CN109881665B - 高性能预制uhpc～phc组合桩柱一体结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构及其制备方法，应用于海洋环境，包括：PHC管桩、UHPC管桩和接头，所述接头将PHC管桩、UHPC管桩连接成一个整体；所述PHC管桩的长度设置为其上端为位于海洋中的浪溅区以下，其下端自泥面深入至持力层。本发明解决了现有海洋环境中管桩存在承载能力不足、沉桩质量差、使用寿命短的问题。

Description

高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域中的桩基础结构领域。更具体地说，本发明涉及一种高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构。

背景技术

目前，国家对远海岛礁的建设开发力度越来越大，基础结构建设是岛礁建设的关键。常规地质条件下，以打入桩、钻孔灌注桩和钢管复合桩为主的桩基设计理论和设计方法已较为完备。对于海洋腐蚀环境下的结构物基础的建设而言，目前主要采用钻孔灌注桩和大直径钢管桩，实践证明，在风高浪急的远海环境下，传统钻孔灌注桩存在工效低、自重大等问题，大直径钢管桩虽然能提高施工效率，但其造价高昂，且需进行长期耐腐蚀防护，经济性不佳。

为实现海洋腐蚀环境下结构物基础的高效、耐久建造，亟需开发一种采用新材料、新结构的桩基形式，提高基础工程的施工效率、耐久性和经济性。

发明内容

本发明的目的是提供高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构及其制备方法。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，应用于海洋环境，包括：PHC管桩、UHPC管桩和接头，所述接头将PHC管桩、UHPC管桩连接成一个整体；

所述PHC管桩的长度设置为其上端为位于海洋中的浪溅区以下，其下端自泥面深入至持力层。

优选的是，所述接头包括上钢套箍、下钢套箍、具有坡口的上端板和下端板，所述上钢套箍与UHPC管桩的下端连接，所述下钢套箍与所述PHC管桩的上端连接，上端板与上钢套箍的下端连接，下端板与下钢套箍的上端连接，所述上端板与所述下端板通过坡口焊接。

优选的是，所述PHC管桩、UHPC管桩和接头的外径相同。

优选的是，所述接头位于组合桩柱一体结构的反弯点以下。

优选的是，所述UHPC管桩中分布有钢纤维，所述钢纤维直径为0.15～0.25mm，长度为6～20mm。

优选的是，所述上钢套箍和下钢套箍的长度均为25～35cm；

所述上钢套箍与UHPC管桩的衔接端靠近其外壁处、下钢套箍与PHC管桩的衔接端靠近其外壁处均均匀形成有多个立柱，与立柱相邻处的上钢套箍衔接端靠近其内壁处以及下钢套箍衔接端靠近其内壁处形成多个卡槽；所述上钢套箍的另一端以及下钢套箍的另一端的内壁均间隔水平延伸形成多个第一钢隔板，所述第一钢隔板的长度2～3cm；

所述上钢套箍和下钢套箍中还设置有抗弯曲结构件，所述抗弯曲结构包括：两组钢纤维加密件和至少一对钢筋；一对钢筋相对设置且与上钢套箍或下钢套箍的内壁距离小于10cm；所述钢筋由上钢套箍或下钢套箍的衔接端至其另一端依次设置有水平向外的第二钢隔板、搭接件、加强筋和第三钢隔板，所述第二钢隔板垂直于钢筋固定，所述搭接件上具有与卡槽相匹配的凸块并搭设于所述上钢套箍或下钢套箍上，加强筋垂直于钢筋固定，第三钢隔板垂直于钢筋固定，两组钢纤维加密件分别穿过一对钢筋搭设于第二钢隔板和第三钢隔板上，所述第三钢隔板搭设于第一钢隔板上；

所述钢纤维加密件包括：三层由上至下间隔的钢网盘和侧网盘围设形成分层的圆柱状结构，相邻两个钢网盘之间的空间被钢网隔板由圆心向外周等分为多个储存空间，并在每个储存空间设置等量的长度为6～8cm的钢纤维，所述钢纤维的长度大于所述储存空间的最大宽度。

优选的是，钢纤维加密件中的钢纤维直径为0.4～0.5mm，其抗拉强度为2600kN～3000kN，弹性模量为260～290Gpa。

优选的是，所述接头表面涂覆有防腐镀锌层。

本发明还提供了一种高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、预制PHC管桩和UHPC管桩浇筑模具；

