管桩与承台嵌固条件下的节点抗震性能试验

摘要：日本是一个多地震的国家，对于民用建筑是分为两部分来构筑组成的，中间是通过垫层滑块壁开的，上部结构和底桩承台属于下部结构。地震波来临时，由于上层建筑屋的摇晃不至于带动承台以下的桩基础受到破坏。我国的民用建筑中是上部结构和下部结构通过承台连接在一起的。上层建筑物的摇晃一次同时也带动承台以下的管桩撬动一次，最深的管桩得到了土体的保护，当摇晃一次无力恢愎原状时,离承台最近的管桩受到的剪切力最大，容易受到弯剪破坏.所以大部分管桩的破坏都是在承台与管桩的交接处。为此我们通过试验研究了管桩与承台节点抗震性能。
关键词：管桩桩头优化；锚固连接方式；弯剪和延性；侧向压力荷载；耗能和弯矩变形
0 前言
　　横向箍筋的配筋率（直径、间距）以及竖向轴力的变化对管桩抗震性能的影响，管桩填芯、配置非预应力筋（间隔、并筋配置）、采用高伸长率的预应力筋以及在塑性铰区域粘贴玻璃纤维等。对管桩与承台连接的桩基试验和管桩桩身上部包括承台结合处的填芯的压、弯、剪等复合作用下的破坏试验。
　　桩与承台连接一般可分为刚性连接和半刚性连接，即能传递全部弯矩的节点和能传递部分弯矩的节点。国外已经开展了相关的抗震性能试验研究，但是国内目前还未见相关的报道。在管桩应用的初期，桩与承台的连接主要是刚性连接。但是，1978年宫城地震和1995年阪神地震关于震害调查发现采用刚性连接的节点在桩与承台连接部位发生大量的破坏，于是日本学者开始研究半刚性连接的节点，且在实际工程中已有大量的应用。
　　文献[1]报道了两个桩与承台连接节点的抗震性能试验。试验结果表明，节点的传力性能较好，并且有较好的延性。试验得到的最大剪切强度和延性表明伸入承台的钢筋锚固长度是足够长。
　　文献[2]进行了9个桩与承台连接节点的抗震性能试验，主要考察了箍筋的数量、纵向预应力筋的屈服强度以及轴力的变化对节点抗剪和变形能力的影响。文献[3]进行了16个桩与承台连接节点的试验。试验结果表明，桩埋入深度越长，延性越差；桩内布置的预应力筋越多，节点的抗弯强度和延性系数越大。
　　文献[4]提出了一桩与承台的简易连接方法，即桩头伸入承台100 mm，桩内1倍D范围内填充混凝土且不配置锚固钢筋。试验结果表明：（1）简易连接节点的的转动约束和桩头所受的轴力有关；（2）简易连接在恒定轴力作用下，转动约束是通常连接做法的70%左右。（3）当桩头仅承受部分荷载时，简易连接有足够的抗剪承载力。文献[5]对文献[4]等提出的桩与承台简易连接进行了改进，提出了新的连接形式。该节点在承台中留出了锥形空隙，加强了桩在承台中的转动能力。文献[5]进一步对文献[4]提出的半刚性节点进行了研究，并称之为“F.T.Pile法”施工制作的半刚性节点，该节点施工方便，且有良好的转动能力，减小桩头所受弯矩，从而提高节点的抗震性能，已经在实际工程中大量的应用。文献[6]提出了一种使用光圆钢筋做锚固钢筋新型的桩与承台连接方式，试验结果表明，该节点有较好的转动性能，可以减小桩身的破坏。文献[7-8]提出一种无粘结锚固的桩与承台连接的半刚性节点。锚固钢筋用无粘结的光圆钢筋，钢筋端部焊有锚固板。研究结果表明，当转角小于0.05rad时，节点能保证其抗弯承载力。
