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预应力混凝土管桩快速接头技术
2013年5月31日  作者:  ※筑路人※  浏览选项:    本文已被浏览 2555 次
本文发表于由广东省建筑科学研究院、广东省土木建筑学会主办的月刊《广东土木与建筑》(2001年第12期)                                    
 预应力混凝土管桩快速接头技术     
钟肇鸿   广州市红棉干挂石工程有限公司    510635 
胡仲明   广州市第四建筑工程有限公司      510220   
[摘要]预应力混凝土管桩在基础工程中已普遍使用,但其连接采用传统的电焊焊接既费时又受环境气候的影响。本文介绍一种新型快速接头技术的施工工艺、设计理论和试验论证、施工实践效果及其应用中的问题等,以引起工程界同行们的关注。   
[关键词] 混凝土管桩  工艺  快速接头   设计  试验  实践   
1   管桩及其传统接头型式           
预应力混凝土管桩是采用锤击贯入或静力压入法,利用机械把管桩送至设计指定的地基持力层,自问世以来由于单桩承载力高,施工速度快,价格适中等优点,尤其是静力压桩施工无噪音、无震动,满足文明施工的要求,因此迅速发展成为我省的一种常用桩型,特别适用于珠江三角洲有较厚软弱土层的域。
    管桩的桩长由于生产、运输及施工等原因,往往不能一次满足设计需要,而必须在打桩时现场进行接桩,一般为1~2次。传统的做法是采用焊接接头,接桩时待先行击(压)入的桩上端离地面0.8m时,把待接的桩吊至其上,就位对中吊直后由2人对称进行焊接操作,要求分2层施焊,每个接头约需20min,且按施工规程须待焊缝自然冷却8min后才可继续进行沉桩,这样会因焊接工序上耗时较多而使效率降低,同时也造成桩机利用率降低和施工成本增加。   
2.   新型快速接头的构造及施工工艺            
由我公司研究开发的新型预应力混凝土管桩机械齿合式快速接头技术(以下简称快速接头),是在管桩桩端每个接头的预埋钢板上,均分焊上数个接桩用的连接槽,内藏钢销板和压力弹簧,如图1~2所示。钢销板为带齿牙向桩身的滑块,用优质炭素钢45#制成,其后面以压力弹簧紧固。管桩接驳时,先在待接桩桩端预埋钢板的每个连接槽上用小锤打入并插上各根连接销,连接销两端带锯齿并呈矩形截面,同样用优质炭素钢45#制成,由于槽内2块带弹簧的钢销板具有伸缩紧固的功能,故其可以很方便地插入槽内,并与钢销板互相锯齿形接合,钢销板在压力弹簧作用下使连接销插好且有一半的长度外露。然后把待接桩吊起,让桩端各连接销对准下部待接桩的连接槽后插入上部桩,使它们通过连接销的机械啮合而紧密连接。整个过程可在2~3min内完成,便可继续沉桩工序,具有简便快速的优点。 快速接头部件生产的工艺流程见图3。    
3.   快速接头设计的理论基础   
3.1  设计原则           
在预制桩接头的机械连接装配方面,国内外已开发出如法兰盘、瑞典产装配式接头(见图4)等并应用于工程实践中,其特点是连接操作方便迅速,可大大提高沉桩效率。           
新型快速接头的设计原则是接头受力不小于桩身受力。具体要考虑以下题
     
(1)机械件的连接达到预应力混凝土管桩的受力要求;      
(2)连接销满足抗拉要求;      
(3)连接啮合满足抗剪要求;      
(4)接头受力满足管桩的抗弯要求。  
3.2  设计依据和标准           
