用H型混凝土桩改善整体式桥台支撑桩受力性能的方法

摘要

本发明涉及一种用H型超高韧性混凝土桩改善整体式无缝桥梁桥台桩基础受力性能的方法，属于桥梁领域，包括以下步骤：1）通过有限元软件模拟支撑桩并与实验桩对比，在两者相符的情况下将支撑桩截面设计成使桩体受力性能最优的H型截面，该H型截面强弱轴分明；2）制备超高韧性混凝土；3）制模、布筋，并将超高韧性混凝土支承桩分成多单元预制，且每段单元的端部截面为矩形，中部截面为H型；4）将各单元通过连接钢板和螺钉连接成一体，连接部位由实体的矩形截面段渐变成H型截面段，并外伸若干根螺纹杆且至少伸入到下一单元约1/4处；5）于支撑桩桩头布置若干螺纹剪力钉并现浇整体式桥台。该方法能有效降低桩的水平抗推刚度、显著增加桩的耐久性，并能省去高额的维护费用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用H型超高韧性混凝土桩改善整体式无缝桥梁桥台桩基础受力性能的方法，其可用于支撑整体式无缝桥梁桥台，属于桥梁领域。

背景技术

国内外对整体式桥梁桥台支撑桩的研究成果主要集中在常规荷载（如温度等变形）作用下普通桩的受力变形性能分析和计算方法的探讨，如预制预应力混凝土桩和H型钢桩等，这些研究为其在正常使用荷载作用下的合理设计和施工起到了铺垫作用。因整体式无缝桥台桥梁不仅能省去价格昂贵的支座，免去维修和更换支座的费用，而且整体性和抗震性能好，能有效防止车跳现象，行车更舒适。因此近年来整体式无缝桥台桥梁一直很受工程界所亲赖。然而，整体式无缝桥台桥梁上部结构的温度变化、混凝土收缩变形、汽车制动力会使桩产生很大的变形，这些变形都需要桥台下部支承的桩来吸收。因此整体桥设计的最关键部位是桥台下的支撑桩体系。在保证竖向承载能力的前提下，支撑桩要求具有足够的水平变位能力，以适应桥梁的温变。如此桩的水平变位能力（同时要满足竖向承载能力）决定最大无缝桥可允许桥长。目前支承整体式无缝桥台的桩有木桩（只用于小的桥体）、普通混凝土桩、钢桩、组合桩。一般钢桩都为H型钢桩或钢管桩。

最常见的用来支撑桥体基础的桩为钢桩和预制的预应力混凝土桩。但是从耐久性和使用性来讲，这两种桩都有一定的局限性。H型钢桩不仅成本高，且易腐蚀，耐久性差，钢管桩易腐蚀，水平抗推刚度大。预制预应力混凝土桩抗推刚度大，在往复变形以后极易开裂而导致钢筋锈蚀。支撑桩的钢筋一旦锈蚀，会影响桩的寿命，对桥梁的安全也带来很大隐患。

发明内容

本发明是针对普通混凝土支撑桩的水平抗推刚度大，当整体式桥台在温差、荷载等作用下产生较大纵向位移时桩体出现裂缝甚至钢筋锈蚀，最终导致桥梁失效等问题提供的一种用H型混凝土桩改善整体式桥台支撑桩受力性能的方法，其设计和施工方便，且能有效降低桩的水平抗推刚度、显著增加桩的耐久性，并能省去高额的维护费用。

本发明的技术方案在于：一种用超高韧性混凝土桩改善整体式桥台支撑桩受力的方法，包括以下步骤：

1）通过有限元软件模拟支撑桩并与实验桩对比，在两者相符的情况下将支撑桩截面设计成使桩体受力性能最优的H型截面，该H型截面强弱轴分明；

2）制备超高韧性混凝土；

3）制模、布筋，并将超高韧性混凝土支承桩分成多单元预制，且每段单元的端部截面为矩形，中部截面为H型；

4）将各单元通过连接钢板和螺钉连接成一体，连接部位由实体的矩形截面段渐变成H型截面段，并外伸若干根螺纹杆且至少伸入到下一单元约1/4处；

5）于支撑桩桩头布置若干螺纹剪力钉并现浇整体式桥台。

优选的，所述步骤2中超高韧性混凝土由预拌料、水、聚乙烯醇纤维、高效减水剂按照配合比搅拌制得。

优选的，所述预拌料为水泥、粉煤灰、硅灰、磨细沙等。每立方超高韧性混凝土中各成分参量为：磨细沙490~1390                                               ，水泥610~1080，硅灰50~334，粉煤灰0~410，聚乙烯醇纤维40~250，高效减水剂9~71，水126~261。

优选的，所述支撑桩的多单元分为头部单元、中部单元和尾部单元三部分，该三部分在安装时通过连接钢板和螺钉将各个单元连接成一体，且连接部位两侧分别设置连接钢板，预制支撑桩桩体时用螺栓拴住两连接钢板。

