复合材料网架结构加筋混凝土组合桩及其施工方法

摘要

本发明公开了一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩及其施工方法，包括混凝土桩和设置在混凝土桩内的N层复合材料加筋体（N≥1）。每层复合材料加筋体包括纵向主筋、横向主筋和斜腹筋，若干根纵向主筋根据桩截面形状对称布置，若干根横向主筋沿纵向间隔设置，纵、横向主筋垂直固连，形成的交点通过斜腹筋连接。N层复合材料加筋体由内到外同心排列，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋位于同一平面、纵向主筋相互错开，两层复合材料加筋体之间通过纵、横向腹筋连接。施工方法可选择预制打入或现场灌注。本发明提高了复合材料加筋体与混凝土的咬合力，克服了复合材料桩使用过程中材料间剥离的问题，采用复合材料代替钢筋，组合桩整体抗腐蚀。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程岩土领域，具体涉及一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩及其施工方法。

背景技术

海洋工程中的桩基础，其作用不仅是支撑上部结构，还要抵抗海水对结构的浮托力及海水腐蚀。中国专利CN101343870，公开了一种纤维增强复合材料筋混凝土桩及其制作和施工方法，可用于海洋岛礁环境的地基加固，然而不同材料的温度效应有所不同，复合材料桩在使用过程中时常出现材料间剥离的现象，导致桩体承载力下降（Pando2003）。因此，增大复合材料加筋体与混凝土的咬合力，克服两种材料间的剥离十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩及其施工方法，提高复合材料与混凝土间的咬合能力，克服复合材料桩使用过程中材料间剥离的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，包括混凝土桩和设置在混凝土桩内的N层复合材料加筋体，其中N≥1，每层复合材料加筋体包括纵向主筋、横向主筋和斜腹筋，若干根纵向主筋根据混凝土桩截面形状对称布置，若干根横向主筋沿纵向主筋的纵向间隔设置，并与纵向主筋垂直固连，相邻的两根横向主筋和与其连接的相邻的两根纵向主筋之间形成曲边四边形，斜腹筋设置在所述四边形的对角线上。

当复合材料加筋体的层数超过1层时，还包括纵向腹筋和横向腹筋，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋连接；相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋通过纵向腹筋交叉连接。

所述每层复合材料加筋体的纵向主筋数量为偶数根。

一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的施工方法，施工步骤如下：

步骤1、制作N个单层复合材料加筋体：

单层复合材料加筋体施工方法如下：

若干根纵向主筋根据混凝土桩截面形状对称布置，若干根横向主筋沿纵向主筋的纵向间隔设置，并与纵向主筋垂直固连，相邻的两根横向主筋和与其连接的相邻的两根纵向主筋之间形成曲边四边形，斜腹筋设置在所述四边形的对角线上。

步骤2、将上述N个单层复合材料加筋体呈同心由内向外依次间隔排列，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋连接；相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋通过纵向腹筋交叉连接。

步骤3、根据工程特性和场地条件选择预制打入或现场灌注复合材料网架结构加筋混凝土组合桩；

步骤4、凿桩头，监测成桩质量；

步骤5、将复合材料网架结构加筋混凝土组合桩与上部结构固连。

所述步骤3中，预制打入复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤3-1、将步骤2中的N层复合材料加筋体固定于模具内；

步骤3-2、在模具内浇筑混凝土；

步骤3-3、对混凝土进行养护，使其成型，得到双复合材料网架结构加筋混凝土组合桩；

步骤3-4、将上述复合材料网架结构加筋混凝土组合桩运输至现场，并进行吊装；

步骤3-5、静压或锤击沉桩。

所述步骤3-5中，静压沉桩时，在复合材料网架结构加筋混凝土组合桩底部设置配套的预制桩靴。

所述步骤3-5中，锤击沉桩时，在复合材料网架结构加筋混凝土组合桩桩顶设置配套的保护帽，底部设置配套的预制桩靴。

所述步骤3中，现场浇筑复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤a、将N层复合材料加筋体运至现场；

