CN104532828A - 一种钢管复合桩及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢管复合桩及其设计方法，该钢管复合桩的设计方法包括：计算钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力；根据计算得到的钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力，设计出满足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合桩。该钢管复合桩包括钢管、剪力环、防腐涂层、泥皮和钢筋混凝土桩。本发明适合于带有泥皮、防腐涂层、剪力环共同作用的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算，这对于带有泥皮、防腐涂层、剪力环的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算有积极的应用价值。

Description

一种钢管复合桩及其设计方法
技术领域
本发明涉及深海桥梁桩基工程领域，特别涉及一种钢管复合桩及其设计方法。
背景技术
随着国民经济的不断发展，钢材产量的不断增加，大直径钢管复合桩以承载力高、沉桩工艺相对简单、排土量较小及抗弯能力强等优点，广泛应用于跨海大桥、大型深水港码头等重大工程中。
虽然钢管复合桩现已被广泛应用，但国内外桩基规范中并未给出考虑泥皮、防腐涂层和剪力环作用的钢管复合桩设计计算方法。当按内部强度控制标准计算钢管复合桩极限承载力时，采用现有相关规范计算时，计算结果与实际情况不同。当计算结果偏大时，桩基偏于不安全；当计算结果偏小时，将造成材料浪费，成本提高。
目前为止，钢护筒内壁的剪力环嵌固效应和管内泥皮/防腐涂装弱化作用对钢管复合桩的影响。目前国内的钢管混凝土结构的设计规范和技术规程中基本是通过约束效应系数(ζ0)来考虑钢管和混凝土之间的相互作用，强度承载力N0和抗弯承载力M0的表达式是基于大规模的参数分析结果确定的，没有考虑剪力环的加强作用和泥皮/防腐涂装弱化效应对钢管混凝土结构的影响。尤其这点，对深海桥梁钢管复合桩的设计与使用存在不安全、不可靠的技术风险。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种钢管复合桩及其设计方法，以在考虑剪力环和泥皮/防腐涂装效应的基础上，为钢管复合桩基的各项设计参数及计算理论提供依据。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种钢管复合桩，该钢管复合桩包括钢管、剪力环、防腐涂层、泥皮和钢筋混凝土桩，其中：
钢管，在成孔时作为模板，以提高钢管复合桩的抗弯及承载性能；
剪力环，焊接于该钢管的内壁，以增强钢管与混凝土之间的粘结，提高钢管复合桩的抗弯性能；
防腐涂层，形成于焊接有剪力环的该钢管的内壁，以避免开挖过程中海水对钢管内壁的腐蚀；
泥皮，形成于该防腐涂层的表面；
钢筋混凝土桩，浇筑形成于所述内壁具有剪力环、防腐涂层和泥皮的该钢管内部。
上述方案中，该剪力环通过点焊的方式焊接于该钢管的内壁。
上述方案中，该剪力环是截面为矩形、梯形或三角形的钢条，或者该剪力环是钢筋钉或钢筋环。
上述方案中，该防腐涂层采用SLF高分子复合环氧涂料、聚氨酯涂料、改性环氧玻璃鳞片涂料或聚酯玻璃鳞片涂料。
上述方案中，该泥皮是通过以下方式形成于该防腐涂层的表面：将制作好的具有剪力环和防腐涂层的钢管打入土中，然后将钢管内部土体挖出，此时在钢管的内壁即形成一层泥皮。
为达到上述目的，本发明还提供了一种钢管复合桩的设计方法，该方法包括：计算钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力；根据计算得到的钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力，设计出满足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合桩。
上述方案中，所述计算钢管复合桩的刚度，是采用叠加理论分别计算钢管复合桩的抗弯刚度和抗压刚度。
上述方案中，所述采用叠加理论计算钢管复合桩的抗弯刚度，是采用公式EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EI是钢管复合桩的抗弯刚度，kws是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，Is和Ic是钢管和混凝土截面惯性矩，kwc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，λ是荷载水平效应系数，kwN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kwJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kwF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1；
