CN107119677A - 一种管桩桩顶摩擦‑剪切型耗能连接装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管桩桩顶摩擦‑剪切型耗能连接装置及其施工方法，该装置包括外层钢圆筒、中心钢圆筒、软钢管、上、下封板、底部套筒；所述软钢管穿过中心钢圆筒，伸入管桩内部，空隙用玻璃球‑石墨混合物填充，所述上、下封板之间设置环状碟形弹簧，下封板和底部套筒顶面间设有摩擦耗能副以及限位挡环；所述连接装置浇筑在承台底部凹槽中，底部套筒环箍在管桩扩大头上。在地震作用下，软钢管发生剪切变形，同时摩擦板产生相对滑移，实现桩顶摩擦‑剪切型水平耗能作用；且环状碟形弹簧起到竖向隔震作用。本发明通过在管桩‑承台间设置多维减震连接装置，增强了连接节点延性耗能能力，避免了管桩桩头在地震弯剪荷载作用下易发生脆性破坏的现象。

Description

一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置及其施工方法，属于建筑抗震技术领域。

背景技术

预应力高强混凝土(PHC)管桩作为桩基础的重要形式之一，被广泛应用于高层建筑、跨海大桥等实际工程。通过采用预应力工艺，并经离心成型和常压-高压蒸汽养护，PHC管桩可实现工厂标准化、规模化生产制作，具有桩身强度高、单桩承载力大、成桩质量可靠、施工周期短等诸多优势。然而，由于PHC管桩内部中空的结构特点，其抗弯、抗剪承载力较弱，在水平地震作用下易发生较大变形，甚至断裂，导致基础抗震能力不足。在地震传播过程中，基岩和地基土将发生大幅度运动，并以振动形式传至桩基及上部结构，引起上部结构发生强迫振动，形成自身的惯性力，并反馈作用于桩顶。在地震运动荷载和桩顶惯性荷载的共同作用下，管桩与承台连接位置处于轴力、剪力和弯矩的最不利荷载组合状态，极易发生低延性的剪切破坏，使桩基丧失承载能力。我国处于多发的强地震区域，减小由地震产生的地基运动对管桩的动力响应至关重要。

在地震多发地区，通常采用减震隔震技术来改善建筑物的抗震能力，降低地震引发的建筑震害。现有减震隔震技术主要通过设置金属耗能器、摩擦耗能器、粘弹性耗能器等装置控制上部结构的振动，来达到减震隔震的目的。中国发明专利“201610141295.3”公开了一种用于连接桩基和承台的减震装置及其施工方法；该发明通过桩顶内外套筒间的弹性连接部和充填缓冲层来达到耗能减震的目的。中国发明专利“201620171784.9”公开了一种桩基础多维减震控制装置；该发明通过弹簧阻尼元件和桩顶减震盒设计来达到多维减震的效果。上述发明专利中可以有效控制桩基础振动，达到减震隔震的目的，但在强震作用下存在支座侧向位移过大，结构复杂维护不便，竖向隔震能力不足等缺点。

发明内容

本发明旨在提供一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，在管桩桩顶和承台连接处设置多维减震连接装置，增强连接节点延性耗能能力，避免管桩桩头在地震作用下易发生脆性破坏的现象。本发明还提供了该装置的施工方法。

本发明提供了一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，该装置包括软钢管、上封板、中心钢圆筒、外层钢圆筒、环状碟形弹簧、下封板、限位挡环、摩擦环、挡土板、底部套筒和玻璃球-石墨混合物；