优选的，所述步骤3中在预制支撑桩单元时，在H型截面的翼缘和腹板处穿插10根钢绞线，然后进行张拉，达到预应力值后锚固并进行混凝土浇捣。

优选的，所述钢绞线在H型截面处的排布为上下翼缘各布置4根，腹板布置2根。

优选的，在预制支撑桩时将支撑桩桩头由H型截面突变成矩形截面实体段，并于实体段两侧各布置6根双头螺栓。

优选的，在预制支撑桩时于支撑桩桩头处对称布置有圆形提吊环，所述提吊环为直径20-30mm的钢筋制作。

优选的，所述步骤5中在支撑桩的桩头上端还布置有4个用以安装螺纹剪力钉或螺纹杆的螺帽或螺纹孔，当完成微型桩的打入后再安装螺纹剪力钉并现浇整体式桥台。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1. 该支撑桩的设计和施工方便，且能有效降低桩的水平抗推刚度、显著增加桩的耐久性，并能省去高额的维护费用；采用此种方法制成的H型超高韧性混凝土桩支撑整体式无缝桥梁桥台，可使支撑桩沿桥的纵向（H形截面的弱轴方向）水平抗推柔度小，使桩具有较好的变形能力，能够很好的适应上部结构的位移和变形；

2.混泥土中加有聚乙烯醇纤维，运用聚乙烯醇纤维的高韧性、高抗拉和强抗腐蚀等优良性能有效增增加桩的韧性、水平抗柔刚度以及抗腐蚀性能；

3. 应用超高韧性混凝土材料特性，使得桩具有很好的耐久性和抗腐蚀性；同时超高韧性混凝土在抗压强度方面具有比普通混凝土高出几倍的优点，可以在上部结构自重不变的情况下减少截面尺寸、节省材料，进一步减少费用；且桩体分为多单元节预制，单元与单元之间通过连接件连接，可以方便桩的运输和安装。

4.有效运用了最大堆积密度理论，使混凝土组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级骨料（磨细沙）堆积的间隙由微米级水泥、粉煤灰、矿粉等来填充，加有聚乙烯醇纤维和高效减水剂，在一定配合比下制作成超高韧性混凝土桩。

5.通过将桩设计成H型截面，利用H型截面强弱轴受弯、剪的工作机理，在满足桩的抗弯、抗剪能力的同时在纵向（H型截面的弱轴方向）有更低的抗推刚度且节约材料。

附图说明                                                                                                   

图1为本发明的使用状态结构示意图；

图2为本发明的支撑桩的结构示意图；

图3为本发明的支撑桩连接部位示意图；

图4为本发明的支撑桩连接部位侧视示意图；

图5为本发明的支撑桩单元头部截面示意图；

图6为本发明的支撑桩单元中部截面示意图；

图7为本发明的支撑桩单元尾部截面示意图；

图中：1-主梁  2-整体式桥台  3-梁端桥面板  4-桩周土  5-H型超高韧性混凝土支撑桩  6-连接钢板  7-螺纹钉（帽）  8-螺纹杆  9-钢绞线  10-双头螺钉  11-螺纹剪力钉  12-提吊环。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图7

一种用超高韧性混凝土桩改善整体式桥台支撑桩受力的方法，包括以下步骤：

1）通过有限元软件模拟支撑桩并与实验桩对比，在两者相符的情况下将支撑桩截面设计成使桩体受力性能最优的H型截面，该H型截面强弱轴分明；

2）制备超高韧性混凝土；

3）制模、布筋，并将超高韧性混凝土支承桩分成多单元预制，且每段单元的端部截面为矩形，中部截面为H型，如图5至7所示；

4）通过打桩机分单元打入桩周土4内，桩帽放置实体桩头部进行打入，每打入一单元就要通过连接件（6、7、8）连接下一单元并继续打入，两相相邻单元连接部位为单元体端部且单元体由实体的矩形截面段渐变成H型截面段，并外伸4根螺纹杆8且至少伸入到下一单元约1/4处；

5）于支撑桩桩头布置4根螺纹剪力钉11并现浇整体式桥台。

整体式桥台由H型超高韧性混凝土支承桩5支撑，主梁1与整体式桥台2现浇于一体，以使主梁梁端桥面板和桥台连成一体。

本实施例中，所述步骤2中超高韧性混凝土由预拌料、水、聚乙烯醇纤维、高效减水剂按照配合比搅拌制得。

本实施例中，每立方超高韧性混凝土中各成分参量为：磨细沙490~1390，水泥610~1080，硅灰50~334，粉煤灰0~410，聚乙烯醇纤维40~250，高效减水剂9~71，水126~261。

本实施例中，所述支撑桩5由头部单元、中部单元和尾部单元三部分经首尾相接组成，所述头部单元的桩头由H型截面段突变为矩形截面实体段，所述中部单元和尾部单元由矩形截面实体段渐变为H型截面段，且各单元分别外伸4根螺纹杆8且至少伸入到下一单元约1/4处。该三部分在安装时通过连接钢板6和螺钉7将各个单元连接成一体，且连接部位两侧分别设置有连接钢板，预制支撑桩桩体时用螺栓拴住两连接钢板。如有必要，该中部单元可以分为多节段；针对桩体不长的情况，可将支撑桩制成一体形式。

