CN115613560A - 钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱、支护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱、支护结构及施工方法。该钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，包括钢管混凝土柱、预应力管桩和连接件。钢管混凝土柱中的钢管柱与预应力管桩分别与连接件连接，通过连接件连接成一体，再在钢管柱内浇筑混凝土形成钢管混凝土柱。连接件采用混凝土填芯钢结构，两端的上钢管与下钢管分别插入钢管柱与预应力管桩孔内一定深度后，已可形成可靠的铰接节点，可满足立柱的抗剪和承压要求。连接件还与钢管柱和预应力管桩采用焊接和螺栓连接固定，提供一定的抗剪和抗弯承载力。本发明具有施工方便，节约造价，缩短工期的优点。

Description

钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱、支护结构及施 工方法

技术领域

本发明属于基坑围护领域，具体涉及一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱、支护结构及施工方法。

背景技术

随着城市地下空间的开发，深基坑越来越多。深基坑常采用围护桩(墙)加钢筋混凝土支撑的支护结构。钢筋混凝土支撑的立柱，主要采用钢格构柱(或钢管柱、型钢柱、钢管混凝土柱)和钻孔灌注桩的组合立柱。当工程桩也为钻孔灌注桩时，工程桩和立柱桩可以一起施工，另外立柱可以借用位置合适的工程桩作为立柱桩，不需要新打设立柱桩，降低造价。但是当工程桩为预应力管桩时，立柱桩采用钻孔灌注桩，则工程桩和立柱桩为两种不同的桩型，施工麻烦，工期长；且立柱桩不能借用工程桩，需要全部新打设立柱桩，造价也高。

因此，亟需提供一种新的采用预应力管桩作为立柱桩的的支撑立柱及施工方法。

发明内容

本发明的目的在于解决钢管混凝土立柱与预应力管桩的连接问题以及立柱和立柱桩外形不一致的施工夹桩送桩问题，并提供一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱及其施工方法，本发明中将钢管混凝土柱与预应力管桩通过连接件连接，连接件在工厂批量预制，质量可靠，施工方便，造价低。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其包括钢管混凝土柱、预应力管桩和连接件；

所述连接件包括上钢管、下钢管、连接钢板、定位导向器和混凝土内芯；所述连接钢板为圆环形，外径与预应力管桩的外径相同，内径小于上钢管和下钢管的内径；上钢管同轴装配于连接钢板的顶面，且上钢管内壁与连接钢板顶面之间在连接位置设有上加劲板，下钢管同轴装配于连接钢板的底面，且下钢管内壁与连接钢板底面之间在连接位置设有下加劲板；所述连接钢板中位于上钢管和下钢管的装配区域外围的环形边缘作为连接区域，所述连接区域上开设有连接孔，连接孔与预应力管桩顶部上的螺栓一一对应；所述下钢管底部安装有定位导向器；所述定位导向器为一个具有倾斜侧面且顶部敞口而底部封口的结构件，其顶面固定连接在下钢管底端且顶面的外周不凸出于下钢管底端外周，其侧面由顶到底逐渐向下钢管的轴线倾斜；所述混凝土内芯填充于整个连接件的内部空间中；

所述钢管混凝土柱由钢管柱内浇筑管内混凝土形成；所述预应力管桩的顶部装有螺栓；所述钢管混凝土柱和预应力管桩之间通过所述连接件连接为一体，其中所述连接件的上钢管同轴装配固定于钢管柱底端内部，所述下钢管和定位导向器伸入预应力管桩内腔的顶部开口中，所述连接钢板贴合预应力管桩的顶部端板，且安装在端板上的螺栓穿过所述连接区域上的连接孔构成螺栓固定。

作为上述第一方面的优选，所述定位导向器成倒锥形或倒圆台形。

作为上述第一方面的优选，所述定位导向器的顶面外径与所述下钢管的外径相等。

作为上述第一方面的优选，所述上加劲板和下加劲板分别沿环向均匀布设多块。

作为上述第一方面的优选，所述上钢管的外径比钢管柱的内径小3～10mm。

作为上述第一方面的优选，所述下钢管的外径比预应力管桩的内径小10～30mm。

作为上述第一方面的优选，所述上钢管和下钢管均通过焊接方式固定在所述连接钢板上。

作为上述第一方面的优选，所述连接钢板与钢管混凝土柱和预应力管桩顶部端板之间均通过焊接固定。

第二方面，本发明提供了一种基坑支护结构，其包括如上述第一方面任一方案所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，以及与所述支撑立柱配合连接的顶部支撑梁、中间支撑梁和地下室底板；

若干条所述支撑立柱垂直沉桩进入基坑区域土层中，其中预应力管桩沉入基坑的地下室底板的标高以下，而钢管混凝土柱穿过地下室底板延伸至顶部支撑梁标高范围内；所述支撑立柱通过钢管混凝土柱与基坑中的顶部支撑梁、中间支撑梁和地下室底板进行连接形成基坑支护结构；

所述钢管混凝土柱上与顶部支撑梁和中间支撑梁的搭接范围内均沿钢管柱外壁面固定若干抗剪栓钉，抗剪栓钉嵌入对应支撑梁的梁内混凝土中，从而使顶部支撑梁和中间支撑梁连接于钢管混凝土柱上；且钢管混凝土柱上在顶部支撑梁和中间支撑梁的每一个纵向钢筋标高位置分别设置一个加强外环板，各加强外环板所在位置的支撑梁纵向钢筋需要经过钢管混凝土柱时，在钢管混凝土柱两侧截断后分别焊接固定在加强外环板上形成传力结构；

