拟静力试验是一种简便且应用广泛的结构抗震试验, 虽然试验采用较低的加载速度, 但试验荷载都具有反复作用的特征, 有十分明显的动力学意义, 能反映出结构在地震作用下的性能。

　　 Ikeda等^[1]对增加非预应力钢筋后的PHCϕ400的A型和B型管桩进行了低周往复荷载试验, 试验表明构件延性增加, 预应力钢筋拉断后, 构件还具有承载能力。Muguruma等^[2]对内部配置非预应力钢筋的PHCϕ400管桩进行低周往复荷载试验, 研究管桩的弯曲延性性能, 结果表明预应力钢筋的伸长率对抗弯承载力有影响, 增加箍筋的配筋率可以提高构件的延性。王铁成、王文进等^[3]论述了在往复荷载作用下, 增加普通钢筋后PHCϕ500管桩滞回曲线更加饱满, 延性更好;增加普通钢筋可以改变管桩的破坏形态、受力性能、抗震性能。宋永生、陶文成等^[4]研究了在标准管桩箍筋外侧增设一层箍筋的局部加强型管桩的抗弯性能, 研究表明, 这种管桩的抗弯性能显著高于标准管桩。戎贤、王旭月等^[5]研究了掺入钢纤维的PHC管桩的抗震性能, 研究表明, 采取掺入钢丝端钩型钢纤维且加入非预应力钢筋的改善措施提高PHC管桩的延性和耗能能力最明显。王新玲等^[6,7]通过对几种添加不同非预应力钢筋的预应力混凝土管桩与普通预应力混凝土管桩进行对比试验, 研究了其抗弯性能, 结果表明, 配置非预应力钢筋能够有效地改善PHC管桩抗弯承载力不足的问题。王铁成、杜宙芳、赵海龙等^[8]通过PHCϕ500管桩和几个配置非预应力筋的PRC管桩的低周往复加载试验, 研究了其抗震性能, 结果表明, 配置非预应力筋可有效改善PHC管桩的抗震性能, 并筋配筋形式下, 当非预应力筋和预应力筋强度比为53%时, 管桩的抗震性能有明显提高。

　　 以上研究都是针对ϕ400和ϕ500的管桩, 在循环往复荷载试验中, 没有考虑桩侧土对其产生的影响, 本文主要针对ϕ600的管桩研究其在低周往复荷载作用下的抗震性能。

　　 制作的管桩均为长度6.0m, 直径600mm, 壁厚110mm, 预压应力6.26MPa。管桩采用C80混凝土, 预应力钢筋采用低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒, 螺旋槽钢棒的抗拉强度不小于1 420MPa, 其延性为35级, 非预应力钢筋采用HRB400级钢筋, 箍筋采用冷拔低碳钢丝, 箍筋直径5mm。预应力钢筋与非预应力钢筋间隔布置。PHC管桩都为AB型, 增加非预应力钢筋的管桩编号为PRC, 管桩参数见表1。

　　 本文选用弹簧来模拟桩周土作用, 由于管桩上部难以布置弹簧, 所以本文将拉弹簧和压弹簧同时设置在管桩下部, 交替作用来保证循环往复荷载下的桩身受力情况。为了保证压弹簧稳定, 压弹簧装置分为如下三部分:上部套筒结构、下部套筒结构和弹簧。下部的底座连接一个大直径套筒, 把弹簧放入套筒外;上部是一个弧形垫块连接一个小直径的套筒, 将两个套筒套在一起, 装置中两个套筒距离大于弹簧的最大压缩量, 以便于弹簧受压, 见图1。拉弹簧采用工字钢与弧形垫块和管桩相连接, 工字钢下面连接拉弹簧, 拉弹簧下面是高强连接件, 用以固定在反力地基板上。管桩安装到位后, 安装好反力地基板下部的螺栓。当管桩受压时, 拉弹簧下面的连接件在反力地基板的空洞中向下移动, 拉弹簧不受力;当管桩受拉时, 连接件被下面的螺栓固定, 拉弹簧开始受力, 见图2。

　　 参照天津滨海新区土质参数, 土压缩系数取0.4, 泊松比取0.3, 根据韩理安^[9]总结的水平荷载桩地基系数表, 查出所对应的水平地基系数K_N值为280kN/m³。桩径0.6m, 根据文克勒地基模型计算单位长度下弹簧的刚度系数K₀=280×0.6×1=168kN/m。