软钢管上部连接承台，下部连接管桩；

软钢管外侧套接中心钢圆筒，中心钢圆筒顶部连接上封板，上封板外侧设有外层钢圆筒，在中心钢圆筒、上封板、外层钢圆筒围成的空间内设有环状碟形弹簧，环状碟形弹簧的底部连接下封板，上、下封板为内部空心的圆环结构，中心钢圆筒、外层钢圆筒为同轴的中空圆筒结构；软钢管底部伸入管桩桩头内，软钢管与管桩之间设有玻璃球-石墨混合物，该混合物底部为桩内填芯，桩内填芯与管桩紧密接触，底部套筒套设于管桩桩顶的混凝土扩大头外围；底部套筒与下封板之间设有摩擦环，底部套筒外侧与外层钢圆筒连接处设有挡土橡胶环，挡土橡胶环内侧设有限位挡环，限位挡环焊接在底部套筒顶部边缘。

所述耗能连接装置内部由软钢管、中心钢圆筒、环状碟形弹簧组成。软钢管穿过中心钢圆筒，并伸入PHC管桩内部，之间空隙采用玻璃球-石墨混合物填充，允许两者产生一定的竖向相对滑动；所述中心钢圆筒和软钢管均与上封板焊接固定；所述环状碟形弹簧套设在中心钢圆筒外部，并与上、下封板连接。

所述中心钢圆筒内径与软钢管外径一致，底端与下封板间保留一定的竖向间距，即通过在连接装置与管桩之间预留一定的相对滑动空间，使碟形弹簧在竖向地震作用下能充分变形，以达到耗能减震的效果。

所述耗能连接装置外部由上封板、外层钢圆筒、下封板和摩擦环组成。外层钢圆筒顶部与上封板焊接连接，下封板底部内嵌摩擦环，摩擦环与底部套筒顶板紧密接触。另外，在外层钢圆筒及上封板外表面布置若干钢筋剪力键，钢筋剪力键垂直于外层钢圆筒或上封板，增强连接装置与承台混凝土的粘结，避免发生滑移和脱开。

所述PHC管桩桩头截面扩大形成加强型连接节点，即混凝土扩大头，为摩擦环提供足够的水平滑动空间，相应提高了管桩桩头的抗剪强度。

所述底部套筒为上端带有环形顶板的钢圆筒，筒高1.0m，直径与混凝土扩大头外径相同，套箍在桩顶混凝土扩大头上；套筒顶板与摩擦环紧密接触，中心孔洞直径与管桩内径一致；并在其边缘设置限位挡环，防止强震作用下桩顶发生过大水平位移；此外，在底部套筒与外层钢圆筒之间设置挡土橡胶环，其高度为20cm，内径与底部套筒外径一致，侧面与底部套筒粘连，防止土体和地下水进入连接装置内部。

该耗能连接装置设置在承台下方，在承台底部设有凹槽，耗能连接装置底部套箍于管桩桩头，上部嵌入与之匹配的承台底部凹槽。

本发明提供了一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置的施工方法，包括以下步骤：

A：沉桩：在沉桩施工之前，首先清除现场高空、地上及地下的障碍物，对危险构筑物进行加固，做好三通一平；随后确定桩基轴线，并将桩的准确位置测设到地面上；最后将管桩起吊，对中调直后利用压桩设备将管桩压至土层预定深度；

B：清除桩顶桩芯土：将开口式管桩桩顶部分桩芯土用高压水枪冲刷成泥浆并排出地面，并清除桩顶内壁浮浆，最后将桩内积水排出；

C：桩内填芯：清理填芯范围管桩内壁浮浆，涂刷水泥净浆、混凝土界面处理剂或者微膨胀混凝土，安装托板并放置钢筋笼，随后浇筑混凝土至预定高度；桩顶填芯采用与承台相同标号的混凝土；

D：施工扩大头：在混凝土扩大头外围铺设一层混凝土垫层，然后在内部设置纵横向钢筋，并支好模板，随后浇筑混凝土至与管桩桩顶齐平，即完成扩大头施工；

E：制作耗能连接装置：将摩擦环嵌入下封板凹槽中，并将上封板与中心钢圆筒按照示意图焊接连接；将环状碟形弹簧套设在中心钢圆筒外围，并与上、下封板焊接，保持上、下封板孔位竖向对齐；然后将上封板与外层钢圆筒按照示意图焊接连接，将软钢管伸入上封板中央孔位内并与之焊接固定；最后将限位挡环焊接在底部套筒边缘，并将挡土橡胶环粘贴在底部套筒外围；

