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中文麓要 先张法大直径预应力混凝土管桩接头形式及受力性能研究 硕士研究生：刘军导师：卫龙武教授 东南大学 摘要 目前管桩连接技术发展的趋势是快速机械接头，本文在前期研究工作基础上，研制了 一种新型的管桩锚固式接头，围绕其受力性能进行了一系列理论及试验研究分析。主要包 括以下内容： 提出了一种管桩快速机械连接的新方法，在此基础上研制成功了管桩锚固式接头。该 接头是一种针对大直径预应力管桩接桩需要的快速机械接头，与传统接头相比它操作方便 快捷，满足一般的受力性能，防腐效果好，适合海洋港口等工程中大直径预应力管桩的接 桩需求，同时通过改进型号，也能方便的用于一般基础工程中的较小直径的预应力混凝土 管桩。 针对锚孔锥角、夹片与外环间的摩擦系数这两种因素对接头锚固性能的影响，做了大量 数值分析。结果表明，随着锥角和摩擦系数的增加，锚固式接头外环的各项受力性能将得 到改善，比如夹片的回缩量、外环的塑性屈服区域、最大v o nm i s o s 等效应力、外环表面 的环向应力应变、径向变形都呈现逐渐减小的趋势，外环开始屈服时的加载则逐渐增大。 建议锚孔锥角取值6 。7 。，摩擦系数取0 0 3 5 。 通过试验，对比了无顶压与有顶压、采用长夹片与短夹片、灌入环氧树脂与不灌入三 种情况下钢绞线与连接器之间的相对位移量，和夹片跟进量a a 。研究表明通过对接头夹 片施加液压顶力，可以减小钢绞线受力过程中相对锚固式接头的滑移，改善了锚固式接头 的性能；采用工具夹片( 长夹片) 由于夹片跟进不齐，其钢绞线与连接器之间的相对位移 量f 和夹片跟进量x a 要大于采用工作夹片( 短夹片) 时的情况；试验表明环氧树脂将 起到减小钢绞线相对锚固式接头的位移量，的作用，同时其自身也具有防腐蚀的作用。 对大直径预应力混凝土管桩在基坑支护工程应用中出现的问题进行了研究。对管桩桩 身直接埋入圈梁的连接性能进行了两组不同埋入深度的试验，研究表明，这种连接形式是 可靠的。提出参考港口工程桩基规范( j t j 2 5 4 9 8 ) 中关于预应力混凝土管桩与桩帽连 接的计算公式进行试算验证的可能性。管桩桩身的局部受压承载力受桩径、桩身约束、桩 身混凝土强度、桩身配筋率等因素影响。对直径3 0 0 、4 0 0 和5 0 0 的三组p h c 管桩的局部 受压试验研究及有限元分析表明，随着桩径的增大，桩身的局部受压承载力逐渐提高；桩 身约束的程度对桩身的局部受压承载力有很大影响，约束程度越高，桩身的局部受压承载 力也越高。通过有限元的分析得出相同的规律。 关键词：大直径预应力混凝土管桩接头有限元基坑支护锚固局部受压 英文摘要 r e s e a r c hi nt h ef o r ma n dp e r f o r m a n c eo ft h ec o u p l e ro ft h el a r g ed i a m e t e r p r e t e n s i o n e da n dp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e g r a d u a t es t u d e n t ：l i uj u n s u p e r v i s o r ：p r o f w e il o n g w u s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ec u r r e n tt r e n do ft h ej o i n tt e c h n i q u eo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l ei st h em e c h a n i c a lc o u p l e r b y r e s e a r c h i n gi nm u c hc o r r e l a t i v ed a t a , o n en e wt y p eo f t h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l ec o u p l e ri sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h e nas e r i e so f t h e o r e t i ca n dt e s t i l l gr e s e a r c ho f t h ec o n c r e t et u b ep i l ec o u p l e ri sd o n e 1 1 m a i n c o n t e n to f t h i sp a p e ri sl i s t e db e l o w t h ea n c h o r - c o u p l e ru s i n gf u rt h ec o n c r e t et u b ep i l ei ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h ec o u p l e ri saf l e wt y p