所述钢管混凝土柱上穿过地下室底板的高度范围内沿钢管柱外壁面固定一个环形的止水钢板，止水钢板内嵌于地下室底板的混凝土层中形成止水结构。

作为上述第二方面的优选，当利用工程桩作为立柱桩时，在钢管柱上底板标高范围内的钢管外壁上焊接若干抗拔栓钉，从而使地下室底板与钢管混凝土柱形成可靠连接。

进一步优选的，当立柱桩所利用的工程桩为抗拔桩时，可在连接件的连接钢板上沿周向均布焊接锚固钢筋，以加强桩顶与承台的连接。

第三方面，本发明提供了一种如上述第二方面所述基坑支护结构的施工方法，其包括：

S1、将预制好的预应力管桩、连接件、送桩装置以及钢管柱转运至施工现场；

所述送桩装置包括送桩器、钢丝绳和若干定位夹块，其中送桩器为一条与预应力管桩具有相同外径的钢管；钢丝绳固定于送桩器的顶端，用于张拉固定钢管柱的顶端；定位夹块为能嵌合安装在送桩器底端的楔子，环绕分布固定住钢管柱底部；

S2、先将连接件的上钢管插入钢管柱底端，并将钢管柱和连接件上的连接钢板焊接固定，形成第一焊缝；

S3、将送桩器同轴套在钢管柱的外侧，然后用钢丝绳把钢管柱顶端和送桩器顶端张拉连接，并用定位夹块嵌入送桩器底端和钢管柱底部之间的环形空间中，从而相对固定送桩器和钢管柱，防止在送桩器的起吊过程中钢管柱发生晃动；

S4、将预应力管桩起吊至基坑地面的目标桩位，然后通过沉桩工艺将其沉桩至仅桩顶露出地面，再在预应力管桩端板孔内安装螺栓；

S5、整体起吊送桩器和带有连接件的钢管柱，将钢管柱对准预应力管桩后逐渐下放，在连接件中的定位导向器的倾斜侧面引导下，使连接件上的下钢管整体插入预应力管桩桩孔内，同时将连接钢板上的连接孔对准套入预应力管桩顶部端板上的螺栓上，用螺帽将连接件的连接钢板与预应力管桩的端板连接固定，最后将连接钢板与预应力管桩的端板焊接固定，形成第二焊缝；

S6、将钢管混凝土柱、连接件和预应力管桩组合形成的支撑立柱继续整体沉桩到设计标高，保持钢管混凝土柱顶部标高位于基坑的顶部支撑梁标高范围内；

S7、在基坑土方开挖之前，向钢管柱内浇筑管内混凝土，形成钢管混凝土柱；

S8、对基坑进行土方开挖，并在开挖至施工顶部支撑梁所需的深度时，在顶部支撑梁的标高范围内的钢管柱外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉，同时在钢管柱上位于顶部支撑梁的纵向钢筋标高位置设置加强外环板，然后对顶部支撑梁进行钢筋绑扎和支模，其中顶部支撑梁内需要经过钢管混凝土柱的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱两侧截断后分别焊接固定在加强外环板上形成传力结构，最后对顶部支撑梁进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉被嵌入固定在顶部支撑梁的梁内混凝土中，形成顶部支撑梁和钢管混凝土柱的可靠连接；

S9、完成顶部支撑梁的施工后，继续对基坑进行土方开挖，并跟随开挖深度在每次开挖至施工中间支撑梁所需的深度时，在中间支撑梁的标高范围内的钢管柱外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉，同时在钢管柱上位于中间支撑梁的纵向钢筋标高位置设置加强外环板，然后对中间支撑梁进行钢筋绑扎和支模，其中中间支撑梁内需要经过钢管混凝土柱的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱两侧截断后分别焊接固定在加强外环板上形成传力结构，最后对中间支撑梁进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉被嵌入固定在中间支撑梁的梁内混凝土中，形成中间支撑梁和钢管混凝土柱的可靠连接；

S10、完成所有中间支撑梁的施工后，继续对基坑进行土方开挖，直至达到基坑底部设计标高，然后在地下室底板的标高范围中间位置环绕钢管柱外壁面焊接固定一个环形的止水钢板，最后浇筑形成地下室底板；

S11、待基坑内的各支撑梁拆除后，对基坑内多余的钢管混凝土柱进行切除并回收钢管。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)连接节点强度高、质量可靠。

本发明的钢管柱与预应力管桩连接采用连接件连接，连接件采用混凝土填芯钢结构，截面抗剪强度高；而且通过工厂预制，工厂内施焊采用探伤检验，质量有保障。连接件两端的上钢管与下钢管分别插入钢管柱与预应力管桩孔内一定深度，以可形成可靠的铰接节点，可满足立柱的抗剪和承压要求。连接件还与钢管柱和预应力管桩采用焊接和螺栓连接固定，提供一定的抗剪和抗弯承载力。本发明形成的连接节点可靠，强度高。

