预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造及施工方法
技术领域
本发明涉及桩基连接技术领域，具体涉及一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造及施工方法。
背景技术
随着国家对远海的建设开发力度加大，大量在建或拟建的码头、机场跑道、海上风机和石油平台等逐年增多，基础结构建设是上述远海平台建设的重难点。预应力混凝土管桩以其高强、高耐久性的特点，可大幅降低桩基自重，显著提高桩基的使用寿命，在远海恶劣服役环境下具有较好的适应性。
对于采用钢结构的上部轻型平台，其与预应力混凝土管桩的可靠、快速连接技术是在远海平台建设应用中亟需攻克的研究方向。现有技术中，海上风电基础多采用灌浆连接，通过剪力键或粘接力实现钢管桩与钢套筒的连接，由于预应力混凝土管桩与钢管桩在结构形式上差异较大，这种灌浆连接技术无法直接应用于预应力混凝土管桩与钢管立柱的连接中。
中国发明专利CN 108867634 A(适于珊瑚礁地质的组合桩基结构及其施工方法)中提出了一种适用于预应力混凝土管桩与钢管立柱的连接结构，钢管立柱套设在预应力混凝土管桩外部，钢管立柱内侧设有抗剪键齿，在两者之间的中空空间填充灌浆料，实现两者的连接。由于预应力混凝土管桩通过离心制作而成，预应力混凝土管桩外壁通常致密光滑，与灌浆料的粘接效果较差，在波浪、风荷载的循环往复作用下，粘接力难以达到保障而发生相对滑动，进而发生破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造及施工方法，主要通过在灌浆连接段设置钢键齿与混凝土键齿的混合形式，实现了简明的连接，具有较高的承载力及经济性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造及施工方法，包括预应力管桩以及同轴心套设在所述预应力管桩的上部节段的周向外侧的钢管立柱，所述预应力管桩与所述钢管立柱之间形成灌浆料区，所述灌浆料区的顶部设置有限位装置，底部设置有密封装置；
所述预应力管桩与所述钢管立柱的相对应的侧壁上分别设置第一干涉结构和第二干涉结构；
所述第一干涉结构包括沿所述预应力管桩的高度方向连续等距设置的若干凹部和若干凸部；
所述第二干涉结构包括沿所述钢管立柱的高度方向等距间隔设置的若干突出构件；
所述钢管立柱的外侧壁上设置有注浆孔和溢浆孔。
优选的是，若干所述凹部和若干所述凸部，相互之间上下等距交错设置，形成平齿状。
优选的是，所述钢管立柱的外侧壁对应所述预应力管桩的所述凹部的水平位置处均设置有第一预留螺孔，以及所述凹部水平对应所述第一预留孔的侧壁设置有第二预留螺孔；
还包括膨胀螺丝，其均自所述第一预留螺孔伸入穿插至所述第二预留螺孔内，所述膨胀螺丝带有橡胶垫片。
优选的是，所述密封装置包括橡胶圈和螺栓副；
所述橡胶圈包括外弧部和竖直部，所述外弧部为从上到下直径逐渐增大的圆筒状，所述外弧部套设在所述预应力管桩的周向外侧，且所述外弧部的上部贴合所述预应力管桩的外侧壁，所述外弧部的下端延伸形成直筒状的竖直部，所述竖直部远离所述预应力管桩的一面贴合所述钢管立柱的内侧壁；
所述钢管立柱的周向侧壁上与所述竖直部贴合设置部分均等距间隔设有多个连接通孔；
所述螺栓副包括，若干螺杆和若干螺帽，多个所述螺杆均分别对应螺接于所述连接通孔内，并均通过所述螺帽紧固。
优选的是，所述限位装置为若干下部带有第一凹槽的钢板，且均周向布设在所述钢管立柱的内壁；
其中，所述预应力管桩的顶部设置有端板，所述端板上设置有若干与所述第一凹槽相适配的凸起，所有所述凸起都分别一一对应卡设在若干所述第一凹槽内。
优选的是，
所述注浆孔设置在所述钢管立柱的下部分节段上，为矩形孔，其中套设固定单向密封装置；所述单向密封装置包括矩形通道和单向卡片；所述矩形通道贴合固定在矩形孔内，所述单向卡片上端与所述矩形通道的内侧顶壁活动连接，所述单向卡片斜向设置于所述矩形通道内，且斜向方向朝向所述预应力管桩方向。
优选的是，
所述单向密封装置还包括联动杆和转盘，所述联动杆一端与所述单向卡片上端固定并共同通过一安装块活动连接于所述矩形通道的侧壁，所述联动杆远离所述单向卡片的一端连接所述转盘，
所述矩形通道的侧壁上设置有一长度方向朝向单向卡片的弧形凹槽，所述转盘可沿弧形凹槽的弧形轨迹滑动，位于所述弧形凹槽的起始位置处设置有一卡销，其限制所述转盘在所述弧形凹槽内发生位移。