e o ft h em e c h a n i c a lc o u p l e rf o rc o n c r e t et u b ep i l e a n di ti sd e v e l o p e ds p e c i a l l yf o rt h el a r g ed i a m e t e r p r e t e n s i o n e da n dp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e i ti sc o n v e n i e n ta n df a s tf o ru s et h a nt h ec o n v e n t i o n a lc o u p l e r o fm b ep i l e t h eb e 耐n gc a p a e i t yc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fu s e a n dt h ee f f e c to fa n t i - r u s to ft h ec o u p l e ri s g o o de n o u g h s ot h ea n c h o r - e n u p l e rm a ya d a p tt ob eu s e di nt h eo c e a na n dp e r tc o n s t r u c t i o n a l s oi tc o u l db e u s e di nt h ec o m m o np r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e f e ma n a l y s i si np a r a m e t e r s ，c o n ea n g l ea n df r a c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nc l i pp i e c e sa n da n c h o rp l a t e ， s h o w st h a t , a st h ei n c r e a s eo ft h e s et w op a r a n a e t e r s ，t h em e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n c h o rp l a t eo ft h e a n c h o r - c o u p l e ri m p r o v eg r a d u a l l y s u c ha st h ed e f o r m a t i o no f c l i pp i e c e s , t h ey i e l dr e g i o no f a n c h o rp l a t e ，t h e m a xv o nm i s e se q u a ls t r e s s ，t h eo r b i c u l a rs t r e s sa n dt h er a d i a ld e f o r m a t i o no nt h es u r f a c eo f t h ea n c h o rp l a t e d e c r e a s eg r a d u a l l y , a n dt h ey i e l dl o a di n c r e a s eg r a d u a l l y t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ea p p r o p r i a t ev a l u eo ft h e c o n ea n g l ei s6 。7 。a n dt h ea p p r o p r i a t ef r a c t i o nc o e f f i c i e n ti so 0 3 5 c o n t r a s tt e s ti n c l u d et h ea n c h o r - c o u p l e rw i t hp r e - p r e s s u r ea n dw i t h o u tp r e - p r e s s u r e ，w i t hl o n gc l i pp i e c e s a n ds h o r tc l i pp i e c e s , w i t he p o x ya n dw i t h o u te p o x y t h ed i f f e r e n c eo ft h ec o m p a r a t i v em o v e m e n t ， b e t w e e ns t e e ls t r a n da n da n c h o r , a n dt h em o v e m e n to f t h ec l i pp i e c e s 口a r ec o n c l u d e d t h er e s e a r c hs h o w s t h a t fb e c o m es m a l l e rb