(2)施工方便。

连接件构造简单，可在工厂批量加工制作。

本发明中连接件与钢管柱、预应力管桩的现场连接方便。在地面将连接件插入钢管柱后焊接固定，再用送桩器将钢管柱与连接件吊住，定位导向器对准地面位置的桩孔插入连接，再用焊缝和螺栓固定，现场施焊少、操作方便。

(3)立柱桩沉桩方便。

采用与预应力管桩相同外径的送桩器套在钢管柱上，将钢管柱与预应力管桩组合立柱沉入设计标高，解决了预应力管桩和钢管柱外径不同带来的送桩过程中的夹桩问题。立柱桩沉桩适用各种常规的预制桩沉桩设备，沉桩方便。

(4)节约造价，缩短工期。

本发明中当工程桩为预制管桩时，采用钢管柱与预应力管桩组合支撑立柱，预应力管桩立柱桩施工快，单价低，并且可以与工程桩一起施工，无需另外组织钻孔灌注桩施工，充分发挥对现有资源的利用，减少施工组织的麻烦，施工费用也降低。

(5)绿色环保，减少环境污染。

本发明中立柱桩采用预应力管桩，对比常用的钻孔灌注桩，不产生泥浆和噪音污染，绿色环保。

附图说明

图1为钢管混凝土柱与预应力管桩连接节点剖面图。

图2为连接件剖面图。

图3为钢管混凝土柱与顶部支撑梁连接节点图。

图4为钢管混凝土柱与中间支撑梁连接节点图。

图5为钢管混凝土柱和预应力管桩组合立柱与底板的连接节点图。

图6为钢管与送桩装置连接示意图。

图7为立柱桩利用工程桩时，钢管混凝土柱和预应力管桩组合立柱与底板的连接节点图。

图中附图标记为：钢管混凝土柱1、钢管柱11、管内混凝土12、预应力管桩2、连接件3、上钢管31、下钢管32、连接钢板33、定位导向器34、混凝土内芯35、上加劲板36、下加劲板37、送桩装置4、送桩器41、钢丝绳42、定位夹块43、连接件与支撑立柱连接结构5、第一焊缝51、螺栓52、第二焊缝53、顶部支撑梁6、顶部支撑梁下部纵向钢筋61、中间支撑梁7、中间支撑梁上部纵向钢筋71、中间支撑梁下部纵向钢筋72、支撑梁与钢管柱连接8、抗剪栓钉81、加强外环板82、加强内环板83、地下室底板9、底板与支撑立柱连接10、止水钢板101、抗拔栓钉102、锚固钢筋103

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其主要结构包括钢管混凝土柱1、预应力管桩2和连接件3三部分。另外，为了实现各部分之间的连接，还该支撑立柱中还存在作为辅助的连接件与支撑立柱连接结构5。下面分别对三部分结构的具体实现形式和配合作动关系进行详细描述。

参见图2所示，连接件3包括上钢管31、下钢管32、连接钢板33、定位导向器34、混凝土内芯35、上加劲板36和下加劲板37，一般在工厂批量预制加工后转运至施工现场。其中，连接钢板33作为其他组件的安装载体，为一块圆环形的钢板，圆环形钢板的外径与预应力管桩2的外径相同，而圆环形钢板的内径均小于上钢管31和下钢管32的内径。上钢管31同轴装配于连接钢板33的顶面，且连接钢板33的内环有一段环体伸入上钢管31内部。上钢管31内壁与连接钢板33伸入上钢管31内部的这一段环体顶面之间在搭接位置设有上加劲板36。上加劲板36可以绕着圆周方向均匀设置多块，其作用是起到强化上钢管31与连接钢板33之间连接强度的作用。每块上加劲板36呈梯形，可焊接固定在上钢管31与连接钢板33构成的阴角位置。同样的，下钢管32同轴装配于连接钢板33的底面，且由于圆环形钢板的内径小于下钢管32的内径，因此连接钢板33的内环也有一段环体伸入下钢管32内部。下钢管32内壁与连接钢板33底面之间也在连接位置设有下加劲板37。下加劲板37也可以绕着圆周方向均匀设置多块，其作用是起到强化下钢管32与连接钢板33之间连接强度的作用。每块下加劲板37呈梯形，可焊接固定在下钢管32与连接钢板33构成的阴角位置。

在该连接件3中，上钢管31用于与钢管混凝土柱1进行连接，而下钢管32则用于与预应力管桩2进行连接。在基坑施工过程中，一般需要先将预应力管桩2沉入地基土层中，然后再连接钢管混凝土柱1继续进行沉桩。因此，该连接件3在使用时，需要先套在钢管混凝土柱1的底部，钢管混凝土柱1内的混凝土先不浇筑，待后续沉桩完毕后再进行浇筑。因此上钢管31先插入钢管柱11的底部，钢管柱11顶在连接钢板33的顶面上，然后对钢管柱11和连接钢板33进行焊接，形成角焊缝形式的第一焊缝51。完成钢管柱11与连接件3的安装后，再将带有连接件3的钢管混凝土柱1整体装配至预应力管桩2顶部，最后将连接件3与预应力管桩2进行连接固定。由于预应力管桩2顶部一般会设置端板，并且端板上带有螺栓孔，因此本发明的连接件3可通过连接钢板33与预应力管桩2顶部端板进行连接。具体而言，连接钢板33的外径要大于上钢管31和下钢管32的外径，因此连接钢板33中位于上钢管31和下钢管32的装配区域外围具有一圈环形边缘，这一圈环形边缘可以作为与预应力管桩2顶部端板进行连接的连接区域。预应力管桩2顶部端板孔内可以设置螺栓52，而连接钢板33的外围连接区域上则可以开设有对应的连接孔，连接孔与预应力管桩(2)顶部的螺栓52位置一一对应。在将连接件3与预应力管桩2进行连接固定时，可以将连接件3的下钢管32插入预应力管桩2的桩孔顶部，然后使连接钢板33上的连接孔对准预应力管桩2顶部端板上的螺栓52后落位，再将螺母拧入螺栓52中，实现连接钢板33与端板的锁紧固定。同时，为了加强连接节点位置的强度，可以对连接钢板33与端板进行焊接，形成环形的第二焊缝53。