　　 本文桩长6m, 因为拉弹簧下部需要用反力地基板进行固定, 所以受反力地基板上预留孔洞位置的限制采用4根受拉弹簧和4根受压弹簧, 应设置的每根弹簧刚度K_j=K₀×6/4=252kN/m。

　　 拉弹簧和压弹簧刚度计算公式一样, 弹簧直接厂家定制, 经过标定。弹簧刚度计算公式为:

　　 ${\rm K}=\frac{Gd{}^4}{8D{}_{\text{m}}{}^3\times {\rm N}{}_{\text{c}}}\times 9.8(1)$

　　 式中:K为弹簧的刚度, N/mm;G为线材的刚性模数, 取8 000N/mm²;d为线径;D_m为中径, 等于外径减去线径;N_c为有线圈数, 等于弹簧实际圈数减去2。

　　 选取弹簧线径16mm, 弹簧实际圈数8, 弹簧外径90mm, 将这些参数代入公式 (1) 得出:

　　 $\begin{array}{l}{\rm K}=\frac{8000\times 16{}^4}{8\times (90-16){}^3\times 6}\times 9.8\\ =264.11\text{Ν}/\text{m}\text{m}\approx 264\text{k}\text{Ν}/\text{m}\end{array}$

　　 可见, K值与K_j值基本一致。

　　 图3是试验加载装置实景, 在垂直方向对管桩进行上下的循环往复加载, 通过双向推拉千斤顶对构件施加荷载, 千斤顶的最大施加荷载值能达到1 000kN。弧形支座采用整块钢板按照管桩弧度切割而成, 设备所用上下加载板采用60mm厚钢板, 支座与加载板通过定制加工制作而成, 经过测试钢板的刚度满足要求, 能保证构件在加载过程中不会发生变形。

　　 模拟土反力的拉弹簧和压弹簧采取同侧布置, 拉弹簧和压簧弹位置稍有不同, 基本保证构件在同条件下受压和受拉时弹簧施加的反力相同。各个弹簧和位移计布置见图4。

　　 根据《建筑抗震试验规程》 (JGJ 101—2015) ^[10]采用荷载-位移混合控制的加载方案。将钢筋首次达到屈服应变时的荷载值、位移值分别定义为屈服荷载试验值、屈服位移试验值。在荷载达到屈服荷载试验值前, 采用荷载控制加载, 分3～5级加载至屈服, 每级荷载按加载、卸载、反向加载、反向卸载方式循环1次;当荷载达到屈服荷载试验值以后, 采用位移控制加载, 每级位移增量为Δ_y (Δ_y为屈服位移试验值) , 每级循环3次, 直至荷载下降到最大荷载的85%, 认为试件达到破坏, 停止试验。

　　 各个管桩的滞回曲线如图5所示, 由图5可见, 配置非预应力钢筋的PRC管桩的滞回曲线比PHC管桩的滞回曲线饱满得多。在加载初期的荷载控制阶段, 所有管桩的滞回曲线为梭形, 比较饱满, 在加载后期位移控制阶段, 滞回曲线开始出现不同程度的捏缩现象。管桩开裂后, 材料由弹性转为塑性, 在循环往复荷载作用下管桩刚度在不断退化, 残余变形也不断增大。PRC-12管桩滞回曲线最饱满, PRC-10和PRC-14管桩滞回曲线也比较饱满, PRC-16管桩滞回曲线的捏缩相对严重。配置了非预应力钢筋后管桩耗能能力明显增强, 但是随着非预应力钢筋直径增加, 其耗能能力又逐渐下降, 非预应力钢筋直径为12mm的管桩具有更强的耗能能力。

　　 图6各管桩的骨架曲线对比。在弹性阶段, 混凝土没有开裂, 骨架曲线基本一致。混凝土开裂后进入弹塑性阶段, 骨架曲线开始出现弯曲。PHC管桩在骨架曲线达到最高点后迅速下降, 丧失承载能力;而PRC管桩骨架曲线达到最高点后缓慢下降, 可见其承载能力明显得到提高, 这表明当预应力钢筋屈服后, 非预应力钢筋开始发挥作用, 提高了管桩的弹塑性性能及在地震往复荷载下的受力性能, 可避免发生脆性断裂。配置非预应力钢筋后, 管桩骨架曲线峰值明显增大, 配置直径10, 12, 14mm非预应力钢筋的PRC管桩 (其配筋强度比分别为0.41, 0.59, 0.82) 骨架曲线退化较慢, 延性较好;而配置直径16mm非预应力钢筋的PRC管桩 (其配筋强度比1.07) 骨架曲线到达峰值后下降迅速。可见, 配置非预应力钢筋过多会造成钢筋屈服前混凝土被压碎, 从而管桩丧失承载能力, 而非预应力钢筋并未完全发挥作用, 管桩延性反而变差, 所以非预应力钢筋与预应力钢筋配筋强度比应保持在0.4～0.8之间。