yp u t t i n gp r e s s u r e0 nt h ea n c h o rt h a nt h a tw i t h o u tp r e s s u r e a n dt h ev a l u eo fa l a n da ai sb i g g e rb yu s i n gl o n gc l i pp i e c e st h a nt h a to fs h o r tc l i pp i e c e sb e c a u s et h et h r e ec l i pp i e c e sd on u t f o l l o wr e g u l a r l y a n dt h et e s ta l s os h o w st h a tt h eu s eo fe p o x yd e c r e a s e st h ev a l u eo f ，a n da a a n dt h e e p o x yc a nm a k et h ee f f e c to f a n t i - r u s tt o o t h er e s e a r c ho fs o m ep r o b l e m so ft h el a r g ed i a m e t e rp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i l ea p p l i e di nr e t a i n i n g s t r u c t u r a li sd o n ei nt h i sp a p e r t h et e s tb yb u r y i n gt h ep i l eb o d yi nt h et o pb e a mw i t h o u tb a rc o n n e c t i o n ( t w o g r o u p so fs p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tb u r y i n gl e n g t h ) s h o w st h a tt h i st y p eo fc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n dt h e t o pb e a mi sr e l i a b l e a n dt h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a ti ti sp o s s i b l et oc h e c kt h ec o n n e c t i o nb yt h er u l e si n ( j y j 2 5 4 - 9 8 ) t e s t so f t h r e eg r o u p so f p h ct u b ep i l e w i t hd i f f e r e n td i a m e t e r ，3 0 0 ，4 0 0a n d5 0 0s h o w st h a tt h eb e 撕n gc a p a c i t yo f t h ep i l eb yp u t t i n gp a r tp r e s s u r e i sa s s o c i a t e dw i t ht h ed i a m e t e ro f t h ep i l e t h er e s t r i c to nt h ep i l eb o d y a st h ei n c r e a s eo f t h e p i l ed i a m e t e r , t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l ei n c r e a s e a n dw i t ho rw i t h o u tr e s t r i c to nt h ep i l eb o d ym a k eg r e a te f f e c to nt h e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l e b yt h ef e ma n a l y s i s ，t h es a m er u l e i ss u m m a r i z e d ，w h i c hs h o w st h a ti ti s p o s s i b l et oa n a l y z et h ep r o b l e mo f t h ep r o j e c tb yu s i n gf e m k e y w o r d s ：l a r g ed i a m e t e rp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b ep i l e ；c o u p l e r ；f e m ；r e t a i n i n gs t r u c t u r a l ；a n c h o r ；p a r t p r e s s u r e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：兰：l 圣日期：兰竺! ：箩z 3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：导师签名：g 班酬日期：a 7 仁2 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大直径预应力混凝土管桩的发展 1 1 1 我国管桩行业的发展及现状 2 0 世纪4 0 年代，北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径d = 4 0 0 m m 的钢筋混凝土离心管桩。