CN114293540A - 高剪切预应力混凝土桩及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高剪切预应力混凝土桩，包括桩身，所述混凝土桩的桩身内设有预应力主筋和非预应力主筋，所述预制混凝土桩的全部主筋一端与连接管相连，另一端伸出预制混凝土桩的端面，形成主筋伸出部，进而形成桩连接的插接部，所述连接管设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，该连接管端口构成桩连接的套筒部，与预应力主筋相连的连接管内设有用于卡接主筋的卡固件。本发明所述的高剪切预应力混凝土桩真正实现了一根成桩的抗剪性能、抗弯性能和抗拔性能最优，且本发明所述的高剪切预应力混凝土桩的使用方法在连接处通过工程胶固定连接，兼有很强的耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种预制混凝土桩技术领域，具体涉及一种高剪切预应力混凝土桩及其使用方法。
背景技术
随着我国经济水平的不断提高，预制混凝土桩经历了开始从日本引进先进的产品、技术和工艺到独立自主研发新产品和新工艺的快速发展阶段，截至到目前我国已成为全球管桩产量最大、品种最多、规格最全、应用范围最广的国家之一。据统计，2020年我国预制混凝土桩产量为45362万米，同比增长5.44％。与此同时，对桩的竖向承载力以及抗弯、抗剪、抗拔的综合性能提出了更高的要求。为了获得更好的施工效果，现有技术的预制混凝土桩的桩端端板的焊接连接工艺在工程实践中由于焊接质量因人为因素得不到有效保障，且施工效率低，对环境造成污染。因此一种新型连接结构的预制混凝土桩急需被研制。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种高剪切预应力混凝土桩及其使用方法。本发明采用的技术手段如下：
一种高剪切预应力混凝土桩，包括桩身，所述混凝土桩的桩身内设有预应力主筋和非预应力主筋，所述预制混凝土桩的全部主筋一端与连接管相连，另一端伸出预制混凝土桩的端面，形成主筋伸出部，进而形成桩连接的插接部，所述连接管设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，该连接管端口构成桩连接的套筒部，所述主筋伸出部的长度大于或等于主筋直径的三倍，所述连接管的内部空间的长度大于或等于主筋直径的三倍，全部或部分与预应力主筋相连的连接管内设有用于卡接主筋的卡固件。
进一步地，所述主筋伸出部的长度小于或等于所述连接管的内部空间的长度。
进一步地，所述卡固件包括通过螺纹固定在连接管内的卡固件主体和设置于卡固件主体上的两个以上的弹性卡片，所述主筋的镦头能径向撑开两个以上的弹性卡片并穿过的两个以上的弹性卡片之间并通过弹性卡片的回弹实现卡接。
进一步地，与预应力主筋相连的连接管的内孔为设有螺纹的台阶孔，形成背向连接管端口的台阶面，用于对与台阶孔的大径部分螺纹配合的卡固件进行定位。
进一步地，所述连接管包括连接管主体和用于与主筋相连的连接部，所述连接部为径向向内的凸缘，所述凸缘能将主筋的镦头限位于连接管主体内，所述连接管主体的长度为60㎜以上。
进一步地，所述连接部为通过螺纹固定在连接管主体内侧的连接螺母。
进一步地，与预应力主筋连接的连接螺母朝向连接管主体内侧的一端的端面为内凹的锥形面，预应力主筋连接的连接螺母的另一端内侧为六角孔结构；与非预应力主筋连接的连接螺母的内侧和外侧均设有螺纹。
进一步地，所述锥形面的顶角为120度，所述连接螺母的径向长度为10㎜以上。
进一步地，所述连接管主体的两端内侧均设有螺纹。
一种本发明所述的高剪切预应力混凝土桩的使用方法，其特征在于：使用时，往桩连接的套筒部灌入结构胶，然后将桩连接的插接部插入桩连接的套筒部内，然后进行沉桩施工。
与现有技术比较，本发明所述的高剪切预应力混凝土桩实现了真正的成桩主筋同轴、一致连接，且连接部的强度强于主筋本身的强度，保证了连接后成桩的完整性，在承载力完全能满足施工要求的前提下，真正实现了一根成桩的抗剪性能、抗弯性能和抗拔性能最优。本发明所述的高剪切预应力混凝土桩的使用方法在连接处通过工程胶固定连接，工程胶通常都具备很好的防腐蚀性能，因而该预制混凝土桩成桩后还兼有很强的耐腐蚀性。