所述采用叠加理论计算钢管复合桩的抗压刚度，是采用公式EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF，EA是钢管复合桩的抗弯刚度，kys是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，As和Ac是钢管和混凝土截面惯性矩，kyc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，kyN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kyJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kyF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1。
上述方案中，所述计算钢管复合桩的竖向承载力是依据现行相关桩基规范进行竖向承载力的计算，并采用规范ACI(2005)方法对竖向承载力进行检算；
所述计算钢管复合桩的水平承载力是依据相关桩基规范进行水平承载力的计算并采用桥梁桩基经典的“m”法对水平承载力进行检算，且在计算过程中钢管复合桩刚度采用以下刚度修正公式：
EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF。
上述方案中，该方法还包括对钢管复合桩的竖向沉降、横向变形和桩身内部强度进行计算和检算，其中在进行钢管复合桩的竖向承载力、水平承载力、竖向沉降、横向变形和桩身内部强度检算时，采用以下修正公式进行单桩承载力及沉降变形的校核：
EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在计算钢管复合桩承载力时，考虑了泥皮、防腐涂层的弱化作用和剪力环的嵌固作用，使得计算结果更接近于实际情况。
2、本发明便于计算剪力环对钢管复合桩弯曲刚度的影响，以利于剪力环间距的设计和优化。
3、本发明适用于有/无泥皮、有/无剪力环和有/无防腐涂层的钢管复合桩的设计，且计算结果偏于安全。
4、本发明在进行钢管复合桩设计时既具有重要的经济效益，又具有较为实用的价值。
5、本发明提供的钢管复合桩及其设计方法，提出的刚度修正公式考虑了泥皮、防腐涂层的弱化影响以及剪力环的嵌固作用，进而在考虑剪力环和泥皮/防腐涂装效应的基础上，为钢管复合桩基的各项设计参数及计算理论提供依据。
附图说明
图1是本发明提供的钢管复合桩的设计方法流程图。
图2是采用图1所示方法设计的钢管复合桩的示意图。
图3是依照本发明实施例的钢管复合桩抗弯刚度与剪力环间距的之间呈双曲线规律的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的钢管复合桩及其设计方法，主要涉及了钢管复合桩刚度的计算以及其承载力的设计计算，为钢管复合桩的广泛应用提供了理论基础。其中，本发明提供的钢管复合桩的设计方法，主要包含两个方面的内容，一方面是钢管复合桩刚度的设计，另一方面是钢管复合桩承载力的设计。
钢管复合桩刚度的设计：考虑泥皮、防腐涂层、剪力环不同组合效应的钢管复合桩抗弯刚度计算公式：EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F；EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，EA＝kysEsAs+kycEcAc，抗弯刚度综合修正系数kwc＝kwN·kwJ·kwF、荷载水平效应系数λ和抗压刚度综合修正系数kyc＝kyN·kyJ·kyF的取值建议，为钢管复合桩的设计计算提供了坚实的理论基础；
钢管复合桩承载力设计：采用叠加理论，规范ACI(2005)方法适合于带有泥皮、防腐涂层、剪力环共同作用的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算，这对于带有泥皮、防腐涂层、剪力环的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算有积极的应用价值。
如图1所示，图1是本发明提供的钢管复合桩的设计方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：计算钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力；
步骤2：根据计算得到的钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力，设计出满足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合桩。
其中，步骤1中所述计算钢管复合桩的刚度，是采用叠加理论分别计算钢管复合桩的抗弯刚度和抗压刚度。