一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述预应力管桩安装至预定施工位置；
步骤二、将所述限位装置固定在所述钢管立柱上端，并将密封装置安装在所述钢管立柱下端；
步骤三、将所述步骤二中的所述钢管立柱垂直吊装并嵌套在预应力管桩的外侧；
步骤四、在钢管立柱外侧的每个预留螺孔中均打入膨胀螺丝并固定；
步骤五、利用外部灌浆机构自灌浆孔灌注灌浆料，灌浆完毕后对灌浆料进行养护。
本发明至少包括以下有益效果：
1)钢键齿与混凝土键齿的混合使用，极大的简化了连接结构的设计，传力路径更加清晰明了，不光制造与安装更加便捷，而且大大增强了预应力管桩和钢管立柱的连接稳定性。
2)原生产装置、设备、预制模板等可继续使用，仅需对原预制模板进行局部改造即可投入使用，可降低一次性投入。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为限位装置和端板结构示意图；
图3为本发明单向密封装置结构示意图；
图4为活动卡销示意图；
图5为活动卡销启动后示意图；
图6为密封装置结构示意图；
说明书附图标记说明：1、限位装置，2、端板，3、预应力管桩，4、密封装置，5、钢管立柱，6、溢浆孔，7、预留螺孔，8、灌浆料，9、钢键齿，10、注浆孔，11、矩形通道，12、单向卡片，13、弧形凹槽，14、单向密封装置，15、凸起，16、第一凹槽，17、联动杆，18、转盘，19、活动卡销；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-6所示，本发明提供了一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造，包括预应力管桩3以及同轴心套设在所述预应力管桩3的上部节段的周向外侧的钢管立柱5，所述预应力管桩3与所述钢管立柱5之间形成灌浆料区，所述灌浆料区的顶部设置有限位装置1，底部设置有密封装置4；
所述预应力管桩3与所述钢管立柱5的相对应的侧壁上分别设置第一干涉结构和第二干涉结构；
所述第一干涉结构包括，沿所述预应力管桩3的高度方向连续等距设置的若干凹部和若干凸部；
所述第二干涉结构包括，沿所述钢管立柱5的高度方向等距间隔设置的若干突出构件；
所述钢管立柱5的外侧壁上设置有注浆孔10和溢浆孔6。
在上述技术方案中，灌浆料区顶部的限位装置1可将钢管立柱5固定住，防止钢管立柱5上下偏移。底部的密封装置4用于防止灌浆料8从底部流出，一方面提高灌浆料8的利用率，另一方面让灌浆料8凝结的更加密实，提高灌浆料8的性能。第一干涉结构设置的凸部和凹部和第二干涉结构设置的突出构件分别增强灌浆料8与预应力管桩3和灌浆料8与钢管立柱5连的连接稳定性，使整个连接构造更加的稳固，避免了致密光滑的预应力混凝土管桩外壁由于与灌浆料8的粘接效果差，在波浪、风荷载的循环往复作用下，粘接力难以达到保障而发生相对滑动，进而发生破坏的风险。注浆孔10用于施工时灌浆料8的注入，溢浆孔6用于确定灌浆料8的注入深度，多出的灌浆料8可从溢浆孔6溢出。
在另一种技术方案中，若干所述凹部和若干所述凸部，相互之间上下等距交错设置，形成平齿状。
在上述技术方案中，凸部和凹部交错，形成了平齿状的土键齿，这样混凝土键齿的断面为梯形，既可方便脱模，也能使土键齿区域管桩混凝土及灌浆料8密实均匀。突出构件可以为钢键齿9，可设置混凝土键齿凸部与凹部宽度之比与灌浆料8和预应力混凝土管桩混凝土材料抗剪强度之比应接近，可以使得在灌浆料8与预应力混凝土管桩的结合面上两部分具有大体上相等的抗剪承载力，从而最大限度的发挥材料的利用效率，混凝土键齿高度不超过预应力管桩3保护层厚度，避免预应力混凝土管桩内部螺旋筋或预应力钢束的局部裸露，以及部件间位置的冲突引起的预制上的困难，钢键齿9的间距与混凝土键齿的间距一致，便于形成均匀的斜向受压短柱，使本构造具有更高的极限承载力。
在另一种技术方案中，所述钢管立柱5的外侧壁对应所述预应力管桩3的所述凹部的水平位置处均设置有第一预留螺孔，以及所述凹部水平对应所述第一预留孔的侧壁设置有第二预留螺孔；
还包括膨胀螺丝，其均自所述第一预留螺孔伸入穿插至所述第二预留螺孔内，所述膨胀螺丝带有橡胶垫片。
在上述技术方案中，施工前设置膨胀螺丝可对钢管立柱5起临时固定的作用，施工时由于存在橡胶垫片可防止灌浆料8从预留螺孔的缝隙漏出，施工完成后，膨胀螺丝留在灌浆料8中，可增强钢管立柱5和预应力管桩3的连接强度。
在另一种技术方案中，所述密封装置4包括橡胶圈和螺栓副；