附图说明
图1是本发明实施例一的立体示意图
图2是图1的仰视图。
图3是图2的A-A剖视配筋示意图。
图4是本发明实施例所述的连接管的结构示意图。
图5是本发明实施例一的连接状态示意图。
图6是图5的B处放大图。
图7是本发明实施例二的立体示意图。
图8是本发明实施例二的主视示意图。
图9是图8的C-C剖视图。
图10是本发明实施例二的连接状态示意图。
图11是本发明实施例三的立体示意图。
图12是本发明实施例三的主视示意图。
图13是图12的D-D剖视图。
图14是本发明实施例三的连接状态示意图。
图15是现有技术的可连接方桩的立体示意图。
图16是图15的仰视图。
图17是图16的E-E剖视图。
具体实施方式
实施例一
如图1至图6所示，一种高剪切预应力混凝土桩，为管桩，包括桩身，所述混凝土桩的桩身内设有预应力主筋1a和非预应力主筋1b，本实施例中，预应力主筋为PC钢棒，非预应力主筋为螺纹钢。每根主筋1的一端与连接管2相连，另一端伸出预制混凝土桩的端面，形成主筋伸出部11，进而形成桩连接的插接部，所述连接管设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，该连接管2端口构成桩连接的套筒部，所述主筋伸出部11的长度大于或等于主筋直径的三倍，所述连接管的内部空间的长度大于或等于主筋直径的三倍。在一优选实施例中，所述主筋伸出部11的长度小于或等于所述连接管2 的内部空间的长度。本实施例中，所有预应力主筋均布分布，长度相同，保证预应力桩的预压力等效、预压力相同，保证均衡施压，保证桩的最优质量。
如图4所示，所述连接管2包括连接管主体21和用于与主筋1相连的连接部22，所述连接部22为径向向内的凸缘，所述凸缘能将主筋1的镦头限位于连接管主体21内，所述连接管主体21的长度为60㎜以上。在一优选实施例中，所述连接部22为通过螺纹固定在连接管主体内侧的连接螺母。与预应力主筋连接的连接螺母朝向连接管主体内侧的一端的端面为内凹的锥形面，预应力主筋连接的连接螺母的另一端内侧为六角孔结构，便于使用六角扳手进行旋扭安装。与非预应力主筋连接的连接螺母的内侧和外侧均设有螺纹，内螺纹用于与非预应力主筋(螺纹钢)相连，外螺纹用于与连接管主体21相连。所述锥形面的顶角为120度，所述连接螺母的径向长度为10㎜以上。所述连接管主体21的两端内侧均设有螺纹，一端用于安装连接螺母，另一端用于主筋的张拉，作为张拉孔使用，也可以通体设有内螺纹，进一步增强插接部和套筒部的连接强度。
本实施例中，全部或部分与预应力主筋相连的连接管2内设有用于卡接主筋1的卡固件23，与非预应力主筋相连的连接管2内不设置卡固件。本实施例中，所述卡固件23包括通过螺纹固定在连接管2内的卡固件主体231和设置于卡固件主体231上的两个以上的弹性卡片232，所述主筋1能穿过所述的两个以上的弹性卡片232之间并通过弹性卡片232的回弹实现卡接。具体地，弹性卡片232朝向连接螺母方向设置，预应力主筋为PC钢棒，钢棒镦头可以径向撑开多个弹性卡片232并穿过，之后弹性卡片回弹，卡住钢棒镦头，实现卡接。在一优选实施例中，与预应力主筋相连的连接管的连接管主体21的内孔为设有螺纹的台阶孔，形成朝向连接螺母的台阶面，用于对与大径部分螺纹配合的卡固件23进行轴向定位。在对本实施例的预制混凝土桩进行连接时，桩连接的套筒部灌入结构胶，然后将桩连接的插接部插入桩连接的套筒部内，在结构胶还没有凝固时，卡固件的设置，起到临时连接的作用，便于快速施工，保证工程进度。
实施例二
如图7至图10所示，一种高剪切预应力混凝土桩，为实心方桩，包括桩身，所述混凝土桩的桩身内设有预应力主筋1a和非预应力主筋1b，在本实施例中，靠近桩身四个角部的主筋为预应力主筋，其余主筋为非预应力主筋，预应力主筋的位置和数量可以根据实际需要进行均布设置或对称设置。每根主筋1的一端与连接管2相连，另一端伸出预制混凝土桩的端面，形成主筋伸出部11，进而形成桩连接的插接部，所述连接管2设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，该连接管端口构成桩连接的套筒部，所述主筋伸出部11的长度大于或等于主筋直径的三倍，所述连接管2的内部空间的长度大于或等于主筋直径的三倍。在一优选实施例中，所述主筋伸出部11的长度小于或等于所述连接管2的内部空间的长度。本实施例中，所有预应力主筋均布对称分布，且长度相同，保证预应力桩的预压力等效、预压力相同，保证均衡施压，保证桩的最优质量。本实施例中，与预应力主筋相连的连接管2内设有用于卡接主筋1的卡固件23，与非预应力主筋相连的连接管2内不设置卡固件。本实施例中连接管的结构与实施例一相同。