　　 图7为各个管桩试件刚度退化曲线对比, 所有管桩刚度退化曲线的变化趋势基本一致, 加载初期刚度退化很快, 加载后期刚度退化开始变缓。PHC管桩的初始刚度略微小一点, 其他管桩基本一致。加载后期, PHC管桩明显比PRC管桩刚度退化要快一些, 而配置直径12mm非预应力钢筋的PRC管桩刚度曲线退化最慢, 延性最好, 其次依次为配置直径10, 14, 16mm非预应力钢筋的PRC管桩。结果表明增加非预应力钢筋后管桩在遇到大荷载或大地震时, 其刚度缓慢退化, 不会出现突然断裂, 有更好的抗震性能;但是配筋强度比也会影响抗震性能。

　　 从表2中可以看出, 增加非预应力钢筋后的PRC管桩延性系数明显大于PHC管桩, PHC管桩的变形能力差, 混凝土开裂后, 钢筋屈服, 管桩丧失承载能力, 延性较差, 增加非预应力钢筋后正好弥补了仅配置预应力钢筋管桩延性差的不足, 预应力钢筋断裂后, 非预应力钢筋继续承担拉力, 大大改善了管桩的延性性能。从表2可以看出, PRC-10, PRC-12, PRC-14, PRC-16管桩延性比PHC管桩分别增加24.4%, 28.3%, 18.6%, 14.3%。可见, PRC-12管桩延性提高程度最大, 随着配置非预应力钢筋直径增大, 管桩延性逐渐减小, 非预应力钢筋直径增大后, 混凝土容易出现压碎破坏。

　　 图8为在位移控制阶段各管桩等效黏滞阻尼系数与加载位移之间的关系曲线, 从图中可以看出, PHC管桩等效黏滞阻尼系数没有随着加载位移增大而增大, 而PRC管桩等效黏滞阻尼系数随着加载位移增大在不断地增大, PRC-12管桩效果最明显, 其次依次为PRC-10, PRC-14, PRC-16管桩。PRC管桩在加载位移达到50mm左右时破坏, 而PHC管桩在加载位移40mm左右时就破坏了。结果表明PHC管桩在往复荷载作用下, 其耗能能力逐渐降低, 当预应力钢筋破坏时, PHC管桩彻底丧失承载力;而增加非预应力钢筋后的PHC管桩, 当预应力钢筋破坏后, 非预应力钢筋继续承担荷载, 耗能能力比PHC管桩明显增强, 在地震作用下, 有更好的抗震性能。

　　 (1) PRC管桩的滞回曲线比PHC管桩饱满很多, 配筋强度比对管桩滞回曲线的饱满程度有一定的影响。配筋强度比为0.6的PRC管桩的滞回曲线最为饱满。

　　 (2) PRC管桩骨架曲线的峰值明显高于PHC管桩, 且后期性能退化缓慢, 配筋强度比为1.07的PRC管桩骨架曲线到达峰值后迅速下降, 表明配置非预应力钢筋过多会造成混凝土压碎, 延性反而变差。

　　 (3) PRC管桩明显比PHC管桩刚度退化要慢一些, 表明增加非预应力钢筋后管桩在遇到大荷载或大地震时, 其刚度缓慢退化, 不会出现突然断裂, 有更好的抗震性能。

　　 (4) PRC管桩延性系数明显大于PHC管桩。

　　 (5) 在往复荷载作用下, 随加载位移增大, PHC管桩的等效黏滞阻尼系数基本保持不变, 但其耗能能力逐渐降低。PRC管桩等效黏滞阻尼系数随加载位移增大而增大, PRC-12管桩效果最明显。表明增加非预应力钢筋后管桩耗能能力得到极大的改善, 在地震作用下有更好的抗震性能。