另外，为了保证连接件3与钢管混凝土柱1和预应力管桩2之间的装配紧密性，上钢管31与钢管柱11、下钢管32与预应力管桩2之间的缝隙应当尽可能小，避免相互之间发生移位倾斜。作为一种优选方式，上钢管31的外径比钢管柱11的内径小3～10mm，进一步优选为5mm；下钢管32的外径比预应力管桩2的内径小10～30mm，进一步优选为15mm。

一般而言，将带有连接件3的钢管混凝土柱1整体装配至预应力管桩2顶部过程中，需要用起吊设备吊装连接件3和钢管混凝土柱1进行对中落位，此时由于下钢管32与预应力管桩2之间的缝隙较小，因此往往会难以对中落位。在本发明中，需要在下钢管32底部安装有定位导向器34来实现落位过程中的引导，提高对中落位的效率。定位导向器34为一个具有倾斜侧面且顶部敞口而底部封口的结构件，其顶面固定连接在下钢管32底端且顶面的外周不凸出于下钢管32底端外周，其侧面由顶到底逐渐向下钢管32的轴线倾斜。该结构件的引导作用主要是依赖于其倾斜的侧面来实现的，由于该倾斜侧面由顶到底逐渐向中心倾斜，因此整个结构件的横截面积由顶到底逐渐减小，底部横截面积较小的一端更容易进入预应力管桩2的桩孔中。当定位导向器34底部横截面积较小的一端进入预应力管桩2的桩孔后，即使下钢管32与预应力管桩2之间存在一定的错位，下钢管32继续下降落位的过程中在倾斜侧面的引导下依然可以逐渐调整至两者对中，从而使连接钢板33最终落位至预应力管桩2顶部端板上。另外，结构件顶部敞口而底部封口的目的是便于混凝土内芯35的填充，混凝土内芯35需要填充于整个连接件3的内部空间中，填充位置需要包括上钢管31内部空间、下钢管32内部空间、连接钢板33的中心开孔以及定位导向器34内部空间。连接件3内部混凝土内芯35的作用是提高连接件3的整体性和强度，可采用高强混凝土填芯满足较大的受力要求。

上述定位导向器34的形状优选采用倒锥形或倒圆台形，本发明实施例的图2中采用的是倒圆台形。定位导向器34的顶面外径最好与下钢管32的外径相等，避免在拼接位置产生影响导向功能的不平整过渡。定位导向器34可采用钢材加工而成，其顶部可焊接在下钢管32的底端。

另外，上述钢管混凝土柱1是由钢管柱11内浇筑管内混凝土12形成的，但管内混凝土12可在钢管混凝土柱1和钢管混凝土柱1、整体沉桩到位后再浇筑，在开挖基坑土体之前完成即可。

因此，继续参见图1所示，最终装配完成的钢管混凝土柱1、预应力管桩2和连接件3形成了一个整体性的支撑立柱，钢管混凝土柱1和预应力管桩2之间通过连接件3连接为一体，连接件3的上钢管31同轴装配固定于钢管柱11底段内部，下钢管32和定位导向器34伸入预应力管桩2内腔的顶部开口中，连接钢板33贴合预应力管桩2的顶部端板且端板上的螺栓52穿过前述的连接区域上的连接孔构成螺栓固定。该条支撑立柱可起到基坑开挖过程中的支撑作用，在沉桩时预应力管桩2最终可沉至基坑底板下方，而钢管混凝土柱1则可穿过基坑底板延伸至顶部支撑梁位置。由此，待基坑施工完毕后，可以割除基坑底板上方的钢管混凝土柱1并回收利用，而预应力管桩2则留在基坑底部作为坑底支撑结构。

本发明中的上述钢管混凝土柱1与预应力管桩2采用连接件3连接，节点强度高，连接件在工厂批量制作，成本低、质量可靠、施工简便。在连接件3质量有保障的基础上，在现场施工时，即使钢管柱11与连接件3的连接钢板33的连接焊缝或者连接件3的连接钢板33与预应力管桩2端板的连接焊缝质量差时，甚至这些焊缝全部脱开时，也能保证钢管混凝土柱1和预应力管桩2之间不脱开，保持铰接连接，从而顺利完成立柱的作用。