并在6 0 年代末，开始研制先张法预应力混凝土管桩( 简称p c 管桩) 直径d = 5 5 0 m m ，用7 m m 高强钢丝为主筋， 获得成功并生产至今，6 0 年代末为建设南京长江大桥需要管桩基础，所以大桥工程局三处也开始生产 预应力管桩至今i l j f 2 1 1 ”。 2 0 世纪8 0 年代以来，特别是在上海宝山钢铁公司建设中，由于引进日本技术，在工程建设中大量 采用了钢管桩，这不但使工程造价提高，使用寿命降低。钢管的耐久性也差，形势迫切需要基础采用预 应力管桩。 1 9 8 4 年广东省构件公司与广东省基础公司和广东省建筑科学研究所合作。首先研制成功新型接桩 形式的预应力混凝土管桩，将以往法兰接口桩接头连接，改为现在使用的焊接连接，菇于1 9 8 7 年通过 广东省建委组织的技术鉴定。 为了适应港口建设发展的需要，1 9 8 7 年交通部第三航务工程局从日本全套引进预应力高强混凝土 管桩( 简称p h c 管桩) 生产线，p h c 管桩的主要规格为d = 6 0 0 - , - 1 0 0 0 n m a 。1 9 8 7 1 9 9 4 年。国家建材局苏 州混凝土水泥制品研究院和广东番禺市桥丰水泥制品有限公司在有关科研院所的合作下，根据我国的实 际情况，通过对引进管桩生产线的消化吸收，自主开发了国产化的预应力高强混凝土管桩生产线，1 9 9 3 年该项成果被建设部列入全国重点推广项目。接着中山鸿运、宏基、鸿业等一批管桩厂建成，当时全国 已有7 0 余家管桩生产厂，年生产能力达2 0 0 0 余万米1 1 j 1 4 j 。 2 0 世纪8 0 年代后期，宁渡浙东水泥制品有限公司在有关科研院所的合作下，针对我国沿海地区淤 泥软弱土层较多的特点，通过对p c 管桩的改造，开发了先张法预应力混凝土薄壁管桩( 简称p t c 管桩) ， p t c 管桩的主要规格有d = 3 0 0 - 6 0 0 m m i i 6 1 改革开放以来，我国经济建设带动了土木建筑工程的迅速发展，大量的高层建筑、民用住宅、公 用工程及大跨度桥梁、高速公路、港口、码头等工程均需要优质的桩基础。预制混凝土管桩是重要的桩 基材料它是体现了当代混凝土技术进步与混凝土制品高新技术水平的一种预制混凝土桩，与其他桩基 础相比较，它具有制作工艺简单、质量容易保证、植桩方便、耐打性好、造价便宜、检测方便、施工速 度快、桩基抗震性好等优点 3 1 1 5 1 1 7 】【8 1 1 9 1 。因此，近十多年来，预应力混凝土管桩在我国的生产与应用以惊 人的速度迅猛发展，生产管桩企业在l o 年内增加了近l o 倍，从地区分布来看，已从该产品生产和应用 最多的广东省逐步推向长江三角洲及其它地区。据不完全统计，到2 0 0 3 年底。全国已有1 8 0 多家管桩 生产厂家，其中广东省约5 5 家，深圳3 家，江苏省约2 4 家，浙江省约5 6 家，上海市约1 5 家，福建省 约6 家，湖北省约5 家，云南省3 家，天津市4 家，其他地区约l o 余家【l 】a i 1 2 预应力混凝土管桩在国外的发展 日本、美国、加拿大、意大利、英国、荷兰、德国、新西兰、俄罗斯是研究和生产使用混凝土管桩 较多的国家。8 0 年代末起，发展中国家如中国、马来西亚、菲律宾对预应力混凝土管桩的生产应用也 普及起来。总体看来日本是预应力混凝土管桩方面技术领先的国家，由于日本是岛国。人多地少，工业 发达，又处于地震带上，他们对预制混凝土桩的研究、设计和施工下过很大功夫，取得了丰富的经验。 日本于1 9 3 4 年开始生产离心混凝土管桩( r c ) 。1 9 6 4 年日本又开发了预应力混凝土管桩( p c ) ，开发 l 东南大学硬士学位论文 初期用先张法和后张法两种施工工艺同时生产，后来主要采用先张法工艺。1 9 6 8 年制定了j i s a 5 3 3 5 先 张法离心预应力混凝土管桩标准。由于异型预应力钢筋的开发应用进一步促进了p c 管桩的发展，6 0 年代末至7 0 年代日本又开发了预应力离心高强混凝土管桩( p h c 管桩) ，1 9 8 2 年制定了j - i s a 5 3 3 7 先 张法离心高强混凝土管桩标准。并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。据日本通产省调查统计资料表明， 1 9 6 5 - 1 9 9 2 年日本各种管桩年产量在2 0 0 - 8 0 0 万吨之间，p h c 管桩开发以来，由于其优良的质量及广泛 的适应性，产量猛增。