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新型管墩-桩基承台承插式连接介绍

373 2020-11-11 14:24:37

本文想初步说明两件事:一是新型管墩-桩基承台承插式连接从施工角度是便捷的、实用的;二是新型管墩-桩基承台承插式连接设计方案通过试验验证后从设计使用角度是安全的。虽然这两点本文都未给出严密的逻辑论证,但是做设计的人应该知道适用范围,知道可用是前提;严密的论证,留待大家一起完成。

不足之处,请批评指正。

一、它山之石

本人对工业化制造、装配化施工的理解是“构件是基础,连接是关键”。“构件是基础”指的是假如预制构件没有比较优势,那么最终的产品也只能说是完成了装配式的目标,依然有优化的空间。“连接是关键”指的是连接不仅仅可以实现,且应该具备大容差和可调节误差的能力;拼装期间高精度的要求和不具备可调节误差的能力,必将限制装配式总体目标的实现。

举例更容易看明白。比如现在购买的家具大多是工厂制作标准件,送货到家之后再拼装完成;几十年前是木工去家里打家具。

传统木工工具


现代数控开料机


为什么现在多购买预制拼装的家具?第一,工业化生产可以应用大型机械设备、新型生产工艺,专业化制造生产,例如漆面等具有明显的比较优势。第二,连接方式已经更新迭代了数次,逐步克服工业化拼装时的一些缺点,最典型的就是柜门的连接件。

传统合页

铰链合页

这些还是想说“工业化制造、装配化施工”在我们土木工程行业里面既会是未来发展的必然方向,同时也应该向先进行业学习成功经验,研究具有更好适应性的连接方案。

二、承插式连接简介

承插式连接是将预制墩柱插入基础或盖梁的预留孔内,墩柱与基础或盖梁之间没有钢筋连接,仅通过预制墩柱与基础或盖梁之间的空隙填充混凝土或高强低收缩材料进行固定连接。

国外承插式连接多用于预制墩柱和扩大基础的连接,分为下图两种方案。


国内桥梁通常采用桩基础,承插式连接就变成用于预制墩柱和桩基承台之间的连接,上海市同样做了两种连接方案见下图。


优点:接缝之间只有灌浆料,构件之间没有钢筋连接,预制墩柱放入基础构件中后,施工允许偏差大,方便调节,施工便捷。

缺点:连接处受力复杂,设计难度高;应用可能的边界条件多样,研究成果较少;当前方案插入深度大、承台厚,经济性、实用性一般。

总结:确保使用安全前提下,如果可以降低桩基承台的总厚度并且满足施工便捷性,就可以使得墩柱-基础承插式连接与其它连接方式相比具备明显的比较优势。


三、新型管墩-桩基承台承插式连接

中交二公院承插式连接方案1.0版。


本方案采用多个技术手段后,新型管墩-桩基承台承插式连接实现了承台总厚度1.5m规范最小值的目标。接缝材料采用高强无收缩水泥灌浆料(灌浆套筒使用的灌浆料)外加施工过程的可视化,施工便捷性、施工质量和施工周期都具有明显的比较优势。

模型试验共两批次13个构件,试验结果全部的试验构件连接节点强度均大于结构构件强度

四、当前设计的安全问题

当然不是试验构件满足设计荷载就完全没有问题了,需要考虑模型构件和工地使用的区别与不同。

当前规范设计方法的核心思想是“以概率论为基础、按分项系数表达的极限状态设计方法”,是对中庸思想“知其两端而取其中”的数学公式化的表达。

试验完成后,在没有形成完善的理论的时候,可以从安全系数和材料设计强度两个角度来衡量。

1、安全系数

插入深度0.5D的试验构件破坏位于墩柱而非连接,设计采用0.7D,安全系数大于(0.7/0.5)2=1.96。

底板抗冲切和接缝抗冲剪,加载设计轴压比1.2,实际使用轴压比不会超过0.3,所以分别的安全系数大于1.2/0.3=4。

如果试验和使用时的边界条件保持不变,试验构件安全系数大于2通常可以满足设计使用要求,从安全系数来看新型管墩-桩基承台承插式连接是可以满足设计要求的安全度的。

2、材料设计强度

设计灌浆料采用高强无收缩水泥灌浆料,28d抗压强度大于100MPa。参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》混凝土强度等级至轴心抗压强度设计值的换算关系,估算灌浆料的轴心抗压强度设计值为42.8MPa。实际使用值不再考虑①混凝土材料分项系数②实际构件与试件的差异③脆性折减系数④试件保证率换算,仅考虑混凝土棱柱体与正方体的换算关系,则第二批试验中通过降低填充材料强度性能的三个模型试件(试验抗压强度42.8MPa、45.6MPa、54.0MPa)的棱柱体强度分别为32.5MPa、34.6MPa、42.1MPa都小于估算的材料抗压强度设计值42.8MPa。


通过试验构件实际使用的原材料来模拟设计中的原材料特性,也可以初步判断新型管墩-桩基承台承插式连接是可以满足设计要求的。