F：安装耗能连接装置：首先将底部套筒套箍在混凝土扩大头外围；然后在管桩桩顶内部填充玻璃球-石墨混合物，将软钢管伸入管桩桩头玻璃球-石墨混合物中，并保证摩擦环与底部套筒顶板紧密接触；

G：施工承台：根据常规的承台施工工艺，施做垫层，布置纵横向钢筋，支模，浇筑混凝土和养护。

本发明的有益效果：

① 通过在管桩-承台间设置多维减震连接装置来耗散地震输入能量，增强了连接节点延性耗能能力，避免了管桩桩头在地震弯剪荷载作用下易发生脆性破坏的现象，同时有助于减轻上部主体结构的地震反应及可能引起的震害。

② 在水平地震作用下，管桩桩头与上部承台间产生相对位移，管桩-承台连接装置中的软钢管发生剪切变形，同时摩擦环与底部套筒顶板产生相对滑移，实现桩顶摩擦-剪切型水平耗能作用。

③ 中心软钢管与管桩内壁间采用玻璃球-石墨混合物填充，在竖向地震作用下两者之间可发生一定的竖向相对滑动，保证环状碟形弹簧充分变形，从而耗散一部分地震能量，起到竖向隔震作用。

④ 限位挡环的增设可起到缓冲限位保护作用，防止强震作用下桩顶发生过大的侧向位移，另一方面也可实现碰撞耗能。

附图说明

图1为本发明耗能连接装置安装后的整体结构示意图。

图2为图1中耗能连接装置内碟形弹簧的局部放大图。

图3为图1中A-A剖面图。

图中：1-承台、2-地坪、3-混凝土垫层、4-混凝土扩大头、5-桩内填芯、6-管桩、7-剪力键、8-软钢管、9-上封板、10-中心钢圆筒、11-外层钢圆筒、12-环状碟形弹簧、13-限位挡环、14-下封板、15-挡土橡胶环、16-摩擦环、17-底部套筒、18-玻璃球-石墨混合物。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~3所示，一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，该装置包括软钢管8、上封板9、中心钢圆筒10、外层钢圆筒11、环状碟形弹簧12、限位挡环13、下封板14、挡土橡胶环15、摩擦环16、底部套筒17和玻璃球-石墨混合物18；

软钢管8上部连接承台1，下部连接管桩6；

软钢管8外侧套接中心钢圆筒10，中心钢圆筒10顶部连接上封板9，上封板9外侧设有外层钢圆筒11，在中心钢圆筒10、上封板9、外层钢圆筒11围成的空间内设有环状碟形弹簧12，环状碟形弹簧12的底部连接下封板14，上、下封板为内部空心的圆环结构，中心钢圆筒10、外层钢圆筒11为同轴的中空圆筒结构；软钢管8伸入管桩6桩头内，软钢管8与管桩6之间设有玻璃球-石墨混合物18，该混合物底部为桩内填芯5，桩内填芯5与管桩6紧密接触，底部套筒17套设于管桩桩顶的混凝土扩大头4外围；底部套筒17与下封板14之间设有摩擦环16，底部套筒17外侧与外层钢圆筒11连接处设有挡土橡胶环15，挡土橡胶环15内侧设有限位挡环13，限位挡环13焊接在底部套筒17顶部边缘。

所述耗能连接装置内部由软钢管8、中心钢圆筒10、环状碟形弹簧12组成。软钢管8穿过中心钢圆筒10，并伸入PHC管桩6内部，之间空隙采用玻璃球-石墨混合物18填充，允许两者产生一定的竖向相对滑动；所述中心钢圆筒10和软钢管8均与上封板9焊接固定；所述环状碟形弹簧12套设在中心钢圆筒10外部，并与上、下封板连接。