当工程桩为预应力管桩时，采用本发明的钢管混凝土柱与预应力管桩组合支撑立柱代替常规的钢格构柱与钻孔灌注桩组合支撑立柱，因此工程桩和立柱桩只需要采用一种施工工艺，施工组织简单，施工速度快，且没有产生泥浆，节能环保。而且还可以利用位置合适的工程桩作为立柱桩，降低成本。

在本发明的另一实施例中，基于上述图1所示的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，还提供了一种基坑支护结构，该基坑支护结构中除了包括上述支撑立柱之外，还包括与支撑立柱配合连接的顶部支撑梁6、中间支撑梁7和地下室底板9。

上述支撑立柱有多条，分布在基坑区域的不同位置处，具体的桩位需要根据基坑的具体设计要求确定，对此不作限制。多条支撑立柱垂直沉桩进入基坑区域土层中，其中预应力管桩2需要沉入基坑的地下室底板9的标高以下，而钢管混凝土柱1则穿过地下室底板9延伸至顶部支撑梁6标高范围内。支撑立柱通过钢管混凝土柱1与基坑中的顶部支撑梁6、中间支撑梁7和地下室底板9进行连接形成基坑支护结构。顶部支撑梁6、中间支撑梁7和地下室底板9与钢管混凝土柱1的连接节点具体做法存在一定的区别，下面对三种不同连接节点进行详细描述。

如图3所示，对于顶部支撑梁6而言，钢管混凝土柱1与顶部支撑梁6的连接节点如下：钢管混凝土柱1上与顶部支撑梁6的搭接范围内沿钢管柱11外壁面固定若干抗剪栓钉81。抗剪栓钉81可以通过焊接形式沿钢管柱11横截面的径向固定在钢管柱11外壁面上，抗剪栓钉81的分布范围应当尽量覆盖钢管混凝土柱1上顶部支撑梁6的标高范围，从而使顶部支撑梁6浇筑完毕后抗剪栓钉81能够嵌入顶部支撑梁6不同高度处的梁内混凝土中，从而使顶部支撑梁6连接于钢管混凝土柱1上。另外，由于钢管混凝土柱1的存在，顶部支撑梁6中的梁内钢筋无法直接穿过钢管柱11，因此钢管混凝土柱1上可在顶部支撑梁6的每一个纵向钢筋标高位置分别设置一个加强外环板82，各加强外环板82所在位置的支撑梁纵向钢筋需要经过钢管混凝土柱1时，在钢管混凝土柱1两侧截断后分别焊接固定在加强外环板82上形成传力结构。一般而言，顶部支撑梁6中存在上部钢筋和下部钢筋，钢管柱11的顶部高度位于两层钢筋结构之间，因此顶部支撑梁6标高范围内的每条钢管柱11上可以仅设置一个加强外环板82，用于连接原本需要穿过钢管柱11的顶部支撑梁下部纵向钢筋61。

另外，如图4所示，对于每一条中间支撑梁7而言，其做法与顶部支撑梁6类似，钢管混凝土柱1与中间支撑梁7的具体连接节点如下：钢管混凝土柱1上与中间支撑梁7的搭接范围内沿钢管柱11外壁面固定若干抗剪栓钉81。抗剪栓钉81可以通过焊接形式沿钢管柱11横截面的径向固定在钢管柱11外壁面上，抗剪栓钉81的分布范围应当尽量覆盖钢管混凝土柱1上中间支撑梁7的标高范围，从而使中间支撑梁7浇筑完毕后抗剪栓钉81能够嵌入中间支撑梁7不同高度处的梁内混凝土中，从而使中间支撑梁7连接于钢管混凝土柱1上。另外，由于钢管混凝土柱1的存在，中间支撑梁7中的梁内钢筋无法直接穿过钢管柱11，因此钢管混凝土柱1上可在中间支撑梁7的每一个纵向钢筋标高位置分别设置一个加强外环板82，各加强外环板82所在位置的支撑梁纵向钢筋需要经过钢管混凝土柱1时，在钢管混凝土柱1两侧截断后分别焊接固定在加强外环板82上形成传力结构。一般而言，中间支撑梁7中存在上部钢筋和下部钢筋，钢管柱11需要同时穿过两层钢筋结构，因此中间支撑梁7标高范围内的每条钢管柱11上需要设置两个加强外环板82，分别用于连接原本需要穿过钢管柱11的中间支撑梁上部纵向钢筋71、中间支撑梁下部纵向钢筋72。

另外，在上述图3和图4的节点中，还可以在钢管柱11上设置加强外环板82的位置，对应地在钢管柱11内壁上焊接加强内环板83，以提高此位置的钢管柱11强度。

如图5所示，对于地下室底板9而言，钢管混凝土柱1和预应力管桩2组合立柱与底板的连接节点如下：基坑底部需要考虑地下水问题，钢管柱11与地下室底板9的搭接位置容易出现地下水的渗水通道。因此，钢管混凝土柱1上穿过地下室底板9的高度范围内需要沿钢管柱11外壁面固定一个环形的止水钢板101，止水钢板101的内环面贴合焊接在钢管柱11外壁面上，外侧内嵌于地下室底板9的混凝土层中，从而形成防止地下水渗入的止水结构。

