CN113006054A - 一种新型钢管灌注桩及其承载力和内力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型钢管灌注桩，采用一种经过防腐设计的钢管内设置钢筋笼，并浇注混凝土的结构形式，构成一种钢管与钢筋混凝土的组合结构。本申请还公开了一种新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，新型钢管灌注桩桩基承载力计算可结合钢管桩和灌注桩的计算方法，侧摩阻力参考钢管桩，端阻力参考灌注桩；在钢管灌注桩满足弹性长桩条件下，钢管和混凝土桩芯抵抗水平力的比值，与两种材料弯曲刚度比值相同。本发明的新型钢管灌注桩及其承载力和内力计算方法具有减少材料浪费，优化桩基截面，相比将达到弹性长桩条件的钢护筒仅当做临时设施，可降低工程造价约40％甚至50％，提高同桩径下灌注桩抵抗水平力的能力约80％。

Description

一种新型钢管灌注桩及其承载力和内力计算方法

技术领域

本发明涉及高桩码头设计领域。更具体地说，本发明涉及一种新型钢管灌注桩及其承载力和内力计算方法。

背景技术

在高桩码头设计领域，钢管桩和灌注桩都在各种码头设施建设中广泛应用，但是把钢管桩与灌注桩组合起来的钢管灌注桩却很少使用。即便灌注桩施工时使用钢护筒成孔，也会在灌注完成后，趁混凝土初凝前将其拔出，不仅工序复杂，而且容易与混凝土桩体造成扰动，或者将钢护筒留在土里却不参与受力计算，造成浪费。在此背景下，本申请提出一种外包钢管的灌注桩结构，即本申请的新型钢管灌注桩。同时由于钢管与灌注桩组合后受力分配不明确，计算复杂，而且钢结构防腐蚀性差，使用年限与灌注桩相差比较大，因此还未有人提出外侧具有预留钢管的灌注桩的承载力和内力计算方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新型钢管灌注桩及其承载力和内力计算方法，减少材料浪费，优化桩基截面，相比将达到弹性长桩条件的钢护筒仅当做临时设施，可降低工程造价约40％甚至50％，提高同桩径下灌注桩抵抗水平力的能力约80％。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种新型钢管灌注桩，包括下沉至设计标高的钢管，在钢管内设置钢筋笼，并浇注混凝土形成钢管与钢筋混凝土的组合结构，即新型钢管灌注桩。

优选的是，所述钢管由多节管节焊接而成，所述管节长度不小于1.5米且仅具有一条纵向焊缝，相邻管节的纵向焊缝错开90°。

优选的是，所述钢管表面设置有防腐层。

优选的是，所述钢筋笼包括主筋、加强筋和箍筋。

优选的是，所述钢管内在钢筋笼内侧环向一圈均匀间隔预埋有多根声测管，用于通过超声波检测桩身的完整性。

本发明还提供了一种新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，包括单桩轴向抗压承载力计算，其计算公式为：

其中，Q_d——轴向承载力设计值；

γ_R——分项系数；

U——桩身截面周长；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

ψ_p——端阻力效应系数；

q_R——极限桩端阻力标准值；

A——桩端截面面积。

优选的是，还包括单桩轴向抗拔承载力计算，其计算公式为：

其中，T_d——单桩抗拔极限承载力设计值；

γ_R——分项系数；

U——桩身截面周长；

ξ_i——折减系数；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

G——桩重力；

α——桩轴线与垂线夹角。

优选的是，还包括受水平力作用下弹性长桩内力计算，钢管灌注桩的入土长度L_t≥4T，计算公式分别为：

其中，F₁、F₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土所受水平力；

F——钢管灌注桩所受水平力；

E₁、E₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土材料弹性模量；

I₁、I₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土截面惯性矩。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本申请提供的新型钢管灌注桩，因为钢管为打入施工，且灌注混凝土为实心，因此，较同直径钢管桩和灌注桩桩基承载竖向力更大；弹性长桩条件下，钢管灌注桩中钢管和内部钢筋混凝土结构同时受力，抵抗水平荷载能力强；由于承载能力强，可以优化桩基截面，降低工程造价，尤其是水运工程设计中相比本来就需要设置钢护筒施工的灌注桩，具有更加明显的经济优势。相比将达到弹性长桩条件的钢护筒仅当做临时设施，可降低工程造价约40％甚至50％，提高同桩径下灌注桩抵抗水平力的能力约80％。

2、本申请提供的新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，按照弯曲刚度将外侧钢管和内侧灌注桩的受力条件区分清楚，也就是进一步为本申请这种组合结构的应用打下了基础，开阔了本领域灌注桩施工的一种新局面。