所述中心钢圆筒10内径与软钢管8外径一致，底端与下封板14间保留一定的竖向间距，即通过在连接装置与管桩之间预留一定的相对滑动空间，使碟形弹簧在竖向地震作用下能充分变形，以达到耗能减震的效果。

所述耗能连接装置外部由上封板9、外层钢圆筒11、下封板14和摩擦环16组成。外层钢圆筒顶部与上封板焊接连接，下封板底部内嵌摩擦环，摩擦环与底部套筒顶板紧密接触。另外，在外层钢圆筒及上封板外表面布置若干钢筋剪力键，钢筋剪力键垂直于外层钢圆筒或上封板，增强连接装置与承台混凝土的粘结，避免发生滑移和脱开。

所述PHC管桩6桩头截面扩大形成加强型连接节点，即混凝土扩大头4，为摩擦环16提供足够的水平滑动空间，相应提高了管桩桩头的抗剪强度。

所述底部套筒17为上端带有环形顶板的钢圆筒，筒高1.0m，直径与混凝土扩大头外径相同，套箍在桩顶混凝土扩大头上；套筒顶板与摩擦环紧密接触，中心孔洞直径与管桩内径一致；并在其边缘设置限位挡环，防止强震作用下桩顶发生过大水平位移；此外，在底部套筒与外层钢圆筒之间设置挡土橡胶环，其高度为20cm，内径与底部套筒外径一致，侧面与底部套筒粘连，防止土体和地下水进入连接装置内部。

该耗能连接装置设置在承台1下方，在承台1底部设有凹槽，耗能连接装置底部套箍于管桩6桩头，上部嵌入与之匹配的承台1底部凹槽。

如图1所示，耗能连接装置伸入PHC管桩6桩内，并伸入与之匹配的承台1底部凹槽。另外，为避免管桩桩头与承台连接节点发生剪切破坏，将桩头截面扩大形成混凝土扩大头4，提高桩头的抗剪强度。地震作用下，软钢管8的变形屈服耗能和摩擦环16摩擦耗能一起组成桩头支座的水平耗能减震系统；而环状碟形弹簧12变形耗能和玻璃球-石墨混合物18滚动摩擦隔震则对桩头支座的竖向隔震起到主要作用；限位挡环13则可以有效避免管桩在强震作用下产生较大的侧向位移，并可以达到与摩擦环16碰撞耗能的效果，保证上部结构的稳定性。

如图2所示，在耗能连接装置内部，环状碟形弹簧12套设于中心钢圆筒10外部，并与上、下封板连接；下封板14底部内嵌摩擦环16，摩擦环16与底部套筒17顶板紧密接触。地震作用下，承台1与管桩6产生多维相对位移时，连接装置中的环状碟形弹簧12变形与摩擦环16摩擦耗散部分地震能量，减小上部结构所受到的破坏。

如图3所示，软钢管8内部设置十字加劲板，以提高中心软钢管8屈服强度，避免软钢管8在水平强震作用下产生较大的弯曲变形而导致上部结构发生可能的倾覆震害，且相比于实心软钢更为经济。

所述玻璃球-石墨混合物，其玻璃球直径可以根据桩顶荷载大小及所需的摩擦系数来进行计算确定；所用石墨为普通的石墨粉，细度可以根据具体的工程等级和需要的摩擦系数来进行确定，原则上越小越好；玻璃球和石墨的体积比例应该以所选用的玻璃球堆积密度和堆积孔隙率来进行试验确定。所述挡土橡胶环可选用弹性良好的顺丁橡胶，一则防止地下水和土体进入连接装置内部，二则不会影响地震作用下管桩与承台之间的相对水平运动。所述摩擦环可采用改性超高分子量聚乙烯材料或者聚四氟乙烯材料，这两种材料摩擦性能稳定，价格相对便宜，且抗压强度高，可达60MPa，能满足连接装置竖向承载要求。