在本发明的一个较佳实施例中，上述基坑支护结构可以采用以下的施工方法实现，具体包括S1～S11步骤：

S1、将预制好的预应力管桩2、连接件3、送桩装置4以及钢管柱11转运至施工现场。

其中，送桩装置4是一个辅助钢管混凝土桩和预应力管桩组合支撑立柱沉桩的设备，解决钢管柱11和预应力管桩2外形不一致时，钢管11柱和预应力管桩2的组合立柱在沉桩过程中的夹桩问题。如图6所示，送桩装置4包括送桩器41、钢丝绳42和若干定位夹块43，其中送桩器41为一条与预应力管桩2具有相同外径的钢管。钢丝绳42有多条，一端固定于送桩器41的顶端，另一端用于连接钢管柱11。在实际使用时，可以通过张拉钢丝绳42，相对地固定钢管柱11的顶端，避免钢管柱11顶端出现晃动。另外，定位夹块43的作用是固定钢管柱11的底端。定位夹块43为能嵌合安装在送桩器41底端的楔子，该楔子环绕分布，可以固定住钢管柱11底部，避免出现晃动。在本实施例中，环套具有一个阶梯面，一头为直径刚好能卡入钢管柱11底部的小圆筒端，另一头为直径大于钢管柱11外径的大圆筒端，环套的内径以能够紧密套在钢管柱11外部为准。通过该送桩装置4，可以解决钢管和预应力管桩的外径不一样，引起的施工过程中的夹桩和沉桩问题，可利用普通的静压桩机施工，不需要更换夹具，施工方便，效率高。

上述预应力管桩2、连接件3、送桩装置4以及钢管柱11均可以在工厂中提前根据设计尺寸预制好，然后转运至现场进行直接安装。连接件3在工厂批量制作，可节约成本，质量可靠，且方便采用超声探伤和射线检验等方法来检验连接焊缝的质量，从而确保连接件3的质量。

但需要说明的是，除了预应力管桩2、连接件3、送桩装置4以及钢管柱11之外，其他施工工程中必要的设置或者材料也需要一并运至施工现场，对此不做展开介绍。

S2、先将连接件3的上钢管31插入钢管柱11底端，并将钢管柱11和连接件3上的连接钢板33焊接固定，形成第一焊缝51。

S3、将送桩器41同轴套在钢管柱11的外侧，然后通过钢丝绳42和定位夹块43，把送桩器41和预应力管桩2固定，防止在送桩器41的起吊过程中钢管柱11发生晃动。固定方法为：用钢丝绳42把钢管柱11顶端和送桩器41顶端张拉连接，并用定位夹块43嵌入送桩器41底端和钢管柱11底部之间的环形空间中，从而相对固定送桩器41和钢管柱11。

S4、将预应力管桩2起吊至基坑地面的目标桩位，然后通过沉桩工艺将其沉桩至仅桩顶露出地面，再在预应力管桩2端板孔内安装螺栓52。

预应力管桩2的沉桩工艺可参照常规的预应力管桩2施工工艺，一般可将预应力管桩2沉桩至桩顶高于地面约1米。

S5、整体起吊送桩器41和带有连接件3的钢管柱11，将钢管柱11对准预应力管桩2后逐渐下放，在连接件3中的定位导向器34的倾斜侧面引导下，使连接件3上的下钢管32整体插入预应力管桩2桩孔内，同时将连接钢板33上的连接孔对准套入预应力管桩2顶部端板上的螺栓52上，用螺帽将连接件3的连接钢板33与预应力管桩2的端板连接固定，最后将连接钢板33与预应力管桩2的端板焊接固定，形成第二焊缝53。

S6、将钢管混凝土柱1、连接件3和预应力管桩2组合形成的支撑立柱继续整体沉桩到设计标高，保持钢管混凝土柱1顶部标高位于基坑的顶部支撑梁6标高范围内。

需要说明的是，支撑立柱最终沉入的设计标高需要根据实际基坑的设计要求而定，此处不作限定。

S7、向钢管柱11内浇筑管内混凝土12，形成钢管混凝土柱1。钢管11内浇筑混凝土12的工序，需要在基坑土方开挖之前完成。

S8、对基坑进行土方开挖，并在开挖至施工顶部支撑梁6所需的深度时，在顶部支撑梁6的标高范围内的钢管柱11外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉81，同时在钢管柱11上位于顶部支撑梁6的纵向钢筋标高位置设置加强外环板82，然后对顶部支撑梁6进行钢筋绑扎和支模，其中顶部支撑梁6内需要经过钢管混凝土柱1的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱1两侧截断后分别焊接固定在加强外环板82上形成传力结构，最后对顶部支撑梁6进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉81被嵌入固定在顶部支撑梁6的梁内混凝土中，形成顶部支撑梁6和钢管混凝土柱1的可靠连接。

S9、完成顶部支撑梁6的施工后，继续对基坑进行土方开挖，并跟随开挖深度在每次开挖至施工中间支撑梁7所需的深度时，在中间支撑梁7的标高范围内的钢管柱11外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉81，同时在钢管柱11上位于中间支撑梁7的纵向钢筋标高位置设置加强外环板82，然后对中间支撑梁7进行钢筋绑扎和支模，其中中间支撑梁7内需要经过钢管混凝土柱1的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱1两侧截断后分别焊接固定在加强外环板82上形成传力结构，最后对中间支撑梁7进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉81被嵌入固定在中间支撑梁7的梁内混凝土中，形成中间支撑梁7和钢管混凝土柱1的可靠连接。