步骤二、安装上钢套箍和抗弯曲结构件，安装时，在一对钢筋上先焊接第三钢隔板并在一对钢筋上穿设一组钢纤维加密件，之后依次在一对钢筋上焊接加强筋、搭接件、第二钢隔板，最后穿设剩余一组钢纤维加密件，且使剩余一组钢纤维加密件位于上钢套箍衔接端上方20～25cm处；、下钢套箍和抗弯曲结构件安装方法与上钢套箍和抗弯曲结构件安装方法相同；

步骤三、将安装有抗弯曲结构件的上钢套箍安装进入UHPC管桩浇筑模具，并浇筑掺有钢纤维的UHPC混凝土，离心成型工艺制成UHPC管桩，UHPC混凝土中钢纤维的加入量为每立方米混凝土加入175kg；

将安装有抗弯曲结构件的下钢套箍安装进入PHC管桩浇筑模具，利用先张预应力离心成型工艺制成PHC管桩

步骤四、将PHC管桩和UHPC管桩焊接成一个整体。

本发明至少包括以下有益效果：

海洋腐蚀环境下结构物基础的建设对桩基的承载能力和耐久性提出了更高的要求，通过本发明的UHPC～PHC组合桩柱一体结构解决了现有海洋环境中管桩存在承载能力不足、沉桩质量差、使用寿命短的问题。

上部分UHPC管桩中分布了钢纤维，能增强其耐锤击性能，可有效避免PHC管桩沉桩过程中易出现纵横向裂缝的问题，同时提升承载力和耐久性。下部分PHC管桩自泥面深入至持力层，将接头设置在反弯点及以下能够解决PHC管桩出现弯曲裂缝的问题，从而提高了整个桩体的耐久性。通过在接头设置抗弯曲结构件能克服PHC管桩在接头处出现弯曲裂缝的问题，将其和接头设置于反弯点以下结合应用，进一步提高了整个桩体的耐久性。高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构能充分发挥强度高、耐久性好的特点，提升其承载能力和耐久性，在防腐要求相对低的节段采用PHC管桩，可改善组合桩的经济性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构的结构示意图；

图2是接头的结构示意图；

图3是上、下端板处坡口的结构示意图；

图4是抗弯曲结构件和上钢套箍的连接示意图。

1上部结构，2UHPC管桩，3接头，4PHC管桩，31上钢套箍，32上端板，33坡口，311立柱，312卡槽，313第一钢隔板，5抗弯曲结构件，51钢纤维加密件，52第二钢隔板，53搭接件，54加强筋，55钢筋，56第三钢隔板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～4所示，本发明提供一种高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，应用于海洋环境，包括：PHC管桩4、UHPC管桩2和接头3，所述接头3将PHC管桩4、UHPC管桩2连接成一个整体；

所述PHC管桩4的长度设置为其上端为位于海洋中的浪溅区以下，其下端自泥面深入至持力层。

在上述技术方案中，由于海水本身是一种强腐蚀介质，在浪溅区由于风浪、潮汐等作用其腐蚀速率最高，将UHPC管桩2上至浪溅区能够有效提高组合桩柱一体结构的强度和耐久性，UHPC管桩2的上部可以连接所需的上部结构1。

在另一种技术方案中，所述接头3包括上钢套箍31、下钢套箍、具有坡口33的上端板32和下端板，所述上钢套箍31与UHPC管桩2的下端连接，所述下钢套箍与所述PHC管桩4的上端连接，上端板32与上钢套箍31的下端连接，下端板与下钢套箍的上端连接，所述上端板32与所述下端板通过坡口33焊接。

在上述技术方案中，由于PHC管桩4、UHPC管桩2均是在工厂提前预制好的，为了方便两者的连接，避免打孔增加腐蚀度，设计了本申请的接头3将PHC管桩4和UHPC管桩2无孔连接。

在另一种技术方案中，所述PHC管桩4、UHPC管桩2和接头3的外径相同。

在另一种技术方案中，所述接头3位于组合桩柱一体结构的反弯点以下，能够减少PHC管桩4出现弯曲裂缝的问题，从而提高了整个桩体的耐久性。

在另一种技术方案中，所述UHPC管桩2中分布有钢纤维，所述钢纤维直径为0.15～0.25mm，长度为6～20mm，长短结合，其参量为一方混凝土中加入175kg的量。添加钢纤维能增强UHPC管桩2耐锤击性能，可有效避免PHC管桩4沉桩过程中易出现纵横向裂缝的问题，同时提升承载力和耐久性。