考虑到水平地震作用对建筑物的破坏程度远远大于竖向地震作用，施工过程中可根据地震烈度、震中距和场地条件等因素对耗能连接装置中的竖向隔震部分进行简化，仅保留水平减震部分，如去除玻璃球-石墨混合物，将碟形弹簧替换为叠层橡胶支座进行承压，并与下封板连接。另外，对于群桩基础，为降低造价，缩短工期，可选择在桩顶荷载较大的部分基桩桩顶安装连接装置。

下面结合附图对具体的施工过程进行说明：

一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置的施工方法，包括以下步骤：

A：沉桩：在沉桩施工之前，首先清除现场高空、地上及地下的障碍物，对危险构筑物进行加固，做好三通一平；随后确定桩基轴线，并将桩的准确位置测设到地面上；最后将管桩起吊，对中调直后利用压桩设备将管桩压至土层预定深度；

B：清除桩顶桩芯土：将开口式管桩桩顶部分桩芯土用高压水枪冲刷成泥浆并排出地面，并清除桩顶内壁浮浆，最后将桩内积水排出；

C：桩内填芯：清理填芯范围管桩内壁浮浆，涂刷水泥净浆、混凝土界面处理剂或者微膨胀混凝土，安装托板并放置钢筋笼，随后浇筑混凝土至预定高度；桩顶填芯采用与承台相同标号的混凝土；

D：施工扩大头：在混凝土扩大头外围铺设一层混凝土垫层，然后在内部设置纵横向钢筋，并支好模板，随后浇筑混凝土至与管桩桩顶齐平，即完成扩大头施工；

E：制作耗能连接装置：将摩擦环嵌入下封板凹槽中，并将上封板与中心钢圆筒按照示意图焊接连接；将环状碟形弹簧套设在中心钢圆筒外围，并与上、下封板焊接，保持上、下封板孔位竖向对齐；然后将上封板与外层钢圆筒按照示意图焊接连接，将软钢管伸入上封板中央孔位内并与之焊接固定；最后将限位挡环焊接在底部套筒边缘，并将挡土橡胶环粘贴在底部套筒外围；

F：安装耗能连接装置：首先将底部套筒套箍在混凝土扩大头外围；然后在管桩桩顶内部填充玻璃球-石墨混合物，将软钢管伸入管桩桩头玻璃球-石墨混合物中，并保证摩擦环与底部套筒顶板紧密接触；

G：施工承台：根据常规的承台施工工艺，施做垫层，布置纵横向钢筋，支模，浇筑混凝土和养护。

Claims (10)

1.一种管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：包括软钢管、上封板、中心钢圆筒、外层钢圆筒、环状碟形弹簧、下封板、限位挡环、摩擦环、挡土板、底部套筒；

软钢管上部连接承台，下部连接管桩；

软钢管外侧套接中心钢圆筒，中心钢圆筒顶部连接上封板，上封板外侧设有外层钢圆筒，在中心钢圆筒、上封板、外层钢圆筒围成的空间内设有环状碟形弹簧，环状碟形弹簧的底部连接下封板，上、下封板为内部空心的圆环结构，中心钢圆筒、外层钢圆筒为同轴的中空圆筒结构；软钢管底部伸入管桩桩头内，软钢管与管桩之间设有玻璃球-石墨混合物，该混合物底部为桩内填芯，桩内填芯与管桩紧密接触，底部套筒套设于管桩桩顶的混凝土扩大头外围；底部套筒与下封板之间设有摩擦环，底部套筒外侧与外层钢圆筒连接处设有挡土橡胶环，挡土橡胶环内侧设有限位挡环，限位挡环焊接在底部套筒顶部边缘。

2.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：所述中心钢圆筒和软钢管均与上封板焊接固定；所述环状碟形弹簧套设在中心钢圆筒外部，并与上、下封板连接。