S10、完成所有中间支撑梁7的施工后，继续对基坑进行土方开挖，直至达到基坑底部设计标高，然后在地下室底板9的标高范围中间位置环绕钢管柱11外壁面焊接固定一个环形的止水钢板101，最后浇筑形成地下室底板9。

S11、待基坑内的各支撑梁拆除后，对基坑内多余的钢管混凝土柱1进行切除，并回收钢管。

另外，在本发明的其他实施例中，当支撑立柱的受力不大时，钢管柱11内可以不填充混凝土，钢管混凝土柱1可改为钢管柱，当支撑立柱的受力很大时，管内混凝土采用高强混凝土，因此立柱受力范围大。当利用工程桩作为立柱桩时，可在钢管柱11上底板标高范围内的钢管外壁上焊接若干抗拔栓钉102，从而使地下室底板9与钢管混凝土柱1形成可靠连接。当立柱桩所利用的工程桩为抗拔桩时，还可以在连接件3的连接钢33板上沿周向均布焊接锚固钢筋103，以加强桩顶与承台的连接，如图7所示。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，包括钢管混凝土柱(1)、预应力管桩(2)和连接件(3)；

所述连接件(3)包括上钢管(31)、下钢管(32)、连接钢板(33)、定位导向器(34)和混凝土内芯(35)；所述连接钢板(33)为圆环形，外径与预应力管桩(2)的外径相同，内径小于上钢管(31)和下钢管(32)的内径；上钢管(31)同轴装配于连接钢板(33)的顶面，且上钢管(31)内壁与连接钢板(33)顶面之间在连接位置设有上加劲板(36)，下钢管(32)同轴装配于连接钢板(33)的底面，且下钢管(32)内壁与连接钢板(33)底面之间在连接位置设有下加劲板(37)；所述连接钢板(33)中位于上钢管(31)和下钢管(32)的装配区域外围的环形边缘作为连接区域，所述连接区域上开设有连接孔，连接孔与预应力管桩(2)顶部上的螺栓一一对应；所述下钢管(32)底部安装有定位导向器(34)；所述定位导向器(34)为一个具有倾斜侧面且顶部敞口而底部封口的结构件，其顶面固定连接在下钢管(32)底端且顶面的外周不凸出于下钢管(32)底端外周，其侧面由顶到底逐渐向下钢管(32)的轴线倾斜；所述混凝土内芯(35)填充于整个连接件(3)的内部空间中；

所述钢管混凝土柱(1)由钢管柱(11)内浇筑管内混凝土(12)形成；所述预应力管桩(2)的顶部装有螺栓(52)；所述钢管混凝土柱(1)和预应力管桩(2)之间通过所述连接件(3)连接为一体，其中所述连接件(3)的上钢管(31)同轴装配固定于钢管柱(11)底段内部，所述下钢管(32)和定位导向器(34)伸入预应力管桩(2)内腔的顶部开口中，所述连接钢板(33)贴合预应力管桩(2)的顶部端板，且端板上的螺栓(52)穿过所述连接区域上的连接孔构成螺栓固定。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述定位导向器(34)成倒锥形或倒圆台形。

3.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述定位导向器(34)的顶面外径与所述下钢管(32)的外径相等。

4.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述上加劲板(36)和下加劲板(37)分别沿环向均匀布设多块。

5.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述上钢管(31)的外径比钢管柱(11)的内径小3～10mm。

6.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述下钢管(32)的外径比预应力管桩(2)的内径小10～30mm。

7.如权利要求1所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，其特征在于，所述上钢管(31)和下钢管(32)均通过焊接方式固定在所述连接钢板(33)上；所述连接钢板(33)与钢管混凝土柱(1)和预应力管桩(2)顶部端板之间均通过焊接固定。

8.一种基坑支护结构，其特征在于，包括如权利要求1～7任一所述的钢管混凝土柱与预应力管桩组合的支撑立柱，以及与所述支撑立柱配合连接的顶部支撑梁(6)、中间支撑梁(7)和地下室底板(9)；

若干条所述支撑立柱垂直沉桩进入基坑区域土层中，其中预应力管桩(2)沉入基坑的地下室底板(9)的标高以下，而钢管混凝土柱(1)穿过地下室底板(9)延伸至顶部支撑梁(6)标高范围内；所述支撑立柱通过钢管混凝土柱(1)与基坑中的顶部支撑梁(6)、中间支撑梁(7)和地下室底板(9)进行连接形成基坑支护结构；

所述钢管混凝土柱(1)上与顶部支撑梁(6)和中间支撑梁(7)的搭接范围内均沿钢管柱(11)外壁面固定若干抗剪栓钉(81)，抗剪栓钉(81)嵌入对应支撑梁的梁内混凝土中，从而使顶部支撑梁(6)和中间支撑梁(7)连接于钢管混凝土柱(1)上；且钢管混凝土柱(1)上在顶部支撑梁(6)和中间支撑梁(7)的每一个纵向钢筋标高位置分别设置一个加强外环板(82)，各加强外环板(82)所在位置的支撑梁纵向钢筋需要经过钢管混凝土柱(1)时，在钢管混凝土柱(1)两侧截断后分别焊接固定在加强外环板(82)上形成传力结构；