1 9 9 1 年其产量达到最高峰，全国各种管桩产量达到7 9 0 万吨( 合成m 5 0 0 桩2 3 0 0 万米) 。9 0 年代初由于日本经济受到世界经济波动影响，建筑市场需桩量大幅度下降，1 9 9 4 年到了最低 谷，全国产量5 4 0 万吨。1 9 9 5 年1 月1 7 日日本南部阪神地震后，日本管桩及电杆协会对地震建筑物的 基础进行了调查，发现建筑物的基础除了使用管桩以外都受到了不同程度的破坏。尤其是现场灌注桩破 坏率很高。同时也表明了p h c 管桩在抗震方面有很大的优势，这也是1 9 9 5 1 9 9 6 年日本管桩产量回升 的主要原因。在日本现在各种基础都大量应用管桩，无论市内建设或市郊建设在用桩上都有一套比较好 的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质量、施工安全、企业效益等方面进行综合考虑制定 可行的施工方案，这也为管桩可以很好应用得到了保障1 4 1 1 。 1 1 3 大直径预应力混凝土管桩 所谓大直径预应力混凝土管桩一般指直径在1 0 0 0 m m 及其以上的p h c 管桩。 采用先张法生产的p c 桩和p h c 桩已在国内建筑、桥梁等工程上得到广泛应用，但由于机械设备、 运输及工艺等方面的原因，先张法工艺仅限于生产外径3 0 0 m m 一1 0 0 0 m m ，单根长度7 m - 1 5 m 的管桩， 外径1 0 0 0 r a m 以上的使用较少而在一些大，中型港口码头、桥梁等工程中，大多需要使用直径 1 0 0 0 m m 一1 4 0 0 m m ，单根长度4 0 m 6 0 m 的大直径、超长预应力混凝士管桩i l 。 以大直径预应力管桩技术在桥梁桩基工程的发展应用来说明，目前我国的桥梁公路事业正处于一 个高速发展的时期，大跨、超大跨度的桥梁不断出现，如江苏省的苏通大桥，跨径达到1 0 8 8 m ，位于世 界斜拉桥之首，跨径1 4 9 0 m 的润扬悬索桥，世界排名第三。因公路等级的提高和超重载的不断增多，现 行公路桥梁的设计与施工中，对桩承载力的要求越来越高，这就要求增大这种桩的直径。但增大桩径， 会使桩身自重占桩周土支撑桩的承载力的比重越来越大，反而使工程不经济。在这种情况下，桥梁桩基 础的发展趋势是大直径和预拼工艺的集成，显然只有采用大直径空心桩结构才有实际经济价值。大直径 预应力管桩的发展在我国实际上经历了一个相当长的探索过程“”。 我国在“六五”期间，由交通部第三航务工程局承担了由交通部下达的国家重点科技攻关项目一“大 直径预应力混凝土管桩制造与应用”。近几十年来，经过科研、设计、施工单位的广大科技人员的不懈 努力和创新，大管桩的研制和应用取得了多项成果，其产品已经形成二种规格7 个品种系列，投入子工 程使用的管节总长度累计已经超过5 0 万米，总根数达一万多根。在施工实践中，根据不同的使用要求， 结构形式，地质条件，形成了一套可靠而又完善的制作工艺，大管桩的制作质量不断得到提高，相继在 连云港、浙江镇海、广东新会建成了专业性的管桩制造厂，从南到北，大管桩已广泛地应用于港口、桥 梁、电力、市政和海洋工程等诸多领域，大管桩的推广和应用，填补了我国桩基工程的一项空白【l 】 大直径预应力混凝土管桩相比钢管桩等其他桩基形式具有以下优点1 1 0 1 1 “i t ”】f 1 3 l ： 混凝土大管桩管节的预制和管桩拼接均为工厂化生产，机械化程度较高。管桩制作工艺先进，管理 严格，质量稳定。 由于混凝土大管桩成型工艺先进，管桩混凝土为高强度，高密实性，低孔隙率，低吸水性。因而使混凝 土大管桩具有耐久性好，耐锤击性好的特点。 在相同条件下，混凝土大管桩的承载力高于钢管桩。 混凝土大管桩可适用于任何土质，如果在其桩底加以钢桩靴或锚接一段钢桩形成复合桩，可以打入 标准贯入击数n 1 0 0 击风化岩，亦可作嵌岩桩。 混凝土大管桩用钢量省，其用钢量约为钢管桩的1 6 l 8 。 混凝土大管桩比钢管桩维护费用省，在海水中混凝土大管桩不需作防腐蚀处理。 工程造价低，混凝土大管桩的成本约为钢管桩的1 1 2 1 3 。混凝土大管桩近年来多用于港口工程 2 墨二! 堕丝 深水泊位，我国现已建成2 2 0 万吨级混凝土大管桩码头2 5 个：亦可用于防波堤及导堤工程、大型岸 壁工程，大桥桥墩基础等。一般只要不是纯受弯结构，均可采用混凝土大管桩 1 2 大直径预应力混凝土管桩接头的发展 预应力混凝土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 桩时进行现场接桩，这就涉及到管桩接头的问题。早期的管桩的接桩方式是采用法兰盘接头，后来被桩 端板焊接的方式替代，并一直延用至今，成为现在应用最为广泛和成熟的接桩方式。 但是普通桩端板焊接接头也有其无法避免的缺点。比如接桩的时间问题，一般的预应力混凝土管桩 采用焊接接头，接桩时待先行击( 压) 入的桩上端离地面约o 8 m 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2 0 m i n ，且按施工规程须待焊缝自 然冷却8 m i n 后才可继续沉桩，这样会因焊接工序上耗时较多而使效率降低，同时也造成桩机等机械利 用率降低和施工成本增加。