薄壁钢管离心混凝土管桩锤击动力相互作用.doc

薄壁钢管离心混凝土管桩锤击动力相互作用 王怀忠 张涛 宝山钢铁股份有限公司 宝钢分公司，上海，宝山201900 who65113@ 021021摘要：本文运用一维应力波理论建立薄壁钢管钢管工程约60m长桩重要的厂房基础重荷载的设备基础对差异沉降要求严格的设备基础振动大的动力设备基础钢管桩长桩钢管混凝土桩推广使用混凝土PHC桩钢管桩研一种抗锤击能力钢管TSC桩钢管TSC桩TSCΦ400桩TSCΦ600桩Figure 图1 TSC管桩外型尺寸示意图 2 锤击桩的一维应力波理论 桩或杆的横向尺寸远小于波长，其横向动能便远小于纵向动能，则一维应力波的初等理论就能够给出足够好的近似结果。钢管和混凝土管的厚度方向尺寸远小于其长度方向尺寸及锤击脉冲应力波波长，因此本文按照一维应力波理论对钢管和混凝土管的应力波传播和相互作用进行分析。 按照一维应力波理论，忽略桩中质点横向运动的影响，相互脱离的钢管和混凝土管的应力波传播分别服从下列方程(1)和(2) (1) (2) 其中As、ρs和Es分别为钢管的横截面积、质量密度和弹性模量，Ac、ρc和Ec分别为混凝土管的横截面积、质量密度和弹性模量，ws和wc分别为钢管和混凝土管的纵向(x轴方向)，钢管和混凝土管的纵向应力波波速分别为 Cs= 5120m/sec，Cc =3940m/sec。 3 钢管和混凝土管的动力学相互作用 为研究钢管和混凝土管的动力学相互作用，根据钢管和混凝土管的厚度方向尺寸远小于其长度方向尺寸及锤击脉冲应力波波长的特点，忽略桩中质点横向运动以及钢管和混凝土管间剪切波传播的高阶小量的影响，相互作用的钢管和混凝土管的应力波传播分别服从下列方程(3)和(4) (3) (4) 其中r2分别为钢管的内半径或混凝土管的外半径，τ为钢管和混凝土管之间的剪切方向相互作用力。合并方程(3)和(4)可得钢管混凝土管应力波传播方程(5)或(6) (5) (6) 将方程(6)回代入方程(3)或(4)，可得出钢管和混凝土管之间的剪切方向相互作用力，以(7)或(8)表示 (7) (8) 根据方程(6)还可以得出钢管和混凝土管复合管桩的纵向应力波波速 (9) 根据上述推论，结合大量高应变打桩监测得出的最大加速度结果，对TSC管桩的钢管和混凝土之间的粘结应力进行计算，结果见表1。 表1 TSC管桩的钢管和混凝土之间的相互作用力 Table r2 (m) AsEs (N) Asρs (kg/m) AcEc (N) Acρc (kg/m) Csc (m/s) amax (m/s2) τmax (kN/m2) 0.384 1.51×109 57.7 3.08×109 194.8 4230 2000 44.4 0.584 2.29×109 87.3 6.09×109 384.8 4180 2000 47.9 amax和τmax分别为测得的最大加速度和计算得钢管与混凝土管间最大剪切力 4 钢管和混凝土粘结应力推出试验 为研究TSC管桩的钢管和混凝土之间的粘结应力，实施了二组钢管和混凝土粘结应力推出试验。试验桩规格为TSCΦ396，长0.5m，两端平整；钢材为Q235B，壁厚为6mm，离心法成型混凝土强度为C80，厚度不小于87mm。 试验所用设备有油压千斤顶、70MPa高压油泵、数字式荷重传感器、加载控制系统、电测位移计及其他附件、数字式百分表等。 分级加载至破坏荷载后，砼被顶出，钢管完好，砼与钢管之间产生相对滑移，相对位移迅速增大。 Figure 图2 钢管和混凝土粘结应力推出试验Q-S曲线 根据试验数据画出两组试件的荷载－相对位移(Q-S)曲线。取Q-S曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为极限荷载，并计算出砼与钢管之间的粘结强度，结果见表2。 表2 钢管和混凝土粘结应力推出试验结果 Table 试件编号 极限荷载 （kN） 侧壁面积 （cm2） 粘结强度 （MPa） 第一组 1200 6031.86 1.99 第二组 2100 6031.86 3.48 通过钢管与混凝土的动力相互作用分析，结合