所述钢管混凝土柱(1)上穿过地下室底板(9)的高度范围内沿钢管柱(11)外壁面固定一个环形的止水钢板(101)，止水钢板(101)内嵌于地下室底板(9)的混凝土层中形成止水结构。

9.如权利要求8所述的基坑支护结构，其特征在于，当利用工程桩作为立柱桩时，在钢管柱(11)上底板标高范围内的钢管外壁上焊接若干抗拔栓钉(102)，从而使地下室底板(9)与钢管混凝土柱(1)形成可靠连接；优选的，当立柱桩所利用的工程桩为抗拔桩时，进一步在连接件(3)的连接钢板(33)上沿周向均布焊接锚固钢筋(103)，以加强桩顶与承台的连接。

10.一种如权利要求9所述基坑支护结构的施工方法，其特征在于，包括：

S1、将预制好的预应力管桩(2)、连接件(3)、送桩装置(4)以及钢管柱(11)转运至施工现场；

所述送桩装置(4)包括送桩器(41)、钢丝绳(42)和若干定位夹块(43)，其中送桩器(41)为一条与预应力管桩(2)具有相同外径的钢管；钢丝绳(42)固定于送桩器(41)的顶端，用于张拉固定钢管柱(11)的顶端；定位夹块(43)为能嵌合安装在送桩器(41)底端的楔子，环绕分布固定住钢管柱(11)底部；

S2、先将连接件(3)的上钢管(31)插入钢管柱(11)底端，并将钢管柱(11)和连接件(3)上的连接钢板(33)焊接固定，形成第一焊缝(51)；

S3、将送桩器(41)同轴套在钢管柱(11)的外侧，然后用钢丝绳(42)把钢管柱(11)顶端和送桩器(41)顶端张拉连接，并用定位夹块(43)嵌入送桩器(41)底端和钢管柱(11)底部之间的环形空间中，从而相对固定送桩器(41)和钢管柱(11)，防止在送桩器(41)的起吊过程中钢管柱(11)发生晃动；

S4、将预应力管桩(2)起吊至基坑地面的目标桩位，然后通过沉桩工艺将其沉桩至仅桩顶露出地面，再在预应力管桩(2)端板孔内安装螺栓(52)；

S5、整体起吊送桩器(41)和带有连接件(3)的钢管柱(11)，将钢管柱(11)对准预应力管桩(2)后逐渐下放，在连接件(3)中的定位导向器(34)的倾斜侧面引导下，使连接件(3)上的下钢管(32)整体插入预应力管桩(2)桩孔内，同时将连接钢板(33)上的连接孔对准套入安装在预应力管桩(2)顶部端板上的螺栓(52)上，用螺帽将连接件(3)的连接钢板(33)与预应力管桩(2)的端板连接固定，最后将连接钢板(33)与预应力管桩(2)的端板焊接固定，形成第二焊缝(53)；

S6、将钢管混凝土柱(1)、连接件(3)和预应力管桩(2)组合形成的支撑立柱继续整体沉桩到设计标高，保持钢管混凝土柱(1)顶部标高位于基坑的顶部支撑梁(6)标高范围内；

S7、在基坑土方开挖之前，向钢管柱(11)内浇筑管内混凝土(12)，形成钢管混凝土柱(1)；

S8、对基坑进行土方开挖，并在开挖至施工顶部支撑梁(6)所需的深度时，在顶部支撑梁(6)的标高范围内的钢管柱(11)外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉(81)，同时在钢管柱(11)上位于顶部支撑梁(6)的纵向钢筋标高位置设置加强外环板(82)，然后对顶部支撑梁(6)进行钢筋绑扎和支模，其中顶部支撑梁(6)内需要经过钢管混凝土柱(1)的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱(1)两侧截断后分别焊接固定在加强外环板(82)上形成传力结构，最后对顶部支撑梁(6)进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉(81)被嵌入固定在顶部支撑梁(6)的梁内混凝土中，形成顶部支撑梁(6)和钢管混凝土柱(1)的可靠连接；

S9、完成顶部支撑梁(6)的施工后，继续对基坑进行土方开挖，并跟随开挖深度在每次开挖至施工中间支撑梁(7)所需的深度时，在中间支撑梁(7)的标高范围内的钢管柱(11)外壁面上均匀焊接若干抗剪栓钉(81)，同时在钢管柱(11)上位于中间支撑梁(7)的纵向钢筋标高位置设置加强外环板(82)，然后对中间支撑梁(7)进行钢筋绑扎和支模，其中中间支撑梁(7)内需要经过钢管混凝土柱(1)的梁内钢筋预先在钢管混凝土柱(1)两侧截断后分别焊接固定在加强外环板(82)上形成传力结构，最后对中间支撑梁(7)进行混凝土浇筑，使抗剪栓钉(81)被嵌入固定在中间支撑梁(7)的梁内混凝土中，形成中间支撑梁(7)和钢管混凝土柱(1)的可靠连接；

S10、完成所有中间支撑梁(7)的施工后，继续对基坑进行土方开挖，直至达到基坑底部设计标高，然后在地下室底板(9)的标高范围中间位置环绕钢管柱(11)外壁面焊接固定一个环形的止水钢板(101)；

S11、待基坑内的各支撑梁拆除后，对基坑内多余的钢管混凝土柱(1)进行切除，并回收钢管。

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