步骤b、在设计桩位处通过泥浆护壁或全套管方法成孔；

步骤c、清孔；

步骤d、吊装N层复合材料加筋体；

步骤e、将N层复合材料加筋体下放入孔，并固定；

步骤f、在孔内浇筑混凝土；

步骤g、养护成型。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）复合材料加筋体易成型，可根据桩截面形状制作成圆形、方形、环形（管桩）、X形等各种规则或不规则形状；（2）复合材料加筋体材料选用轻质、高强、耐腐蚀、高抗拉性能的碳纤维或玄武岩纤维复合材料，故使得复合材料网架结构加筋混凝土组合桩整体抗腐蚀；（3）纵向主筋长度方向与材料纤维方向重合，横向主筋环向与材料纤维方向重合，腹筋纤维方向根据倾斜角度选择，充分发挥加筋体的承载性能；（4）复合材料加筋体采用网架结构，提高了复合材料加筋体与混凝土的咬合力，克服了复合材料桩使用过程中材料间剥离的问题。

附图说明

图1为本发明的复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的结构示意图。

图2为本发明的复合材料网架结构加筋混凝土组合桩截面形状示意图，其中图（a）为圆形截面，图（b）为矩形截面，图（c）为环形截面，图（d）为X形截面。

图3为本发明复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的复合材料加筋体的主筋纤维方向示意图，其中图（a）为纵向主筋纤维方向示意图，图（b）为横向主筋纤维方向示意图。

图4为本发明的复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的复合材料加筋体结构示意图，其中图（a）为单层复合材料加筋体结构示意图，图（b）为N层复合材料加筋体结构俯视图；图（c）为图（b）的剖视图。

图5为本发明的复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的预制组合桩配套桩靴与保护帽结构示意图。

图6为本发明的复合材料网架结构加筋混凝土组合桩与上部结构连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1~图6，一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，包括混凝土桩6和设置在混凝土桩6内的N层复合材料加筋体，其中N≥1，每层复合材料加筋体包括纵向主筋1、横向主筋2和斜腹筋3，若干根纵向主筋1根据混凝土桩截面形状对称布置，若干根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直固连，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

当复合材料加筋体的层数超过1层时，还包括纵向腹筋4和横向腹筋5，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

所述每层复合材料加筋体的纵向主筋1数量为偶数根。

结合图3，桩基以抗拉压为主时纤维方向偏于环向，以支护为主时纤维方向偏于轴向。故纵向复合材料主筋1的长度方向与轴向的纤维方向重合（如图3（a）所示），横向主筋2的环向与材料纤维方向重合（如图3（b）所示）。复合材料主筋上设置螺纹。

一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的施工方法，施工步骤如下：

步骤1、制作N个单层复合材料加筋体，单层复合材料加筋体施工方法如下：

若干根纵向主筋1根据混凝土桩截面形状对称布置，若干根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直固连，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

步骤2、将上述N个单层复合材料加筋体呈同心由内向外依次间隔排列，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接，所述节点为横向主筋2与纵向主筋1的连接点。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的位于纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

步骤3、根据工程特性和场地条件选择预制打入或现场灌注复合材料网架结构加筋混凝土组合桩。

步骤4、凿桩头，监测成桩质量。

步骤5、将复合材料网架结构加筋混凝土组合桩与上部结构（14）固连。

所述步骤3中，预制打入复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤3-1、将步骤2中的N层复合材料加筋体固定于模具内；

步骤3-2、在模具内浇筑混凝土；

步骤3-3、对混凝土进行养护，使其成型，得到双复合材料网架结构加筋混凝土组合桩；

步骤3-4、将上述复合材料网架结构加筋混凝土组合桩运输至现场，并进行吊装；

步骤3-5、静压或锤击沉桩。

所述步骤3-5中，静压沉桩时，在复合材料网架结构加筋混凝土组合桩底部设置配套的预制桩靴（12）。

所述步骤3-5中，锤击沉桩时，在复合材料网架结构加筋混凝土组合桩桩顶设置配套的保护帽（13），底部设置配套的预制桩靴（12）。

所述步骤3中，现场浇筑复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤a、将N层复合材料加筋体运至现场；