在另一种技术方案中，所述上钢套箍31和下钢套箍的长度均为25～35cm；

所述上钢套箍31与UHPC管桩2的衔接端靠近其外壁处、下钢套箍与PHC管桩4的衔接端靠近其外壁处均均匀形成有多个立柱311，与立柱311相邻处的上钢套箍31衔接端靠近其内壁处以及下钢套箍衔接端靠近其内壁处形成多个卡槽312；所述上钢套箍31的另一端以及下钢套箍的另一端的内壁均间隔水平延伸形成多个第一钢隔板313，所述第一钢隔板313的长度2～3cm。上钢套箍31的另一端与下钢套箍的另一端通过上、下端板焊接。

所述上钢套箍31和下钢套箍中还设置有抗弯曲结构件5，所述抗弯曲结构包括：两组钢纤维加密件51和至少一对钢筋55；一对钢筋55相对设置且与上钢套箍31或下钢套箍的内壁距离小于10cm；所述钢筋55由上钢套箍31或下钢套箍的衔接端至其另一端依次设置有水平向外的第二钢隔板52、搭接件53、加强筋54和第三钢隔板56，所述第二钢隔板52垂直于钢筋55固定，所述搭接件53上具有与卡槽312相匹配的凸块并搭设于所述上钢套箍31或下钢套箍上，加强筋54垂直于钢筋55固定，第三钢隔板56垂直于钢筋55固定，两组钢纤维加密件51分别穿过一对钢筋55搭设于第二钢隔板52和第三钢隔板56上，所述第三钢隔板56搭设于第一钢隔板313上；

所述钢纤维加密件51包括：三层由上至下间隔的钢网盘和侧网盘围设形成分层的圆柱状结构，相邻两个钢网盘之间的空间被钢网隔板由圆心向外周等分为多个储存空间，并在每个储存空间设置等量的长度为6～8cm的钢纤维，所述钢纤维的长度大于所述储存空间的最大宽度。是钢纤维能够按照大致的方向排列，增加钢纤维的有效利用度。

在上述技术方案中，尽管在UHPC管桩2中分布有钢纤维，能增强UHPC管桩2耐锤击性能，可有效避免PHC管桩4沉桩过程中易出现纵横向裂缝的问题，但PHC管桩4接头3处会出现弯曲裂缝，随着海水的进一步腐蚀，海水逐渐侵入接头3内，钢板会发生锈蚀，最终影响整个桩柱的使用寿命，通过实验发现，将接头3设置在整个桩柱的反弯点以下，在相同的实验条件下，弯曲裂缝相较于接头3设置在反弯点以上的弯曲裂缝平均由3.2mm缩小至0.8mm，当采用抗弯曲结构件5于接头3上，并将接头3设置在反弯点以下时，相同实验条件下，PHC管桩4对应接头3处的弯曲裂缝没有出现。

在另一种技术方案中，钢纤维加密件51中的钢纤维直径为0.4～0.5mm，其抗拉强度为2600kN～3000kN，弹性模量为260～290Gpa。

在另一种技术方案中，所述接头3表面涂覆有防腐镀锌层。

本发明还提供了一种高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、预制PHC管桩4和UHPC管桩2浇筑模具；

步骤二、安装上钢套箍31(上端板32和上钢套箍31已经连接成一个整体)和抗弯曲结构件5，安装时，在一对钢筋55上先焊接第三钢隔板56并在一对钢筋55上穿设一组钢纤维加密件51，之后依次在一对钢筋55上焊接加强筋54、搭接件53、第二钢隔板52，最后穿设剩余一组钢纤维加密件51，且使剩余一组钢纤维加密件51位于上钢套箍31衔接端上方20～25cm处；下钢套箍和抗弯曲结构件5安装方法与上钢套箍31和抗弯曲结构件5安装方法相同；

步骤三、将安装有抗弯曲结构件5的上钢套箍31安装进入UHPC管桩2浇筑模具，并浇筑掺有钢纤维的UHPC混凝土，离心成型工艺制成UHPC管桩2，UHPC混凝土中钢纤维的加入量为每立方米混凝土加入175kg；

将安装有抗弯曲结构件5的下钢套箍安装进入PHC管桩4浇筑模具，利用先张预应力离心成型工艺制成PHC管桩4

步骤四、将PHC管桩4和UHPC管桩2焊接成一个整体。

实验对比

同等直径下UHPC管桩与PHC管桩承载能力对比

采用《预应力混凝土管桩》(10G409)图集中的计算公式，以外径800mm、壁厚110mm的A型PHC管桩为参照，对比其与外径800mm、壁厚90mmUHPC管桩的承载能力。