实施例三
如图11至图14所示，本实施例与实施例二的不同之处在于，靠近桩身四个角部的主筋为非预应力主筋，其余主筋为预应力主筋，预应力主筋的进行均布设置或对称设置。本实施例的其他结构与实施例十一相同。
实施例四
一种实施例一和实施例二所述的高剪切预应力混凝土桩的使用方法，使用时，往桩连接的套筒部灌入结构胶，然后将桩连接的插接部插入桩连接的套筒部内，然后进行沉桩施工。被插入桩为最底部的桩时，则被插入桩的底端主筋不伸出端面，可以在端面处设置与主筋相连的张拉套筒、也可以在底端设置桩尖(包括但不限于混凝土桩尖和钢桩尖)，也可以在底端设置端板。一个底桩可以依次连接一个或多个本发明实施例所述的预制混凝土桩。本实施例的施工方法过程中无需现场组装插接零部件，施工效率高。
本申请各实施例的高剪切预应力混凝土桩实现了真正的成桩主筋同轴、一致连接(如图5、图6、图10、图14所示，成桩后，所有单节桩的主筋通过本专利的连接方式连接为一体)，且连接部的强度强于主筋本身的强度(如表1、表2及表3所示，本专利所述预制混凝土桩连接结构测试结果表明，连接部在经过抗裂剪力试验、抗弯试验、抗拉实验中，连接处的强度是强于主筋本身的强度。连接管设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，连接管在桩身内起到主筋作用，其强度远大于主筋强度；同时如果主筋是预应力主筋时，连接管替代张拉螺母。由于本专利的连接为两根单桩无间隙连接，承载力主要取决于桩本身结构强度，因此这里不再赘述本专利承载力完全能满足施工要求)，最终真正实现了一根成桩的抗剪性能、抗弯性能和抗拔性能最优；由于连接处通过工程胶固定连接，工程胶通常都具备很好的防腐蚀性能，因而该预制混凝土桩成桩后还兼有很强的耐腐蚀性。
本专利施工时先将桩连接的套筒部灌入结构胶，然后将桩连接的插接部插入桩连接的套筒部内固定连接。此时单桩之间的连接力的大小通过握裹强度来计算评估。握裹强度越大一般用r＝p/3.14dL确定。p，为拔出力，d，钢筋直径， L，钢筋埋入长度。握裹力：一般用混凝土的握裹强度来表示。混凝土抵抗钢筋滑移能力的物理量，以它的滑移力除以握裹面积来表示(mpa)，一般情况下，握裹强度是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力，亦即是粘结应力。实际上，钢筋周围混凝土的应力及变形状态比较复杂，握裹力使钢筋应力随着钢筋握裹长度而变化，所以，握裹强度随着钢筋种类，外观形状以及在混凝土中的埋设位置，方向的不同而变化，也与混凝土自身强度有关，即混凝土抗压强度越高。工程胶的强度通常几倍于混凝土的强度，因而选择工程胶2倍以上桩身混凝土强度的工程胶，主筋伸如套筒并有效粘接(连接)长度大于或等于主筋直径的七倍就能完全满足连接处强度的要求。为验证，本专利申请前特别做了实验验证，验证结果如表1、表2及表3。
表1管桩抗裂剪力试验记录
表1为本专利所述预制混凝土桩的管桩实验记录，抗裂剪实验过程中，载荷力达到百分百时，连接处没有出现裂缝，桩身没有出现裂缝。载荷力达到110％时，荷结束时连接处没有出现裂缝，桩身第一次出现宽0.1㎜裂缝。说明连接结构处的强度远高于桩身的强度。
表2管桩抗弯试验记录
表2为本专利所述预制混凝土桩的管桩抗弯试验记录，抗弯实验过程中，载荷力达到百分百时，持荷时连接处没有出现裂缝，桩身没有出现裂缝。载荷力达到115％时，持荷结束时连接处没有出现裂缝，第一次出现裂缝。说明连接结构处的强度远高于桩身的强度。
表3为本专利所述预制混凝土桩的管桩拉力载荷检验报告，拉力载荷检验过程中，超过标准125KN的3个实验中，分别是①165.5KN时钢筋断裂，②150.3KN 时钢筋墩头部断裂，③162.8KN时钢筋断裂。
表3拉力载荷检验报告