所述橡胶圈包括外弧部和竖直部，所述外弧部为从上到下直径逐渐增大的圆筒状，所述外弧部套设在所述预应力管桩3的周向外侧，且所述外弧部的上部贴合所述预应力管桩3的外侧壁，所述外弧部的下端延伸形成直筒状的竖直部，所述竖直部远离所述预应力管桩3的一面贴合所述钢管立柱5的内侧壁；
所述钢管立柱5的周向侧壁上与所述竖直部贴合设置部分均等距间隔设有多个连接通孔；
所述螺栓副包括，若干螺杆和若干螺帽，多个所述螺杆均分别对应螺接于所述连接通孔内，并均通过所述螺帽紧固。
在上述技术方案中，灌浆料8过程中贴合预应力管桩3的外侧壁橡胶圈外弧部受灌浆料8自重作用，与预应力管桩3接触面上形成挤压力，从而实现灌浆空间底部的密封。
在另一种技术方案中，所述限位装置1为若干下部带有第一凹槽16的钢板，且均周向布设在所述钢管立柱5的内壁；
其中，所述预应力管桩3的顶部设置有端板2，所述端板2上设置有若干与所述第一凹槽16相适配的凸起15，所有所述凸起15都分别一一对应卡设在若干所述第一凹槽16内。
在上述技术方案中，带有凹槽的端板2与限位装置1通过突起和第一凹槽16相互作用，不光限制了带有限位装置1的钢管立柱5上下位移，也限制了钢管立柱5的左右移动，极大的增强了钢管立柱5也预应力管桩3的连接稳定性。
在另一种技术方案中，
所述注浆孔10设置在所述钢管立柱5的下部分节段上，为矩形孔，其中套设固定单向密封装置14；所述单向密封装置14包括矩形通道11和单向卡片12；所述矩形通道11贴合固定在矩形孔内，所述单向卡片12上端与所述矩形通道11的内侧顶壁活动连接，所述单向卡片12斜向设置于所述矩形通道11内，且斜向方向朝向所述预应力管桩3方向。
在上述技术方案中，由于施工时灌浆料8从钢管立柱5底部灌浆孔注入，随着灌浆料8的增多，灌浆料8对灌浆孔的压力越大越大，部分灌浆料8便会从灌浆孔缝隙处漏出；设置了单向密封装置14让灌浆料8只能从灌浆孔注入，减少了不必要的灌浆料8的浪费，优化了施工质量；单向密封装置14的矩形通道11供灌浆料8灌入，单向卡片12只能顺着灌浆料8流进的方向开启，若灌浆料8逆行，则单向卡片12便会在灌浆料8压力下紧密密封。
在另一种技术方案中，
所述单向密封装置14还包括联动杆17和转盘18，所述联动杆17一端与所述单向卡片12上端固定并共同通过一安装块活动连接于所述矩形通道11的侧壁，所述联动杆17远离所述单向卡片12的一端连接所述转盘18，位于所述矩形通道11的侧壁上设置有一长度方向朝向单向卡片12的弧形凹槽13，所述转盘18可沿所述弧形凹槽13的弧形轨迹滑动，位于所述弧形凹槽13的起始位置处设置有一活动卡销19，其卡设限制所述转盘18在所述弧形凹槽13内发生位移。
在上述技术方案中，单向卡片12和联动杆17固定保持一个固定的角度，转动转盘18可带动单向卡片12的开闭。在转盘18内侧设置一凹陷，所述凹陷内设置活动卡19，其与所述转盘18活动连接；当所述单向卡片12完全密封时，联动杆17处于水平状态，开启活动卡销19，限制转盘18的活动从而限制单向卡片12的转动，使灌浆孔处于一个完全封闭的状态，防止灌浆料8漏出，设置活动卡销的目的是防止单向卡片受灌浆料的影响不能完全闭合。
单向密封装置14的材料为锌，与钢管立柱5焊接在一起；由于锌的金属的活泼性要强与钢，因此所述构造在户外，锌会先被腐蚀，可大大延长钢管立柱5的使用寿命，使所述构造长期保持稳定。
一种预应力混凝土管桩与钢管立柱灌浆连接构造的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述预应力管桩3安装至预定施工位置；
步骤二、将所述限位装置1固定在所述钢管立柱5上端，并将密封装置4安装在所述钢管立柱5下端；
步骤三、将所述步骤二中的所述钢管立柱5垂直吊装并嵌套在预应力管桩3的外侧；
步骤四、在钢管立柱5外侧的每个预留螺孔7中均打入膨胀螺丝并固定；
步骤五、利用外部灌浆机构自灌浆孔灌注灌浆料8，灌浆完毕后对灌浆料8进行养护。
灌浆料8采用高强灌浆料，具有大流动性，无收缩、强度高、抗疲劳性能高等特点，其28d立方体抗压强度可达120MPa以上，抗折强度可达22MPa以上，弹模可达45MPa以上。
对传统预应力管桩3预制模板内壁稍作改造即可生产带混凝土键齿的预应力管桩3，改造方式为在预制模板内壁中焊接截面与预应力管桩3凹部截面相同的钢环，钢环的位置与所述凹部的位置相对应，这样原生产装置、设备、预制模板等可继续使用，仅需对原预制模板进行局部改造即可投入使用，可降低一次性投入。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