3.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：所述中心钢圆筒内径与软钢管外径一致，底端与下封板间保留竖向间距，即通过在连接装置与管桩之间预留相对滑动空间，使碟形弹簧在竖向地震作用下能充分变形，以达到耗能减震的效果。

4.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：外层钢圆筒顶部与上封板焊接连接，下封板底部内嵌摩擦环，摩擦环与底部套筒的顶板紧密接触。

5.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：外层钢圆筒及上封板外表面布置有若干钢筋剪力键，钢筋剪力键垂直于外层钢圆筒或上封板，增强耗能连接装置与承台混凝土的粘结。

6.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：所述底部套筒为上端带有环形顶板的钢圆筒，筒高1.0m，直径与混凝土扩大头外径相同，套箍在桩顶混凝土扩大头上；套筒顶板与摩擦环紧密接触，中心孔洞直径与管桩内径一致。

7.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：在底部套筒与外层钢圆筒之间设置挡土橡胶环，其高度为20cm，内径与底部套筒外径一致，侧面与底部套筒粘连，防止土体和地下水进入连接装置内部。

8.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：所述玻璃球-石墨混合物，其玻璃球直径根据桩顶荷载大小及所需的摩擦系数来进行计算确定；所用石墨为普通的石墨粉，细度根据具体的工程等级和需要的摩擦系数来进行确定；玻璃球和石墨的体积比例应该以所选用的玻璃球堆积密度和堆积孔隙率来进行试验确定。

9.根据权利要求1所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置，其特征在于：所述挡土橡胶环选用顺丁橡胶；所述摩擦环采用改性超高分子量聚乙烯材料或者聚四氟乙烯材料，抗压强度高，达60MPa，能满足连接装置竖向承载要求。

10.一种权利要求1~9任一项所述的管桩桩顶摩擦-剪切型耗能连接装置的施工方法，其特征在于：

A：沉桩：在沉桩施工之前，首先清除现场高空、地上及地下的障碍物，对危险构筑物进行加固，做好三通一平；随后确定桩基轴线，并将桩的准确位置测设到地面上；最后将管桩起吊，对中调直后利用压桩设备将管桩压至土层预定深度；

B：清除桩顶桩芯土：将开口式管桩桩顶部分桩芯土用高压水枪冲刷成泥浆并排出地面，并清除桩顶内壁浮浆，最后将桩内积水排出；

C：桩内填芯：清理填芯范围管桩内壁浮浆，涂刷水泥净浆、混凝土界面处理剂或者微膨胀混凝土，安装托板并放置钢筋笼，随后浇筑混凝土至预定高度；桩顶填芯采用与承台相同标号的混凝土；

D：施工扩大头：在混凝土扩大头外围铺设一层混凝土垫层，然后在内部设置纵横向钢筋，并支好模板，随后浇筑混凝土至与管桩桩顶齐平，即完成扩大头施工；

E：制作耗能连接装置：将摩擦环嵌入下封板凹槽中，并将上封板与中心钢圆筒按照示意图焊接连接；将环状碟形弹簧套设在中心钢圆筒外围，并与上、下封板焊接，保持上、下封板孔位竖向对齐；然后将上封板与外层钢圆筒按照示意图焊接连接，将软钢管伸入上封板中央孔位内并与之焊接固定；最后将限位挡环焊接在底部套筒边缘，并将挡土橡胶环粘贴在底部套筒外围；

F：安装耗能连接装置：首先将底部套筒套箍在混凝土扩大头外围；然后在管桩桩顶内部填充玻璃球-石墨混合物，将软钢管伸入管桩桩头玻璃球-石墨混合物中，并保证摩擦环与底部套筒顶板紧密接触；

G：施工承台：根据常规的承台施工工艺，施做垫层，布置纵横向钢筋，支模，浇筑混凝土和养护。