另外，受环境及工人自身技术水平等因素的影响，焊接的质量也不易控制 1 1 4 1 1 1 5 j o 针对以上问题，近年来发展了一些管桩快速机械接头技术。这些接头虽然构造上各不相同，但出发 点都是即能节省接桩时间，又能满足施工中对桩截面的各种受力性能及接头防腐性能的要求。例如广州 市红棉干挂石工程有限公司研制成功的预应力混凝土管桩啮合式( 机械) 快速接头技术【1 4 】。这些接头技术 在一般的桩基工程中获得了一定的推广，在大直径预应力混凝土管桩中应用很少。另外一些新型接头形 式是对传统端板焊接接头的改进，比如中港第三航务工程局开发的新型碗状接头悯。 1 3 预应力锚固体系简介 所谓预应力锚固体系( 也可以称为张拉体系) 主要指预应力钢筋的张拉和锚固方法，以及相应的一些 构造和操作细节。由于采用的力筋形式和张拉方法的不同，国内外形成了上百种锚固体系。近2 0 年随 着预应力技术应用的扩大，预应力锚固体系有很多新的发展，以往采用对于钢丝和钢丝束的预应力锚固 体系较多，而近年来钢绞线的应用越来越广泛，因此，对钢绞线的锚固体系种类繁多，有单根张拉的单 孔锚具，有多根张拉的多孔锚具，更有数十根分单元或整束张拉的重型锚具等。 1 3 1 对锚具的要求 先张法制作预应力构件，其预应力钢筋是临时固定于台座和钢模上，需要锚具和夹具：后张法制作 预应力构件，其预应力筋必须依靠锚具来传递压力，并且预应力筋永久锚固于构件上。因此。锚具是保 证预应力混凝土结构安全可靠工作的技术关键部件。为此，无论在设计、制造或选用锚具时，应满足以 下要求：受力安全可靠；引起的预应力损失较小；构造简单、制作方便、价格便宜；张拉锚固简便、传 力迅速等。 1 3 2 锚具的类型简介 锚具的类型繁多，其分类又是多种多样的，但是按照其传力锚固的受力原理，可以归纳为三类1 7 】： l 楔紧式锚固。这种锚具主要依靠摩阻和挤压传力，如夹片式和锥形锚具，这种锚具可以锚固钢丝 也可以锚固钢绞线。 2 支承式锚固。它是依靠承压锚固的锚具，如用于粗钢筋的螺丝端杆式锚具及锚固较多钢丝的墩头 锚。 3 粘结力锚固。这类锚固一种是先张法中依靠混凝土和钢筋的粘结力锚固，另一种是在后张法中将 3 变塑奎兰堡主兰堡丝苎 预应力筋束一端制作成散状的锥形、梨形或环形，在混凝上中结成较大的块体形成固定端锚具埋在构件 混凝土中对。于不同型式的锚具，需要有不同的张拉机具( 千斤顶) 与之配套使用。因此，在预应力混凝 土结构的设计和施工中必须注意锚具同张拉机具的选择，二者要配套考虑。 1 3 3 夹片式锚具 夹片式锚具种类很多，有锚固单根钢绞线的套筒式锚具( 单孔锚) 和锚固多根钢纹线的多孔锚固体 系。套筒式锚具有楔形夹片和锚环两部分组成，楔形夹片一般用三片( 外面有锥体坡度，夹片开有直缝 或斜缝) ，也有用两片或四片的。夹片内表面有齿并且经过硬化处理。如果在锚板上布有多个孔眼，每 个孔用一副夹片锚固一根钢绞线。即成为多孔锚固体系，如目前常用的o v m 锚系列锚具。o v m 锚的 张拉端由锚垫板、螺旋筋、锚板及夹片组成，其孔眼最多可以达到5 5 个，适用于大型钢绞线锚固；其 固定端有h 型白锚固和p 型锚固体两种。这类锚具除了锚具本身以外，为了接长钢绞线柬，还有连接 器设备和与之配套的张拉千斤顶。这种锚固体系的优点是布置灵活，可以用轻小吨位千斤项( 2 0 0 k t 0 进 行单根张拉和锚固，也可以用专门的大千斤顶一次同时张拉全部预应力钢绞线束。锚板和夹片是整个体 系的关键承载部件，它的作用是夹持住被张拉的钢绞线。每个锚孔和夹片构成一个基本的锚固单元。以 国内现在常用的o v m 锚具为例，对于o v l v l 锚具典型的锚固单元，夹片夹持钢绞线的长度为4 6 r a m , 夹片内径1 4 5m m ，丝牙数3 6 个。牙高不到lm m 。它在承受高达9 5 钢绞线极限拉力的情况下，一方 面必须确保夹持住钢绞线，不滑丝；另一方面必须尽可能减少夹片对钢绞线的损伤，以防钢绞线张拉破 断。由此可见，夹片丝牙所承受的应力水平相当高，钢绞线咬合段应力状态比较复杂【。 1 4 大直径预应力混凝土管桩在基坑支护中的应用 近年来，随着我国城市建设步伐的加快，一些大型的深基坑支护工程不断涌现，这些工程工期紧、 造价高、并且对施工产生的环境影响做出了严格的限制。作为深基坑工程支护桩的主要形式之一，目前 钻孔灌注桩的应用非常广泛。但是，由于成桩工艺的限制，钻孔灌注桩存在桩底沉渣等缺点，并且施工 会给环境带来严重的污染。泥浆处置一直是城市桩基施工中的一个难题，每方土的泥浆处置费高达6 0 7 0 元此外。此外，从钻孔灌注桩的竖向承载力考虑，往往并不需要全断面即实心断面；而从抗弯角度 考虑，断面中心部位混凝土所起的作用很小。由于支护桩的设计主要由抗弯承载力控制，因此采用环形 截面将大大节省材料【。 与钻孔灌注桩相比。大直径预应力管桩具有节省材料、无泥浆污染、桩身混凝土质量易于保证，且 施工速度快等优点。与预制类、沉管类的实心桩相比，大直径预应力管桩的挤土效应小，从而可以设计 出较大的桩径。预制类、沉管类的实心桩在打入土层时会产生严重的挤土效应，导致已施工桩的桩身发 生变形、断裂、错位、上浮，尤其是预制桩的接头处更易破坏。并且由于挤土严重，沉管和预制桩的打 入阻力很大，目前应用的设计断面直径均在6 0 0 r a m 以内，而大直径预应力管桩既克服了挤土。