　　目前国内对桩基础研究主要集中在桩与土的相互作用或者上部结构与下部结构的相互作用，但是对上部结构与下部结构的结合部，桩与承台的连接研究的还不够重视，但是桩与承台的连接决定着在水平荷载作用时，上部结构和下部结构如何能有效的协同工作，因此，有必要对其进行深入的研究，尤其是对延性较差的预应力混凝土管桩而言，加强对桩与承台连接的研究。
　　1 试验目的
　　为了研究新型PHC管桩与承台连接节点桩端的抗震性能，进行了四个节点试验。试件的设计参照天津市工程建设标准设计《先张法预应力离心混凝土管桩》（津10G306）对桩与承台连接的规定，只考虑了不截桩与承台连接的方式。
　　2 节点设计
　　试验共设计了四个节点，节点的连接方式见表1，连接详图见图1。桩身直径为500mm，承台尺寸为1800×1100×850mm。试件均是按照天津市规程设计，在桩端焊接6B18的锚固钢筋，锚固钢筋弯起75度，是实际工程中常用的一种较简单且方便的连接方式。 　　3 试验加载装置及试验装置
　　试件在天津宝丰管桩制作完成,承台所用管桩由5ｍ长的PHC管桩截断而成,管桩的混凝土强度为C80,由于承台的尺寸较大,不方便按照实际工程中的方法制作试件,因此采用倒置的方法浇注承台混凝土,具体制作过程见图2,承台混凝土设计强度为C40,桩填芯混凝土与承台采用同等级混凝土.为保证填芯混凝土与管桩桩身混凝土整体性,浇灌填芯混凝土前,先将管桩内壁清理干净,混凝土中添加微膨胀剂.
　　试验装置如图3所示，在试件安装过程中，应该注意以下两点：（1）竖向力千斤顶中心应与桩中心重合，保证施加的竖向载不产生偏心，（2）水平斤顶中心应与加载板中心一致，并且千斤顶要保持水平，为了满足试件底部的固定边界条件，将承台通过直径为60㎜的地锚螺栓固定在地面上。水平力由固定在反力墙上的1000ＫＮ的双向推拉千斤顶施加，千斤顶的行程为±250㎜.试验装置现场照片见图3,为保证桩顶截面均匀受压,在顶部放置了一块500×500×50㎜的厚钢板.另外,由于试件的圆形构件,为了试验加载,加工制作了特殊的夹具,如图3所示.
　　加载制度
　　根据本试验的研究目的,轴向压力为定值,保持不变,水平荷载的施加采用往复循环加载制度,在试验过程中,先施加轴向荷载,取轴向力压力值的50%预加载,卸载一次,除试件内部组织不均匀性,然后加载至满载并一直保持到试验结束,在试验中应注意观察压力值的变化,将其变化范围控制在5%之内.
　　在正式试验前,水平荷载先预加一次正向和方向荷载,以检查加载设备和测量仪表工作是否正常,试验中,应保持反复加载的连续性和均匀性,加载及卸载的速率应保持一致,以保证数据取值的稳定,接近屈服时,应减小荷载级差,以准确确定屈服位置.根据<建筑抗震试验方法规程>(JGJ101-96)采用荷载-位移混合控制的加载方案.