考虑预应力混凝土管桩的受力状态,快速接头首先应满足桩的设计承载力要求,现以Ø400管桩为例,对快速接头机械连接件进行应力计算和分析。若接头连接槽内设1个连接销齿键啮合,连接部件采用热处理表面淬火的优质碳素结构钢45#,硬度为HRC35~40,则按《机械设计手册》可分别得出:抗拉强度σb=600N/mm2;屈服极限σs=355N/mm2;抗剪强度τ=0.6σb=0.6×600=360N/mm2;横截面抗剪力Fτ=τ×(H-2S)B=360×(24-2×2.475)×28=192024N(H为连接销厚度即齿牙削弱面边长,呈450齿牙的齿深S=0.75P=0.75×3.3=2.475mm,P为齿距,B为连接销宽度);抗拉力FL=σb×(H-2S)B=600×(24-2×2.475)×28=320040N;齿键的结合抗剪力Fj=τBSni=360×28×2.475×16×0.9=359251N(n为齿牙总数,i为折减系数,取0.9)。          
以上计算结果表明,该管桩的承载力设计值可取1700kN,抗拔力设计值为350kN。采用快速接头时,桩端预埋钢板上均布7个连接销,理论计算横截面抗剪力为1344.2kN,轴向抗拉力为2240.3 kN,齿键抗剪力可达2514.8 kN,其机械连接件的受力(抗拉或轴心受压)可满足和超过单桩承载力设计值的要求。   
4. 快速接头的试验   
4.1  试验目的项目           
通过对快速接头的几种受力状态进行试验,以求论证上述计算的准确性。接头的力学性能应与混凝土管桩桩身等同,其受力除了在竖向作用下受压外,还要考虑抗拔作用下的受拉,承载水平力作用的抗剪和抗弯。由于该接头的抗压力大于受拉力,故只设定3个试验项目,即机械接头部件的抗拉、抗剪和接头实样的抗弯试验,前两项委托质检部门进行,用不同的齿键啮合型式作了多组试验。其结果与计算基本相同;后一项根据《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-1999)的规定,“管桩接头处极限弯矩不得低于管桩极限弯矩”,并按有关条文中的抗弯性能和试验方法进行。 
4.2  抗弯试验           
对广州番禺区某管桩厂生产的Ø400×95A型和Ø300×70A型预应力混凝土管桩快速接头实样随机抽取3根进行抗裂、抗弯性能试验。参照先张法预应力混凝土管桩标准制定抗弯试验方案,为简支梁对称加荷装置,快速接头位于最大弯矩处,其目的是测定采用快速接头的预应力混凝土管桩的初裂强度及抗弯强度,在各级荷载作用下裂缝的宽度及长度,跨内最大变形挠度及其破坏形态。其结果如下:     
1)接头性能均符合Ø400和Ø300管桩A型(原母材)国家标准;     
2)由于快速接头是机械啮合,连接中接头已存在一定的间隙,标准规定当加荷至极限弯矩时管桩受拉区的混凝土裂缝宽度 <1.5mm,结果接头间隙相对展开约为1.5mm左右,基本满足;     
3)有5个试件当加荷至极限弯矩值的1.5倍或以上时,快速接头未破坏,但弯矩最大处的预应力高强钢丝拉断。     
4)试件跨中最大挠度值为27.03~65mm,均小于L(试件跨度)/50=96mm。         
由此可得出结论,即该管桩接头不但与管桩生产的等级标准相适应,且其抗弯力也大于桩身的抗弯强度,完全满足国家规范中管桩接头处极限弯矩不得低于管桩极限弯矩的规定。   
5.   对快速接头应用中一些问题的看法   
5.1  误差的克服           
机械连接的部件要求加工较精密,但在工厂的成批生产中,通过加强质量管理和控制是可以实现的;对于桩端预埋钢板埋设的准确度,也是由于工厂化生产而较有保证;至于施工过程中因人员素质、现场环境、地质条件、管桩质量或机械等因素所引起的施工误差,快速接头施工工艺应能与之相适应,并在工程实践中不断积累经验。  
5.2  桩基的检测          
单桩承载力的试验结果不会受到桩接头的影响,现在常用桩基动力检测方法来判断桩身的完整性和承载力,但由于桩身连接处有一道固有的环状缝隙,这与桩身缺陷有着明显的区别,因此用高低应变检测方法得出结论并不影响对成桩质量的判断。  
5.3  接头的防腐          