采用外径800mm、壁厚90mm以下三种类型的管桩在海洋环境中的使用寿命如下表。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，应用于海洋环境，其特征在于，包括：PHC管桩、UHPC管桩和接头，所述接头将PHC管桩、UHPC管桩连接成一个整体；

所述PHC管桩的长度设置为其上端为位于海洋中的浪溅区以下，其下端自泥面深入至持力层；

所述接头包括上钢套箍、下钢套箍、具有坡口的上端板和下端板，所述上钢套箍与UHPC管桩的下端连接，所述下钢套箍与所述PHC管桩的上端连接，上端板与上钢套箍的下端连接，下端板与下钢套箍的上端连接，所述上端板与所述下端板通过坡口焊接；

所述UHPC管桩中分布有钢纤维，所述钢纤维直径为0.15～0.25mm，长度为6～20mm；

所述上钢套箍和下钢套箍的长度均为25～35cm；

所述上钢套箍与UHPC管桩的衔接端靠近其外壁处、下钢套箍与PHC管桩的衔接端靠近其外壁处均均匀形成有多个立柱，与立柱相邻处的上钢套箍衔接端靠近其内壁处以及下钢套箍衔接端靠近其内壁处形成多个卡槽；所述上钢套箍的另一端以及下钢套箍的另一端的内壁均间隔水平延伸形成多个第一钢隔板，所述第一钢隔板的长度2～3cm；

所述上钢套箍和下钢套箍中还设置有抗弯曲结构件，所述抗弯曲结构包括：两组钢纤维加密件和至少一对钢筋；一对钢筋相对设置且与上钢套箍或下钢套箍的内壁距离小于10cm；所述钢筋由上钢套箍或下钢套箍的衔接端至其另一端依次设置有水平向外的第二钢隔板、搭接件、加强筋和第三钢隔板，所述第二钢隔板垂直于钢筋固定，所述搭接件上具有与卡槽相匹配的凸块并搭设于所述上钢套箍或下钢套箍上，加强筋垂直于钢筋固定，第三钢隔板垂直于钢筋固定，两组钢纤维加密件分别穿过一对钢筋搭设于第二钢隔板和第三钢隔板上，所述第三钢隔板搭设于第一钢隔板上；

所述钢纤维加密件包括：三层由上至下间隔的钢网盘和侧网盘围设形成分层的圆柱状结构，相邻两个钢网盘之间的空间被钢网隔板由圆心向外周等分为多个储存空间，并在每个储存空间设置等量的长度为6～8cm的钢纤维，所述钢纤维的长度大于所述储存空间的最大宽度。

2.如权利要求1所述的高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，其特征在于，所述PHC管桩、UHPC管桩和接头的外径相同。

3.如权利要求1所述的高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，其特征在于，所述接头位于组合桩柱一体结构的反弯点以下。

4.如权利要求1所述的高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，其特征在于，钢纤维加密件中的钢纤维直径为0.4～0.5mm，抗拉强度为2600kN～3000kN，弹性模量为260～290Gpa。

5.如权利要求1所述的高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构，其特征在于，所述接头表面涂覆有防腐镀锌层。

6.如权利要求1～5任一所述的高性能预制UHPC～PHC组合桩柱一体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、预制PHC管桩和UHPC管桩浇筑模具；

步骤二、安装上钢套箍和抗弯曲结构件，安装时，在一对钢筋上先焊接第三钢隔板并在一对钢筋上穿设一组钢纤维加密件，之后依次在一对钢筋上焊接加强筋、搭接件、第二钢隔板，最后穿设剩余一组钢纤维加密件，且使剩余一组钢纤维加密件位于上钢套箍衔接端上方20～25cm处；下钢套箍和抗弯曲结构件安装方法与上钢套箍和抗弯曲结构件安装方法相同；

步骤三、将安装有抗弯曲结构件的上钢套箍安装进入UHPC管桩浇筑模具，并浇筑掺有钢纤维的UHPC混凝土，离心成型工艺制成UHPC管桩，UHPC混凝土中钢纤维的加入量为每立方米混凝土加入175kg；

将安装有抗弯曲结构件的下钢套箍安装进入PHC管桩浇筑模具，利用先张预应力离心成型工艺制成PHC管桩

步骤四、将PHC管桩和UHPC管桩焊接成一个整体。