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为本发明钢管灌注桩典型断面图。

附图标记说明：

1、主筋，2、箍筋，3、加强筋，4、钢管，5、混凝土，6、声测管。

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所示，本发明提供一种新型钢管灌注桩，包括下沉至设计标高的钢管4，在钢管4内设置钢筋笼，并浇注混凝土5形成钢管4与钢筋混凝土5的组合结构，即新型钢管灌注桩。所述钢管4由多节管节焊接而成，所述管节长度不小于1.5米且仅具有一条纵向焊缝，相邻管节的纵向焊缝错开90°。所述钢管4表面设置有防腐层。所述钢筋笼包括主筋1、加强筋3和箍筋2，为常规的钢筋笼结构。所述钢管4内在钢筋笼内侧环向一圈均匀间隔预埋有多根声测管6，用于通过超声波检测桩身的完整性。

在上述技术方案中，现有技术中，高桩码头用的普通灌注桩都是要在水里施工，需要打设钢护筒，很多砂层比较厚的地质条件，钢护筒打的很长，拔不出来，导致钢护筒留在灌注桩的外侧；部分情况下，需要设置联系撑的桩上钢护筒也是不拔的。但是这两种情况不管是哪种，钢护筒只是作为临时设施，不参与受力计算，会导致极大地浪费，导致灌注桩桩截面做的很大，本申请事先就是施工一种钢管灌注桩，把钢管4承载力计算进去，与现有技术中的灌注桩存在本质区别。

具体为：采用一种经过防腐设计的钢管4内设置钢筋笼，并浇注混凝土5的结构形式，构成一种钢管4与钢筋混凝土5的组合结构。设计要点：①钢管灌注桩入土长度，需达到弹性长桩条件；②钢管4需采取防腐措施，使钢管4能与桩芯长期共同工作。

本申请中的钢管灌注桩施工需对钢管施工前进行防腐处理，具体施工过程及对应的要求简述如下：

(1)为保证钢管质量，在工厂整管制作，管身焊缝采用对接焊缝，管节长度应尽量加大，不得小于1.5m，每根管节只准有一条纵向焊缝，相邻管节的纵向焊缝必须错开90°。焊缝外观检查合格后，应进行焊缝无损探伤的检测。超声波和射线照相探伤结果符合国家标准《钢结构工程施工及验收规范》(GB50205-95)及《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB3323)的等级标准，焊缝质量等级要求达到二级；

(2)钢管应做防腐处理，涂油漆前，须将金属结构外露部分的毛刺、焊瘤、铁锈及其它附着物除净，表面处理应达到Sa2.5级。防腐涂层应符合《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS)；目前钢结构防腐蚀技术取得了长足的进步，技术种类主要包括涂层保护、金属热喷涂、阴极保护等。合理选用以上防腐蚀技术，结合单面腐蚀裕量法，即使是在海水环境中，仍然可以将防腐蚀设计使用年限提高到20年以上。钢结构在使用过程中，浪溅区和水位变动区的腐蚀环境最为恶劣，这两个区域可以根据腐蚀程度，方便对防腐涂层进行修补和维护。水下区、泥下区等防腐设施不易修补和维护区域，腐蚀性较小。通过良好的维护，钢结构可以在基础设施全寿命周期内，发挥作用。这为钢管灌注桩的大规模应用，并创造了良好条件。

(3)钢管段的下沉，施工前宜进行试沉桩，确定桩端达到设计标高的可行性，确定沉桩施工的锤型和停锤标准。钢管段下沉后，及时实施联系撑，进行抛石护底稳桩，并验算是否满足弹性长桩条件；

(4)成孔后应逐孔进行检测，检测内容包括孔位偏差、孔深、孔径、孔的垂直度、孔底沉渣厚度等。钢筋笼分节长度不宜小于7m，接头采用焊接，同一断面钢筋接头数量不大于主筋1数量的50％，钢筋笼下放孔内就位后，应尽快进行二次清孔，要求柱底沉渣厚度满足设计图纸的要求。

(5)水下砼采用导管法浇注，每根桩的水下砼应连续浇注，不得中断，严禁有夹层和断桩。施工时应控制浇注速度，以防止钢筋笼上浮，施工时如有必要可以采用合适的措施防止钢筋笼上浮。

(6)钢管灌注桩采用超声波检测桩身的完整性，被测桩数量应为总桩数的100％，超声波检测应符合国家现行行业标准的规定，可以请专门的港口工程质量检验单位进行检测。

本发明还提供一种新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，主要包括如下几个方面。

新型钢管灌注桩桩基承载力计算可结合钢管桩和灌注桩的计算方法，侧摩阻力参考钢管桩，端阻力参考灌注桩；在钢管灌注桩满足弹性长桩条件下，钢管和混凝土5桩芯抵抗水平力的比值，与两种材料弯曲刚度比值相同。

承载力及内力计算

(一)单桩轴向抗压承载力计算

钢管灌注桩因外套钢管与土体接触，因此，桩侧摩阻力计算与普通钢管桩相同。桩端摩阻力因钢管内灌注有混凝土5，可参照灌注桩计算，即：

Q_d——轴向承载力设计值；

γ_R——分项系数，规范中取值1.55-1.65；

U——桩身截面周长；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

ψ_p——端阻力效应系数；

q_R——极限桩端阻力标准值；

A——桩端截面面积。

(二)单桩轴向抗拔承载力计算

钢管灌注桩不作静载荷试桩条件，单桩抗拔承载力设计值可按下式计算，即：

T_d——单桩抗拔极限承载力设计值；

γ_R——分项系数，规范中取值1.55-1.65；

U——桩身截面周长；

ξ_i——折减系数；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

G——桩重力；

α——桩轴线与垂线夹角。

(三)受水平力作用下弹性长桩内力计算

钢管灌注桩满足弹性长桩条件下(入土长度L_t≥4T)，可采用假想嵌固点法进行内力计算。将钢管灌注桩看作是钢管桩和灌注桩的叠加，根据两者受力和与所受外力相等，位移相同，有如下两个方程：