由于对接头的连接槽、连接销、钢销板、弹簧等部件均作热镀锌处理,根据国内外的一些文献和资料介绍,并经过化学工业合成材料老化质量监督检验中心对快速接头工件进行丝状锈蚀试验(24h盐雾试验+144h湿热试验),表明热镀锌能得到的镀层较厚,能在恶劣环境中长期使用,其防腐能力远大于焊接接头表面涂防腐漆的作用。  
5.4  送桩问题          
与快速接头相应配套的有一个在地表下深处的接桩技术,可以通过导轨式送桩器把桩送至地面下某一深度处再用快速接头技术进行接桩,可解决传统的送桩不超过2m,以至收桩后出现过多过长外露桩的浪费现象,该深层接桩技术的开发利用还有待在实践中摸索。  
5.5  与预制方桩的适用性          
该接桩技术同样可应用于预制方桩的连接,以填补取消硫磺胶泥接桩技术后的空白。   
6 工程实例           
为了验证快速接头技术的可行性,我们将其运用在实际工程中加以验证。  (1)顺德容桂镇某7层办公楼     设计采用Ø400高强预应力混凝土锤击管桩,单桩承载力设计值为1200kN。我们从中选取了2根桩(57#桩和97#桩)采用机械快速接头连接技术,它们的配桩均为2×11m+9m,实际桩长自原地面起计分别为29.6m和25.5m,接桩2次。经测定每次接驳耗时均不足3min,且操作顺利,桩身垂直度也得到良好控制,满足了设计及规范要求。经质监部门采用高应变动力试桩进行检测,结果表明桩身基本完整,单桩竖向承载力分别为3579kN和3316 kN。  (2)广州市五羊新城某24层商住楼工程     设计采用Ø400静压预应力混凝土管桩,桩长10~15m,单桩承载力设计值为1400kN。其中采用快速接头连接技术的334#桩实际入土桩长17.2m,配桩7m+8m+3m。根据质监部门提供的单桩静载试验结果,当加载至3000kN时,总沉降量为11.64mm,且Q~s曲线平缓,无明显陡降段,s~1gt曲线呈平行排列,综合分析该桩极限承载力>3000 kN。   
7.   技术经济优势及其发展前景            
新型快速接头与焊接接头相比,在技术经济方面的优越性主要表现在以下几个方面: (1)接桩快速。以每个接头的施工时间计算,采用焊接允需30min,而采用快速接头则仅为0.5~2min。以Ø400混凝土静压管桩为例,若为焊接,以每根桩(长16m计)有1个接头计算,则每台班可施压128m,但若用快速接头法施工则可达192m以上,工效提高约50%,以目前广州市压桩施工市场价40元/m计算,创效可超过13.3元/m,而且施工工期可大为缩短,且接桩次数越多其效果就越显著,特别是对工期要求紧的大型工地,还可减少压桩机械的投入从而节省进场费用。 (2)实现全天候施工。与焊接施工在雨天无法进行相比,采用该技术则在任何环境气候条件下均可施工,且施工质量可靠稳定,又不受人为因素的影响,此外还可节省焊机台班和焊条材料费等费用。 (3)综合效益显著。虽然接头的连接销改用螺栓连接后,桩端预埋钢板(包括连接件)的市场价会比原来提高约10元/m,但从综合效益来看是不会增加施工成本的。预应力混凝土管桩快速接头所需部件只须在工厂进行精密的加工和预埋,节省了沉桩施工中现场焊接的工序,且接桩技术简单和易于操作,只要稍加指点就可熟练掌握,连接时灵活快捷,工效和机械利用率均大为提高。即使扣除快速接头部件加工增加的费用,总体进行综合对比,施工成本也会有所下降。          
该快速接头技术日前已通过我省建设系统的科学技术成果鉴定,有关专家认为该快速接头“属国内首创,达到国内领先水平,可在实际工程中应用”,有着良好的发展前景。   
参考文献  
1)GB13476-1999  先张法预应力混凝土管桩 
2)DBJ/T15-22-98  预应力混凝土管桩基础技术规程 
3)机械设计手册· 北京工业出版社,1999.9 
4)中国机械工业标准汇编(螺纹卷)· 中国标准出版社,1999.6 
5)华南理工大学材料中心编·日本工业标准热镀锌· 热镀锌层附着量对镀层耐腐蚀寿命的影响
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