增加而變大，當樁頭受到約束時，最大彎矩隨深度增加而變大，之后迅速變小。在施工設計過程中，考慮彎矩荷載可延長管樁使用壽命，樁長對管樁受力性能影響較小，模擬結(jié)果可為后續(xù)施工提供參考。

關鍵詞：預應力混凝土管樁；受力分析；彎矩；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 75" " 文獻標志碼：A

預應力混凝土管樁是預應力技術與離心制管技術結(jié)合的產(chǎn)物，該樁型具有工藝簡單、質(zhì)量可靠、施工速度快等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應用。施工中的土質(zhì)情況越來越復雜，因此預應力混凝土管樁施工技術仍須完善，為保證管樁的效果，許多學者針對該問題進行了相關研究。

馬傳政等[1]為改善預應力高強混凝土管樁的受力特性，研究一種新型連接節(jié)點，該設計可有效減少樁端的擠壓作用。伊麗愛[2]基于對鋼筋混凝土在腐蝕環(huán)境中的受損情況，提出一種防護措施，以提高地基承載能力。郭利偉等[3]分析預應力高強混凝土管樁的技術特點，并結(jié)合工程中的實際問題總結(jié)解決方案。程飛[4]結(jié)合工程實際，分析預應力鋼筒混凝土管道施工過程中的問題。孫懷軍等[5]通過靜荷載試驗，分析不同阻力的發(fā)揮規(guī)律，為后續(xù)研究提供參考。

現(xiàn)有研究對預應力混凝土管樁受力性能研究不夠全面，因此本研究基于工程實例，建立模型，通過改變影響因素，分析預應力混凝土管樁的受力情況。研究結(jié)果為施工工藝提供依據(jù)，提高預應力混凝土管樁的效果。

1 工程概況

某花園工程位于福建省福州市晉江區(qū)東山路和化工路間。該工程項目規(guī)劃用地面積達到3.3萬㎡，總建筑面積達到1.55萬㎡，工程包括11棟高層住宅，其中1號至6號住宅的層高32層，7號至11號住宅的層高33層，并且該住宅為精裝修房。

工程以預應力高強度混凝土管樁為基礎，樁身混凝土強度為C80，持力層大于1m且為砂土狀強風化花崗巖。對混凝土管樁來說，其鋼筋采用HRB400E鋼筋、HRB335E鋼筋及HPB300鋼筋，采用HRB400E鋼筋和HRB335E鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的縱向受力鋼筋。

該工程地下室面積大，施工場地地質(zhì)條件較為復雜，淤泥土質(zhì)較多且厚，在施工過程中會因為地基開挖導致土層發(fā)生擾動，從而使混凝土管樁發(fā)生斷裂。并且該工程屬于重點工程，施工階段處于雨季，工期較緊，因此施工難度變大且工程項目存在高大模板，危險系數(shù)較高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

根據(jù)實際工程概況，本研究通過ANSYS軟件模擬預應力混凝土管樁的受力情況，在建立模型的過程中，樁和樁周土體均為同性材料，對樁周土來說，土體的本構(gòu)模型為應力—應變模型，混凝土管樁由鋼筋和混凝土組成，因此樁身應力小于或者等于混凝土的屈服應力。在建立樁土間的接觸面模型的過程中，會根據(jù)土體結(jié)構(gòu)的特性，將兩個假定作為前提條件。假定條件：接觸面粗糙，土與結(jié)構(gòu)間無滑動可能；接觸面十分光滑，不可能產(chǎn)生剪應力。

確定模型邊界條件的過程會影響模型的真實性。預應力混凝土管樁模型表面和底端被完全約束，模型頂面上的節(jié)點是自由的。由于該工程的危險系數(shù)較高，因此采用映射網(wǎng)格劃分模型ANSYS網(wǎng)格，該網(wǎng)格劃分方式可將規(guī)則圖形映射入不規(guī)則的區(qū)域內(nèi)，使網(wǎng)格相互排列，使模型具有較高分析精度。

2.2 模型參數(shù)與計算

某工程基礎的管樁混凝土強度設計等級為C80，彈性模量為4×104MPa，樁頂無約束。模型土體范圍水平方向取20倍樁半徑，由于計算區(qū)域具有對稱性，因此模型計算只需要計算一半?yún)^(qū)域，可以減少模型計算的工作量。模型土體的物理參數(shù)見表1。

為分析模型管樁受力情況的合理性，為避免應力集中現(xiàn)象，基于控制樁頂位移的方法將荷載施加在樁頂部位，模型施加的初位移與荷載關系見表2和圖1。

由表2和圖1可知，在樁頂施加的初位移與荷載曲線為線性關系，由此說明當荷載較小時，管樁與土體為彈性變形階段，當荷載不斷增加，土體在彈性變形時還會產(chǎn)生塑性變形，說明預應力混凝土管樁模型受力情況符合客觀事實。

3 試驗結(jié)果分析

為對預應力混凝土管樁的受力性能進行分析，基于數(shù)值模型研究樁身彈性模量、樁頂約束條件、彎矩荷載以及樁長等因素對管樁受力性能的影響。

3.1 預應力混凝土管樁樁身彈性模量情況分析

由于預應力混凝土管樁由混凝土和鋼筋組成，因此管樁的混凝土彈性模量是衡量管樁強度的重要指標。通過改變混凝土材料的彈性模量分析樁身最大彎矩變化，可以反映預應力混凝土管樁的受力情況，如圖2所示。