　　4 试验现象
　　试验过程中，在荷载控制阶段，首先是桩与套箍交接处出现裂缝，之后桩与承台交接处出现裂缝。在2Δy~3Δy之间，距离承台顶面1D范围内桩身出现环向裂缝，裂缝的数量较少，宽度在0.2mm以内。桩嵌入承台的深度为100mm，在加载过程中，桩身转动较大，承台由于受到桩身转动时的挤压力，在承台顶沿桩周出现放射状的裂缝。最后，由于桩周围的承台混凝土被压碎，承台发生破坏，节点区域桩身与锚固钢筋失去约束，节点成铰接可以无限的转动，试件发生破坏。CT-7~CT-10试件均发生受弯破坏，CT-9的破坏形态如图4所示。
　　5、试验结果对比
　　5.1 荷载-位移滞回曲线
　　图5所示的是试件CT-8~CT-10试件的荷载-位移滞回关系曲线。CT-8~CT-10的破坏都是由于承台出现破坏，核心区混凝土压碎，锚固钢筋出现滑移，导致节点成为了铰接点，无法再传递水平荷载，而桩身破坏并不严重，其滞回性能主要是由承台及锚固钢筋决定，滞回曲线捏缩比较严重。试件CT-7是标准试件，位移到了3Δy之后，荷载随着位移的增加而减小。试件CT-8在靠近承台500mm范围内沿环向缠了3层CFRP，从滞回曲线可以看出随着位移的增加荷载也再不断的增加；到了一定的程度之后，随着位移的增加正向荷载不再增加，而反向荷载仍在不断的增加。CT-9试件桩身中掺入了1%的钢丝端钩型钢纤维，由于是节点区域的承台发生破坏，掺入钢纤维对节点的抗震性能改善并不明显。CT-10试件桩身配置了普通钢筋，在试验的最后阶段锚固钢筋被拉断试件的承载力急剧下降。
　　四个试件的开裂弯矩和极限弯矩见表2。开裂弯矩指的是桩与套箍之间出现裂缝的弯矩。 　　试件位移延性系数见表3。CT-7~CT-8试件的位移延性系数在2左右，最大延性系数为2.46，CT-9和CT-10的位移延性系数较大，最大为2.46，可见CT-9和CT-10节点的延性要比其他节点好。 　　6、小结
　　对四个PHC管桩与承台连接节点进行了低周往复荷载试验，节点设计按照天津市图集《先张法预应力离心管混凝土管桩》10G306中的节点设计以，桩身进行了改进，可以得出以下结论：
　　（1）试件的破坏主要是由于节点区域的承台破坏严重，混凝土被压碎，导致锚固钢筋失去约束，节点形成铰，导致节点失效；
　　（2）桩身改进之后（CT-10配置非预应力筋、CT-9掺入钢纤维和CT-8缠CFRP），使得试件的破坏主要集中于承台节点区域，而桩身并未出现破坏，节点的承载力和耗能性能并未得以提高；
　　（3）CT-10（配置非预应力筋）和CT-9（掺入掺入钢纤维）的位移延性系数要比CT-7（标准试件）大，表明这两种改进措施可以改善节点的延性。
　　对四个PHC管桩与承台连接节点进行了低周往复荷载试验,节点设计依据天津市图集《先张法预应力离心管混凝土管桩》10G306中的节点设计外，同时考虑了改进的节点，并考虑填芯和不填芯的影响：
　　（1）试验中PHC管桩与承台连接节点破坏形式均为受弯破坏。
　　（2）节点破坏形式有两种:1)桩身发生破坏导致节点失去承载能力，主要是由预应力筋被拉断或者钢筋镦头被拉断2)锚固钢筋发生屈服,节点区桩与承台交接处出现塑性铰破坏较严重.
　　（3）通过对锚固钢筋的应变分析可知，锚固钢筋的锚固长度是满足要求的，承台内锚固钢筋并未出现粘结滑移破坏。
　　（4）试验的结果还表明，节点的转动能力越强，其滞回曲线便越饱满，耗能性能就越好。
　　通过改进,得出以下结论:
　　(1)试件的破坏主要是由于节点区域的承台破坏严重,混凝土被压碎,导致锚固钢筋失去约束,节点失效.
　　(2)桩身改进之后,(CT-10配置非预应力筋,CT-9掺入钢纤维和CT-8缠CFRP ),使得试件的破坏主要集中于承台节点区域,而桩身并未出现破坏,节点的承载力和耗能性能并未得以提高.
　　(3)CT-10(配置非预应力筋)和CT-9(掺入钢纤维)的位移延性系数要比CT-7(标准试件)大,表明这两种改进措施可以改善节点的延性.
　　参考文献
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　　[4] 黑正清治, 堀井昌博, 和田章等. 高強度PC杭とパイルキャツプとの接合に関する研究(高強度PC杭の耐力変形性能向上に関する研究(4))[J], 日本建築学会構造系論文報告集, No.407, P.97-107, 1990.1
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