又使应用的 设计断面远远扩大，同时由于采用了预应力，桩身的整体刚度较预制类桩要好，且成桩可以全部在现场完 成，施工方便又速度快，降低了工程成本。 4 5 本文主要研究内容 本文首先对现有的几种较有代表性的管桩接头形式进行了比较研究，在此基础上提出了一种基于单 孔预应力夹片式锚具工作原理的新型的管桩接头管桩锚固式接头。这种接头是一种针对大直径预应 力管桩接桩需要的快速机械接头，比较传统接头它操作方便快捷，满足一般的受力性能，防腐效果好， 适合海洋港口等工程中大直径预应力管桩的接桩需求，同时通过改进型号，也能方便的用于一般基础工 程中的较小直径的预应力混凝土管桩。 由于本接头是基于一般单孔预应力夹片式锚具的工作原理设计的，因此接下来本文对夹片式锚具进 行了初步的力学分析，以对锚具及锚固式接头的力学性能有一个基本的认识；在此基础上对接头进行了 4 第一章绪论 相关实验研究，获得必要的数据；最后利用a n s y s 软件对接头进行了建模分析，以对接头的工作性能 进行更全面的了解，并与实验结果对比分析，为新型接头的应用提供理论支持。 针对大直径预应力管桩在基坑工程中的应用，研究了管桩与压顶圈梁的连接问题。本文对一种新的 大直径管桩与圈梁的连接方式进行了研究，即直接将桩伸入圈梁一定长度锚固，而取消了桩的主筋伸入 圈梁这一构造要求。这一措施简化了施工工艺，节省了施工时间，具有很大的实用价值。接着对这连 接方法进行了理论分析，主要从两个方面进行考虑，一是预制管桩桩身高强混凝土与圈粱混凝土之间的 粘结属于新老混凝土的牯结问题；二是管桩桩身与圈粱接触位置受弯矩剪力作用，圈粱混凝土强度相对 桩身混凝土强度要低，圈梁混凝土存在破坏的问题。 另一个大直径预应力混凝土管桩在基坑工程中的应用问题是，在围檩与桩身连接处，由于桩是空心 的，桩身可能存在因局部受压而破坏的问题。本文针对这一问题。选择直径3 0 0 ，4 0 0 和5 0 0 的p h c 管 桩各一组进行了对比试验，研究了p h c 管桩的局部受压承载力随着桩径的变化规律，以及影响管桩局 部受压承载力的其它因素，比如桩身约束，桩长等。 东南大学硕士学位论文 第二章先张法大直径预应力混凝土管桩的接头形式研究 本文所研究的先张法管桩接头形式，并不是要求管桩的管节生产要采用先张法工艺，而是相对于管 节之间通过施加预应力连接的后张法施工工艺而说。因此一般的先张法预应力混凝土管桩的端头板焊 接，或者后张法大直径管桩长管节间的端头板焊接都属于本文管桩接头形式的研究范围。 下面介绍几种新型管桩接头形式。 2 1 预应力混凝土管桩啮合式( 机械) 快速接头技术 由广州市红棉干挂石工程有限公司于2 0 0 1 年前研究开发成功并获得推广。 图2 1 管桩啮合式机械快速接头示意图 预应力混凝土管桩啮合式( 机械) 快速接头技术( 简称“机械快速接头”) 是一项新型管桩接驳方法， 它应用“机械齿块啮合”的原理，用带锯齿形的连接销插入预埋在桩端头板的连接槽中，连接销与藏于 连接槽内的有反向锯齿形的钢销板通过弹簧的伸缩紧固作用，将两者相互啮合，使两节桩连成整体。这种 新技术不但能够可靠地传递压力，还可以承受弯矩、剪力和拉力。该方法首先需要将连接槽和连接销清 扫干净，接着在连接槽内涂抹适量的防水胶，然后让桩端的各个连接销对准下部入土桩的连接槽后插入， 从而使到连接槽内的空隙被防水胶溢满，使两根桩通过连接销的机械啮合作用而紧密的连接起来 【1 4 】9 1 2 0 1 。 与传统的人工焊接接头相比机械快速接头技术有如下优点l 9 1 1 2 0 1 ： 1 ) 不受天气条件影响和限制，不存在明火操作，下雨刮风天气照常可以施工，有助提高施工安全。 2 ) 接驳时间短，提高打桩机械的使用率，加快施工进度，缩短了施工周期，而且可以贯穿任何土层和 砂层，避免砂层的固结作用。 3 ) 防腐能力强，耐久性好，所有金属零件都经热镀锌处理，镀锌层较厚，能在恶劣环境中长期使用。为 了加强接头的防腐措施，在施打接桩时，又在镀锌盒内及连接销丝牙上加涂沥青胶泥。 4 ) 锤击施工减少烂桩数量。当岩土以上覆盖较厚淤泥或软土层时，桩项受多阵锤击，此时桩顶遇到的 基岩反力是不对称不均匀的，产生偏心弯矩，此弯矩随锤击加大而增加，由于焊接接头是硬性的，而机械 快速接头是带有弹性的，后者锤击时有弹性缓冲作用，故烂桩数量会减少。 在部分工程的实际应用中也存在以下缺点| 1 4 】f 1 9 | ： 1 ) 对连接销和连接槽的对接要求较高。因连接销与连接槽存在尺寸的偏差或人为对槽不符合要求至 使接口处倾斜或偏移，造成管桩接头处在落锤施打后挤裂而出现管桩烂头。 2 ) 机械快速接头管桩下节桩与上节桩对接施打第一锤因淤泥层过厚致使下节管桩快速滑入，造成不 能接桩。 6 苎三兰生鲞鲨盔塞墨塑堕垄堡墨圭笪丝塑董墨丝塑塞 3 ) 使用机械快速接头的管桩，其接桩按施工指南施工后，有可能出现地下水从接桩位置渗入管桩内， 造成管桩内积水影响管桩的质量。 ， 4 ) 由于机械快速接头是新技术、新工艺，对成桩后的验收检测用低应变反射波法检测该类接头质量 经验不足，且在实际的操作中未有专门成熟的检测依据，其产品也没有国家认可的检测部门对产品或材 料进行质量鉴定的证明文件。因此对产品的质量检验工作无法按常规进行。 