强震下PHC管桩与承台连接节点的抗震性能及设计方法研究

The research topic focuses on the prestressed high strength concrete(PHC) pipe pile which is widely applied in high intensity seismic region recently. Multispecies model is designed to study the behaviors of PHC enduring low reversed cyclic load to represent seismic load. The quasi-static experiments will be carried out to explore performance and failure mechanism of the pile-to-pile cap connections, also the validity and reliability of seismic design details of connections will be verified and analyzed further. By taking advantage of ABAQUS software, the finite element numerical model is employed to calculate the damage results and the mechanism of energy consumption of connection region in considering the nonlinear properties of concrete and soil around. Based on the analysis of the test data and the results of numerical simulation, the mechanical model of PHC pile-to- pile cap connections region will be presented, the methods and procedure of the design of PHC pipe pile foundation in in high intensity seismic region will be proposed in preventing from the perspective of disaster prevention and mitigation. The research results will provide the fundamental basis and will present the design method for PHC pile foundation. Under the current situation the project is of great scientific and practical importance.

以近年来在高烈度地震区日益广泛应用的PHC管桩为研究对象，设计不同连接方式的管桩-承台节点缩尺模型，在考虑桩-土共同作用条件下完成模型的拟静力抗震试验，研究管桩与承台连接节点在低周反复荷载作用下的工作性能及破坏机理，比较和验证不同的节点抗震构造措施的有效性和可靠性。利用ABAQUS有限元分析软件，建立考虑混凝土和土材料的非线性特性的有限元数值模型，深入分析节点区域在低周往复荷载作用下的损伤破坏和能耗机理及各因素对其的影响。在对试验数据和数值模拟结果分析的基础上，通过理论分析，建立合理的管桩与承台连接节点区域的力学模型，为预应力高强混凝土管桩基础的抗震设计提供理论基础和设计方法。结合工程实践应用情况，提出在适用于高烈度地震区的预应力高强混凝土管桩基础的抗震设计技术参数。从工程抗震及防灾减灾的角度出发，本项目具有重要的科学意义和工程应用价值。

预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)近年来被广泛地用于各类工程场地中的各种土木工程结构基础中。由于PHC管桩基础在遭遇强烈地震作用时会发生严重破坏，而我国现行国家规范规程尚未明确规定PHC管桩基础的抗震设计方法，特别是对管桩与承台连接节点的抗震设计计算和构造措施要求尚不明确，因此限制了PHC管桩基础在高烈度地震区的推广应用。. 本项目设计了不同连接方式的管桩-承台节点缩尺（1:10）模型，在考虑桩-土共同作用条件下完成模型的拟静力抗震试验，研究了桩与承台连接节点在低周反复荷载作用下的工作性能及破坏机理，比较和验证了不同的节点抗震构造措施的有效性和可靠性。利用ABAQUS有限元分析软件，建立考虑钢筋、混凝土和土材料的非线性特性的有限元数值模型，深入了分析节点区域在低周往复荷载作用下的损伤破坏和能耗机理及各因素对其的影响。结合试验和数值模拟结果，针对埋入土体的带承台单桩的基础位移及桩顶内力进行了理论分析，给出了考虑承台侧面土抗力影响的桩头内力计算公式。从考虑桩身破坏模式和节点破坏模式的角度，分别推导了不填芯管桩、普通填芯管桩、劲性填芯管桩及加强环截面的开裂弯矩和极限抗弯承载力计算公式。提出了普通型节点、加强环型节点和劲性节点的抗弯承载力计算公式和相关抗震构造措施，并引入等效嵌固深度概念统一表征不同构造形式节点的抗弯承载能力。. 本项目已有研究成果为预应力高强混凝土管桩基础的抗震设计提供了理论基础和设计方法，部分成果已经写入山西省工程建设地方标准《建筑地基基础勘察设计规范》DBJ04/T258-2016。为了克服现有研究手段的不足，进一步验证已有研究成果，2017年度项目组将原计划的室内缩尺模型试验进一步扩大为现场原型足尺模型试验。目前项目组已经完成了现场原型足尺模型试验的大量筹备工作，已经完成了不同填芯方式的足尺管桩构件的抗剪承载力试验等基础性试验。目前该项现场试验正在进行中，尚未全部完成，相信能够获得更多更优的研究成果。