现有的连接方式都无法达到本专利的使用效果，传统的辅筋插接连接方式存在辅筋4直接插接到预制混凝土桩主筋内的混凝土预留孔5中，如图15至图 17所示，施工时通过结构胶将二者粘接，辅筋4与混凝土连接，其桩身接头综合力学性能：抗剪、抗弯及抗拔性能远低于本专利，其仅适用于有竖向承载力要求的桩基础，且没有实现主筋在同一轴线连接；另外施工时间跟随胶的凝固时间而受限。传统的端头板焊接连接虽然满足了成桩抗剪、抗弯性能要求，但对于抗拔桩需特殊定制；电焊焊接连接时，要求其焊接满焊三遍，其焊接热量会对混凝土及钢筋墩头产生二次损伤。另外桩两端锚固端头板的构造成本和施工时焊接成本远高于本专利的实施成本，传统桩两端带端板预制混凝土桩也有悖于“节能减排、双碳政策”的大趋势；按行业平均桩长11米的计算方式，2020 年我国预制混凝土桩的产量为45362万延长米(数据来源，中国混凝土与水泥制品协会)计算，需要约8247万片端头板，即耗用约160余万吨钢铁，折算下来就需要大约100亿的开销，这些钢铁被取替后，每年会减少约288万吨的碳排放量(每吨粗钢铁大约排放1.8吨碳的标准计算得来)，因此本专利技术被实施后，在确保桩身综合力学性能优于带端板常规预制混凝土桩的同时，有效的降低了钢材耗用，每年至少会减少200余万吨的碳排放量。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高剪切预应力混凝土桩，包括桩身，其特征在于：所述混凝土桩的桩身内设有预应力主筋和非预应力主筋，所述预制混凝土桩的全部主筋一端与连接管相连，另一端伸出预制混凝土桩的端面，形成主筋伸出部，进而形成桩连接的插接部，所述连接管设置于桩身内且所述连接管远离主筋的一端端口朝向桩身的端面外侧，该连接管端口构成桩连接的套筒部，所述主筋伸出部的长度大于或等于主筋直径的三倍，所述连接管的内部空间的长度大于或等于主筋直径的三倍，全部或部分与预应力主筋相连的连接管内设有用于卡接主筋的卡固件。
2.根据权利要求1所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述主筋伸出部的长度小于或等于所述连接管的内部空间的长度。
3.根据权利要求1或2所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述卡固件包括通过螺纹固定在连接管内的卡固件主体和设置于卡固件主体上的两个以上的弹性卡片，所述主筋的镦头能径向撑开两个以上的弹性卡片并穿过的两个以上的弹性卡片之间并通过弹性卡片的回弹实现卡接。
4.根据权利要求3所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：与预应力主筋相连的连接管的内孔为设有螺纹的台阶孔，形成背向连接管端口的台阶面，用于对与台阶孔的大径部分螺纹配合的卡固件进行定位。
5.根据权利要求1或2所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述连接管包括连接管主体和用于与主筋相连的连接部，所述连接部为径向向内的凸缘，所述凸缘能将主筋的镦头限位于连接管主体内，所述连接管主体的长度为60㎜以上。
6.根据权利要求5所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述连接部为通过螺纹固定在连接管主体内侧的连接螺母。
7.根据权利要求6所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：与预应力主筋连接的连接螺母朝向连接管主体内侧的一端的端面为内凹的锥形面，预应力主筋连接的连接螺母的另一端内侧为六角孔结构；与非预应力主筋连接的连接螺母的内侧和外侧均设有螺纹。
8.根据权利要求7所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述锥形面的顶角为120度，所述连接螺母的径向长度为10㎜以上。
9.根据权利要求8所述的高剪切预应力混凝土桩，其特征在于：所述连接管主体的两端内侧均设有螺纹。
10.一种权利要求1至9中任意一项所述的高剪切预应力混凝土桩的使用方法，其特征在于：使用时，往桩连接的套筒部灌入结构胶，然后将桩连接的插接部插入桩连接的套筒部内，然后进行沉桩施工。
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