5 ) 与传统焊接工艺相比，成本较高，影响了产品的进一步推广 2 2 管桩螺纹机械快速接头 由福建闽侯建筑机械厂于2 0 0 4 年前研制成功，并获得一定推广。 图2 - 2 管桩螺纹机械快速接头构造及连接示意图 1 ) 原理及构造 管桩螺纹机械快速接头技术是一项将预埋在管桩两端的连接端盘和螺纹端盘，用螺母快速连接，使 两节桩连成整体的新型连接技术。它是通过连接件的螺纹机械咬合作用连接两根管桩，并利用管桩端面 的承压作用，将上一节管桩的力传递到另一节管桩上，不仅能可靠地传递压力。还能承受弯矩、剪力 和拉力。螺纹机械快速接头由螺纹端盘、螺母、连接端盘和防松嵌块组成，其设计原则是接头受力不少 于桩身受力，主要满足各类工业与民用建筑基础工程中承压、抗弯、抗剪、抗拔的预应力混凝土管桩的 连接“1 。 2 ) 管桩螺纹机械快速接头施工工艺 根据工程需要，管桩螺纹机械连接构件在管桩浇注前，先将螺纹端盘和带螺母的连接端盘分别安装 在管桩两端上，两端盘平面应和桩身轴线保持垂直，端面倾斜不大于o 2 口( d 为管桩直径) 。同时 为方便现场施工，在浇注时管桩两端各应加装一块挡泥板和垫板工装。在第一节桩立桩时。应控制好其 垂直度，且垂直度应控制在0 3 以内，即可满足接桩要求。在管桩连接中，应按先卸下螺纹保护装置， 松掉螺母中的固定螺钉，两端面及螺纹部分用钢刷清理干净，端面涂上1 ：0 3 3 益胶泥及丙烯酸水t 利 用构件中的对中机构进行对接，提上螺母按顺时针方向旋紧，再用专用扳手卡住螺母敲紧。若为锤击桩， 则应在螺母下方垫上防松嵌块，用螺丝拧紧，以防松掉。接头连接质量应符合福建省工程建设地方标准 预应力混凝土管桩机械快速连接接头施工及验收规程( d b j l 3 - - 5 8 - - 2 0 0 4 ) 的要求。为降低桩身成本， 减少不必要浪费，施工现场可根据工程实际情况，将工程桩的首节桩尖端头板与末节端头板采用普通的 端头板，连接部位采用机械接头。工程桩接头部位按图2 2 所示采用管桩螺纹机械接头连接， 操作人 员在施工前应做好技术交底，严格有关安全操作规程，不得违章作业“。 3 ) 管桩螺纹机械快速接头优缺点 与传统的人工焊接接头相比螺纹机械快速接头技术有如下优点： 不受天气条件影响和限制，不存在明火操作，刮风下雨照常可以施工，有利于提高施工安全。 7 东南大学硕士学位论文 上下连接构件中的锥度对中机构能确保两桩对接时不产生错位，有良好的对中性好，确保桩身 垂直度控制很好。 连接时间短，提高打桩机械的使用率，加快施工进度，缩短施工工期，而且可以贯穿任何土层和 砂层。 螺纹机械快速接头相对焊接接头带有弹性，有弹性缓冲作用，锤击施工时可减少烂桩数量。 但也存在以下缺点： 防腐能力较弱。 成本较高，推广困难。 2 3p h c 桩碗形接头 这是中港第三航务工程局针对海洋港lit 程大直径p h c 管桩接桩问题专门研究的一种新型桩端板 形式。 2 3 1p h c 桩碗形接头研究背景 图2 - 3p h c 桩碗形接头 近年来伴随着海上工程( 外海深水码头工程、跨海大桥工程等) 建设的热潮，长管节的大直径p h c 管桩得到了广泛的应用。现在3 0 m 长管节的p h c 管桩已经形成系列的品种，该桩型具有结构强度高、 刚度大、可贯入性好、耐锤击性能强、抗渗性能好、抗弯能力高、结构承载力大等特点。并且，由于单 节长达3 0 m ，在一般水工工程中可确保桩的钢质接头进入泥面以下一定深度，并能超过第一零弯矩点的 深度，有利于接头防腐和结构安全。 由于海上施工工艺的特殊性，整桩必须先拼接再施工。一般的拼接方法是采用传统的端头板直接焊 接的工艺。但是传统的焊接施工存在着以下缺点：焊接质量控制较困难，对焊接质量的后续检测缺少相 应的有效方法；焊接点紧靠混凝土，在焊接热影响区内会造成管桩混凝土的损伤；传统端板刚度相对桩 身来说较低。因此，接头处也成了整桩的薄弱环节。实际施工中，事故桩的损坏点多出现在接头处。 2 3 2p h c 桩碗形接头设计思路 因为碗形接头是对传统端板焊接形式的改进，因此它的设计思路是即能保证桩身的整体受力性能一 致，又能摈除如上所述传统端板焊接的缺点。 1 ) 按照确保桩身整体抗弯刚度一致的原则，确定碗形接头环形板的厚度。 结构要求桩身整体抗弯刚度是一致的，因此碗形接头环形板截面的抗弯刚度不能小于桩身混凝土截 面的抗弯刚度。取接头环形板截面的抗弯刚度等于桩身混凝土截面的抗弯刚度； e h x ih = e c x i c 8 ( 2 1 ) 第二章先张法大直径谈应力混凝土管桩的接头形式研究 e 接头环形板材料的弹性模量； e _ p h c 管桩混凝土的弹性模量； 厶接头环形板截面对截面中心轴的惯性矩； l p h c 管桩截面对中心轴的惯性矩 环形截面对中心轴的惯性矩： i=o049(d4-d4、(2-2) d - - - - - 圆环外径；d - - - 圆环内径。 再结合定型钢板尺寸和海港防腐蚀规范相关规定，最后可确定环形板截面厚度。 2 ) 按照保证桩身可检测性和隔离高温传递的原则，确定碗形接头环形板长度。 根据有关检测的要求，环缝超声波探伤及x 射线探伤需要2 5 c m 宽度。 而碗形接头是先加工的，其焊接高温不会直接影响混凝土。关键在于管桩拼接时焊接温度会沿着环 形板高度方向传递到混凝土。根据中港第三航务