采用叠加理论计算钢管复合桩的抗弯刚度，是采用公式EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EI是钢管复合桩的抗弯刚度，kws是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，Is和Ic是钢管和混凝土截面惯性矩，kwc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，λ是荷载水平效应系数，kwN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kwJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kwF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1。
采用叠加理论计算钢管复合桩的抗压刚度，是采用公式EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF，EA是钢管复合桩的抗弯刚度，kys是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，As和Ac是钢管和混凝土截面惯性矩，kyc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，kyN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kyJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kyF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1。
步骤1中所述计算钢管复合桩的竖向承载力是依据现行相关桩基规范进行竖向承载力的计算，并采用规范ACI(2005)方法对竖向承载力进行检算；其中，现行相关桩基规范主要是公路桥涵地基与基础设计规范和铁路桥涵地基和基础设计规范，规范ACI(2005)方法是指规范《Building coderequirements for structural concrete and commentary》ACI(2005)，USA中描述的方法。
步骤1中所述计算钢管复合桩的水平承载力是依据现行相关桩基规范进行水平承载力的计算，其中现行相关桩基规范主要是公路桥涵地基与基础设计规范和铁路桥涵地基和基础设计规范；并采用桥梁桩基经典的“m”法对水平承载力进行检算，且在计算过程中钢管复合桩刚度采用以下刚度修正公式：
EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF。
该方法还包括对钢管复合桩的竖向沉降、横向变形和桩身内部强度进行计算和检算，其中在进行钢管复合桩的竖向承载力、水平承载力、竖向沉降、横向变形和桩身内部强度检算时，采用以下修正公式进行单桩承载力及沉降变形的校核：EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF。
在有泥皮和防腐涂层条件下，剪力环间距与钢管复合桩抗弯刚度相关关系的计算公式：(EI)J＝(1+ξ)(EI)G，钢管复合桩抗弯刚度与剪力环间距的之间呈双曲线规律变化，如图3所示，并给出了与剪力环间距相关的钢管复合桩抗弯刚度增大系数建议取值，即SJ为剪力环间距，取值范围0.5D＜SJ≤5D，为钢管复合桩剪力环的优化提供了计算依据。
基于图1所示的钢管复合桩的设计方法，图2示出了采用图1所示方法设计的钢管复合桩的示意图，该钢管复合桩包括钢管、剪力环、防腐涂层、泥皮和钢筋混凝土桩，其中：钢管，在成孔时作为模板，以提高钢管复合桩的抗弯及承载性能；剪力环，焊接于该钢管的内壁，以增强钢管与混凝土之间的粘结，提高钢管复合桩的抗弯性能；防腐涂层，形成于焊接有剪力环的该钢管的内壁，以避免开挖过程中海水对钢管内壁的腐蚀；泥皮，形成于该防腐涂层的表面；钢筋混凝土桩，浇筑形成于所述内壁具有剪力环、防腐涂层和泥皮的该钢管内部。
图2中，该剪力环通过点焊的方式焊接于该钢管的内壁，该剪力环是截面为矩形、梯形或三角形的钢条，或者该剪力环是钢筋钉或钢筋环，其中矩形的效果较梯形或三角形要好。该剪力环是截面为矩形的钢条。该防腐涂层采用SLF高分子复合环氧涂料、聚氨酯涂料、改性环氧玻璃鳞片涂料或聚酯玻璃鳞片涂料。该泥皮是通过以下方式形成于该防腐涂层的表面：将制作好的具有剪力环和防腐涂层的钢管打入土中，然后将钢管内部土体挖出，此时在钢管的内壁即形成一层泥皮。
本发明提供的钢管复合桩及其设计方法，考虑泥皮、防腐涂层、剪力环不同组合效应的钢管复合桩抗弯刚度计算公式：EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F；EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，EA＝kysEsAs+kycEcAc，抗弯刚度综合修正系数kwc＝kwN·kwJ·kwF、荷载水平效应系数λ和抗压刚度综合修正系数kyc＝kyN·kyJ·kyF的取值建议，为钢管复合桩的设计计算提供了坚实的理论基础；在有泥皮和防腐涂层条件下，剪力环间距与钢管复合桩抗弯刚度相关关系的计算公式：(EI)J＝(1+ξ)(EI)G并给出了与剪力环间距相关的钢管复合桩抗弯刚度增大系数建议取值，即SJ为剪力环间距，取值范围0.5D＜SJ≤5D，为钢管复合桩剪力环的优化提供了计算依据；规范ACI(2005)方法适合于带有泥皮、防腐涂层、剪力环共同作用的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算，这对于带有泥皮、防腐涂层、剪力环的钢管复合桩内部强度极限承载力的计算有积极的应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢管复合桩，其特征在于，该钢管复合桩包括钢管、剪力环、防腐涂层、泥皮和钢筋混凝土桩，其中：