表2 初位移與荷載

樁頂位移/mm 荷載/kN

0.5 14.4

2.5 23.7

5 47.3

7.5 71.3

10 95.1

由圖2可知，樁身最大彎矩隨著管樁深度增加先變大后變小，但無論混凝土材料的彈性模量如何變化，樁身最大彎矩的峰值都在管樁深度為2～4m，且樁身最大彎矩都在200kN·m～300kN·m。樁身最大彎矩隨著混凝土彈性模量變大而變大，并且彎矩峰值點在樁身位置有所下降。因此在實際施工過程中，使用彈性模量較大的混凝土材料可以使預應力混凝土管樁的樁身彎矩變大，以此減少施工過程中產(chǎn)生的位移。

3.2 預應力混凝土管樁樁頂約束條件情況分析

樁頂約束條件對預應力混凝土管樁的受力情況有直接影響，現(xiàn)基于數(shù)值模型分析樁頭自由和樁頭約束兩種條件下樁身最大彎矩變化，具體情況如圖3所示。

由圖3可知，在樁頭約束的情況下，管樁樁身最大彎矩隨深度增加而變大，當深度在0～2m時，樁身最大彎矩達到峰值，之后樁身最大彎矩迅速變大，當深度接近4m時，樁身最大彎矩為0kN·m。而樁頭在自由狀態(tài)下，樁身最大彎矩與深度有明顯的曲線關系，與樁頭約束相比，樁頭自由曲線更平緩且在深度2～4m處出現(xiàn)峰值。但在實際施工過程中，應盡量讓樁頭與承臺固接牢固，使樁頭約束，樁身最大彎矩變小，降低管樁受力影響。

3.3 預應力混凝土管樁彎矩荷載情況分析

在實際工況中，預應力混凝土管樁是在水平荷載、豎向荷載以及彎矩荷載共同作用下工作的，但在數(shù)值建模過程中經(jīng)常不考慮彎矩荷載，因此本研究通過改變彎矩荷載分析樁身最大彎矩的變化，如圖4所示。

由圖4可知，隨著管樁深度增加，樁身彎矩先增后減，當預應力混凝土管樁樁頭施加不同彎矩荷載時，出現(xiàn)較大變化，樁頭彎矩越大，樁身最大彎矩峰值越大，其中當樁頭彎矩荷載400kN·m時，樁身最大彎矩達到最大值，接近600kN·m，而當樁頭彎矩為0時，樁身最大彎矩約為200kN·m。因此在施工設計過程中，應該考慮彎矩荷載影響，并提出方案使樁身最大彎矩變小。

3.4 預應力混凝土管樁樁長情況分析

在實際工況中，樁長對樁身最大彎矩有重要影響，本模型設置3種不同的樁長，分別為15m、30m以及45m，對應的樁身最大彎矩與管樁深度曲線如圖5所示。

由圖5可知，樁長對樁身最大彎矩影響較小，通過改變樁長無法改變樁身最大彎矩與管樁深度變化曲線，樁長增加使管樁樁身出現(xiàn)第二反彎點。因此在實際施工過程中，不能盲目增加樁的長度，不但無法降低預應力混凝土管樁的受力影響，還會增加成本。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬并結(jié)合實際工況，研究預應力混凝土管樁的受力性能，分析不同影響因素對樁身受力情況的影響，得出以下結(jié)論。1）樁身最大彎矩隨著管樁深度增加先變大后變小，隨著混凝土彈性模量的變大而變大，彎矩峰值點在樁身的位置會降低。2）當樁頭受到約束時，樁身最大彎矩隨深度增加而變大，當深度為0～2m時，樁身最大彎矩達到峰值，之后樁身最大彎矩迅速變小，在實際施工過程中，應盡量使樁頭與承臺固接牢固。3）樁頭彎矩越大，樁身最大彎矩峰值越大，在施工設計過程中，考慮彎矩荷載影響，可延長預應力混凝土管樁的使用壽命。4）改變樁長無法改變樁身最大彎矩與管樁深度變化曲線，增加樁長只能使管樁樁身出現(xiàn)第二反彎。

參考文獻

[1]馬傳政，譚雅文，楊志堅.預應力混凝土管樁與承臺新型連接節(jié)點受力性能分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2023，39（5）：853-861.

[2]伊麗愛.高強度預應力混凝土管樁在腐蝕環(huán)境下的應用[J].化學工程與裝備，2023（9）：201-204.

[3]郭利偉，宋樹全，肖星星，等.復雜地質(zhì)條件下預應力高強混凝土管樁施工技術[J].工程建設與設計，2023（16）：203-205.

[4]程飛.基于預應力鋼筒混凝土管工程施工方法[J].內(nèi)蒙古水利，2023（8）：38-40.

[5]孫懷軍，劉承磊，賈寧.不同樁長預應力混凝土管樁承載特性對比試驗[J].勘察科學技術，2023（4）：1-6.