F₁+F₂＝F………………………③

由④式可得：

即，各自所受水平力比值与各自弯矩刚度比值相同，并且联立③④式即可求得二者所受水平力，继而按照受力分别验算应力和配筋即可。

F₁、F₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土所受水平力；

F——钢管灌注桩所受水平力；

E₁、E₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土材料弹性模量；

I₁、I₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土截面惯性矩。

对上述新型钢管灌注桩承载力和内力计算方法及钢管防腐蚀性总结如下：

(一)钢管灌注桩桩基承载力可结合钢管桩和灌注桩的桩基承载力计算方法进行计算，因为钢管为打入施工，且灌注混凝土5为实心，因此，较同直径钢管桩和灌注桩桩基承载力更大；

(二)弹性长桩条件下，钢管灌注桩抵抗水平力，可按照叠加法计算，各自所受水平力比值与各自弯矩刚度比值相同；

(三)钢管灌注桩可以通过采取防腐蚀措施和后期的维护，与其内部灌注桩长期共同作用；

(四)钢管灌注桩可以有效地提高普通灌注桩和钢管桩抵抗水平力的能力，因此，可以通过减小桩基截面降低造价，和以往仅将钢管作为护筒临时设施的灌注桩相比更是减少了资源的浪费，具有极大优越性。

实例：

某码头工程水域采用1.2m直径的灌注桩，桩基入土深度15m，桩长20m，泥面以上悬臂长度5m，承受竖向力1000kN，水平力160kN，土层主要为砂层，嵌固点距泥面约6m，桩基弯矩达1760kN.m。

此种，工况下需设置1.2m的灌注桩，C30混凝土，配筋达21根直径25mm的HRB400级钢筋，并设置护筒20m长，直径1.4m，壁厚18mm。如采用钢管灌注桩，只需1m直径C30混凝土桩芯，配18根直径25mm的HRB400钢筋并采用1m直径，壁厚16mm的钢管，对钢管进行防腐处理，钢管灌注桩长度达20m。

通过本申请给出的计算方法计算如下：

钢管抵抗水平力：

桩芯混凝土抵抗水平力：

此时，钢管抵抗水平力78.13kN，弯矩859.43kN.m，应力71.8MPa<215mpa，满足要求；

桩芯混凝土抵抗水平力81.78kN，弯矩899.58kN.m，弯矩抗力达905kN.m。

材料对比表

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 (8)

1.一种新型钢管灌注桩，其特征在于，包括下沉至设计标高的钢管，在钢管内设置钢筋笼，并浇注混凝土形成钢管与钢筋混凝土的组合结构，即新型钢管灌注桩。

2.如权利要求1所述的新型钢管灌注桩，其特征在于，所述钢管由多节管节焊接而成，所述管节长度不小于1.5米且仅具有一条纵向焊缝，相邻管节的纵向焊缝错开90°。

3.如权利要求1所述的新型钢管灌注桩，其特征在于，所述钢管表面设置有防腐层。

4.如权利要求1所述的新型钢管灌注桩，其特征在于，所述钢筋笼包括主筋、加强筋和箍筋。

5.如权利要求1所述的新型钢管灌注桩，其特征在于，所述钢管内在钢筋笼内侧环向一圈均匀间隔预埋有多根声测管，用于通过超声波检测桩身的完整性。

6.一种新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，其特征在于，包括单桩轴向抗压承载力计算，其计算公式为：

其中，Q_d——轴向承载力设计值；

γ_R——分项系数；

U——桩身截面周长；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

ψ_p——端阻力效应系数；

q_R——极限桩端阻力标准值；

A——桩端截面面积。

7.如权利要求6所述的新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，其特征在于，还包括单桩轴向抗拔承载力计算，其计算公式为：

其中，T_d——单桩抗拔极限承载力设计值；

γ_R——分项系数；

U——桩身截面周长；

ξ_i——折减系数；

q_fi——极限侧摩阻力标准值；

l_i——穿过第i层土的厚度；

G——桩重力；

α——桩轴线与垂线夹角。

8.如权利要求6所述的新型钢管灌注桩的承载力和内力计算方法，其特征在于，还包括受水平力作用下弹性长桩内力计算，钢管灌注桩的入土长度L_t≥4T，计算公式分别为：

其中，F₁、F₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土所受水平力；

F——钢管灌注桩所受水平力；

E₁、E₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土材料弹性模量；

I₁、I₂——分别为钢管和灌注钢筋混凝土截面惯性矩。

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