本实施例中，所述步骤3中在预制支撑桩单元时，在H型截面的翼缘和腹板处穿插10根钢绞线9，然后进行张拉，达到预应力值后锚固并进行混凝土浇捣，以增加桩体抵抗外荷载能力。

本实施例中，所述钢绞线在H型截面处的排布为上下翼缘各布置4根，腹板布置2根。

本实施例中，在预制支撑桩时将支撑桩桩头由H型截面突变成矩形截面实体段，并于实体段两侧各布置6根双头螺栓10，以增加入桩时的抗击打能力。

本实施例中，在预制支撑桩时于支撑桩桩头处对称布置有圆形提吊环12，方便支撑桩的起吊和安装；所述提吊环为直径20-30mm的钢筋制作。

本实施例中，所述步骤5中在支撑桩的桩头上端还布置有4个用以安装螺纹剪力钉或螺纹杆的螺帽或螺纹孔，当完成微型桩的打入后再安装螺纹剪力钉并现浇整体式桥台。

具体实施中，]张拉钢绞线时预留工作长度以及选取钢筋布置位置时需要考虑到钢绞线的松弛和超高韧性混凝土收缩徐变引起的预应力损失，其考虑可根据以下方程式：

其中：为超高韧性混凝土弹性压缩引起的预应力损失。

       为预应力钢绞线的初始预应力。

       为预应力钢绞线的总面积。

       为超高韧性混凝土桩横截面总面积。

       为预应力传递时的超高韧性混凝土弹性模量。

       为预应力钢绞线的弹性模量。

    实际使用的预应力钢筋限制了超高韧性混凝土的自由收缩，反过来超高韧性混凝土的自由收缩会使预应力钢筋遭受一定的张拉应力作用，因此超高韧性混凝土收缩引起的预应力损失很复杂，其计算公式如下：

其中：为超高韧性混凝土收缩引起的预应力损失。

 为超高韧性混凝土总的收缩应变。

                 为修正后的超高韧性混凝土弹性模量，此处取。

注意到超高韧性混凝土的自由收缩引起的内力并非在混凝土中完全分布。反过来，由于预应力钢筋限制混凝土的自由收缩会在超高韧性混凝土中引起张拉应力。这种张拉应力可以用超高韧性混凝土截面的自由收缩和实际收缩产生的应变来代替，而这种应变可以用以下式子来代替：

                  

                  其中：为超高韧性混凝土因自由收缩引起的张拉应变。

影响预应力钢筋和超高韧性混凝土中零曲率应变的最终组成部分是由加载在桩截面上的轴向何在引起的。计算因轴向荷载引起的在超高韧性混凝土和预应力钢筋上的应变公式如下：

                  

                  其中：为因轴向荷载引起的超高韧性混凝土或预应力钢筋的应变。

为轴向荷载。

超高韧性混凝土和预应力钢筋的总初始应力可通过以下两个方程式确定，分别地，每一个方程中的拉应力起到正面效果，压应力起到否定效果。

                 

其中：为预应力钢筋在零曲率部分的应变。

      为超高韧性混凝土在零曲率部分的应变。

结果显示，混凝土在零曲率部分的应变为非零值，因此中性轴和形心的位置不重合。超高韧性混凝土水平面方向的每根钢绞线的应变可分别通过如下两公式计算：

                  

                  

其中：为超高韧性混凝土中总应变。

      为轴向水平曲率。

      为剖切面离形心的距离（正下方）。

      为剖切面离中性轴的距离（正下方）。

      为钢绞线的总应变。

通过超高韧性混凝土和预应力钢筋的应力与应变关系计算每一个水平剖切面和钢绞线的应力。再通过将每一剖切面和每一钢绞线的应力乘以其到形心的距离来求出弯矩，当截面上所有力之和不为零时则通过迭代的方法找出形心轴的位置（轴向拉、压力之和为零），当形心轴被找出后此截面的弯矩之和等于与输入曲率有关的总弯矩承载力。其它值可通过相关规范计算即可，通过此方法可找出钢绞线的布置位置、张拉应力并估算加载后的应变值。

采用该技术后，由于超高韧性混凝土的密实度得到很好的改善，支撑整体式无缝桥梁桥台的超高韧性混凝土支撑桩的竖向承载能力、水平变形能力以及抗腐蚀能力和耐久性等得到显著提高，不仅能省去高额的养护和维修费用，而且具有明显强弱轴特性的H型截面的超高韧性混凝土支撑桩能更好的适应上部结构位移，易保证温变位移等造成的桩内次应力在允许范围之内。即经济又很好的满足了整体式无缝桥桥台的工作机理与要求，有效增加桥梁的生命周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的H型超高韧性混凝土桩并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。