钢管，在成孔时作为模板，以提高钢管复合桩的抗弯及承载性能；
剪力环，焊接于该钢管的内壁，以增强钢管与混凝土之间的粘结，提高钢管复合桩的抗弯性能；
防腐涂层，形成于焊接有剪力环的该钢管的内壁，以避免开挖过程中海水对钢管内壁的腐蚀；
泥皮，形成于该防腐涂层的表面；
钢筋混凝土桩，浇筑形成于所述内壁具有剪力环、防腐涂层和泥皮的该钢管内部。
2.根据权利要求1所述的钢管复合桩，其特征在于，该剪力环通过点焊的方式焊接于该钢管的内壁。
3.根据权利要求1所述的钢管复合桩，其特征在于，该剪力环是截面为矩形、梯形或三角形的钢条，或者该剪力环是钢筋钉或钢筋环。
4.根据权利要求1所述的钢管复合桩，其特征在于，该防腐涂层采用SLF高分子复合环氧涂料、聚氨酯涂料、改性环氧玻璃鳞片涂料或聚酯玻璃鳞片涂料。
5.根据权利要求1所述的钢管复合桩，其特征在于，该泥皮是通过以下方式形成于该防腐涂层的表面：
将制作好的具有剪力环和防腐涂层的钢管打入土中，然后将钢管内部土体挖出，此时在钢管的内壁即形成一层泥皮。
6.一种钢管复合桩的设计方法，其特征在于，该方法包括：
计算钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力；
根据计算得到的钢管复合桩的刚度、竖向承载力及水平承载力，设计出满足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合桩。
7.根据权利要求6所述的钢管复合桩的设计方法，其特征在于，所述计算钢管复合桩的刚度，是采用叠加理论分别计算钢管复合桩的抗弯刚度和抗压刚度。
8.根据权利要求7所述的钢管复合桩的设计方法，其特征在于，
所述采用叠加理论计算钢管复合桩的抗弯刚度，是采用公式EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EI是钢管复合桩的抗弯刚度，kws是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，Is和Ic是钢管和混凝土截面惯性矩，kwc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，λ是荷载水平效应系数，kwN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kwJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kwF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1；
所述采用叠加理论计算钢管复合桩的抗压刚度，是采用公式EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF，EA是钢管复合桩的抗弯刚度，kys是考虑钢管复合桩使用寿命期间的刚度折减系数，Es和Ec是钢材与混凝土弹性模量，As和Ac是钢管和混凝土截面惯性矩，kyc是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，kyN是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1；kyJ是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环时大于1；kyF是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1。
9.根据权利要求6所述的钢管复合桩的设计方法，其特征在于，
所述计算钢管复合桩的竖向承载力是依据现行相关桩基规范进行竖向承载力的计算，并采用规范ACI(2005)方法对竖向承载力进行检算；
所述计算钢管复合桩的水平承载力是依据相关桩基规范进行水平承载力的计算并采用桥梁桩基经典的“m”法对水平承载力进行检算，且在计算过程中钢管复合桩刚度采用以下刚度修正公式：
EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyJ·kyF。
10.根据权利要求9所述的钢管复合桩的设计方法，其特征在于，该方法还包括对钢管复合桩的竖向沉降、横向变形和桩身内部强度进行计算和检算，其中在进行钢管复合桩的竖向承载力、水平承载力、竖向沉降、横向变形和桩身内部强度检算时，采用以下修正公式进行单桩承载力及沉降变形的校核：
EI＝kwsEsIs+kwcEcIc，P≤0.8～1.0F，或公式EI＝kwsEsIs+kwcλEcIc，0.8～1.0F＜P≤1.7F，其中kwc＝kwN·kwJ·kwF，EA＝kysEsAs+kycEcAc，其中kyc＝kyN·kyf·kyF。
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