步骤b、在设计桩位处通过泥浆护壁或全套管方法成孔；

步骤c、清孔；

步骤d、吊装N层复合材料加筋体；

步骤e、将N层复合材料加筋体下放入孔，并固定；

步骤f、在孔内浇筑混凝土；

步骤g、养护成型。

实施例1

以圆形截面为例：

结合图1和图2（a），一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，包括混凝土桩6和设置在混凝土桩6内的2层复合材料加筋体，每层复合材料加筋体包括纵向主筋1、横向主筋2和斜腹筋3，8根纵向主筋1对称布置在混凝土桩截面上，15根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直绑扎固连，将8根纵向主筋1箍成一个整体，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

结合图4，还包括纵向腹筋4和横向腹筋5，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

结合图3，桩基以抗拉压为主时纤维方向偏于环向，以支护为主时纤维方向偏于轴向。故纵向复合材料主筋1的长度方向与轴向的纤维方向重合（如图3（a）所示），横向主筋2的环向与材料纤维方向重合（如图3（b）所示）。复合材料主筋上设置螺纹。

一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的施工方法，施工步骤如下：

步骤1、制作2个单层复合材料加筋体，单层复合材料加筋体施工方法如下：

8根纵向主筋1对称布置在混凝土桩截面上，15根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直固连，将8根纵向主筋1箍成一个整体，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

步骤2、将上述2个单层复合材料加筋体呈同心圆由内向外间隔排列，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

步骤3、根据工程特性和场地条件选择现场灌注复合材料网架结构加筋混凝土组合桩。

步骤4、凿桩头，监测成桩质量。

步骤5、将复合材料网架结构加筋混凝土组合桩与上部结构（14）固连。

现场浇筑复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤a、将2层复合材料加筋体运至现场；

步骤b、在设计桩位处通过泥浆护壁或全套管方法成孔；

步骤c、清孔；

步骤d、吊装2层复合材料加筋体；

步骤e、将2层复合材料加筋体下放入孔，并固定；

步骤f、在孔内浇筑混凝土；

步骤g、养护成型。

实施例2

以X形截面为例

结合图1和图2（b），一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，包括混凝土桩6和设置在混凝土桩6内的2层复合材料加筋体，每层复合材料加筋体包括纵向主筋1、横向主筋2和斜腹筋3，8根纵向主筋1根据混凝土桩截面形状对称布置在混凝土桩截面上，20根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直固连（纵向主筋、横向主筋与斜腹筋一体成型），将8根纵向主筋1箍成一个整体，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

还包括纵向腹筋4和横向腹筋5，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

结合图3，桩基以抗拉压为主时纤维方向偏于环向，以支护为主时纤维方向偏于轴向。故纵向复合材料主筋1的长度方向与轴向的纤维方向重合（如图3（a）所示），横向主筋2的环向与材料纤维方向重合（如图3（b）所示）。复合材料主筋上设置螺纹。

一种复合材料网架结构加筋混凝土组合桩的施工方法，施工步骤如下：

步骤1、制作2个单层复合材料加筋体，单层复合材料加筋体施工方法如下：

8根纵向主筋1根据混凝土桩截面形状对称布置在混凝土桩截面上，20根横向主筋2沿纵向主筋1的纵向间隔设置，并与纵向主筋1垂直固连，相邻的两根横向主筋2和与其连接的相邻的两根纵向主筋1之间形成曲边四边形，斜腹筋3设置在所述四边形的对角线上。

步骤2、将上述2个单层复合材料加筋体呈同心圆由内向外间隔排列，相邻两层复合材料加筋体上的横向主筋2位于同一平面，同一平面上的相邻两层的节点采用横向腹筋5连接。相邻两层复合材料加筋体上的纵向主筋1相互错开，相邻两层复合材料加筋体对应的曲边四边形上的纵向主筋1通过纵向腹筋4交叉连接。

步骤3、根据工程特性和场地条件选择预制打入复合材料网架结构加筋混凝土组合桩。

步骤4、凿桩头，监测成桩质量。

步骤5、将复合材料网架结构加筋混凝土组合桩与上部结构（14）固连。

所述步骤3中，预制打入复合材料网架结构加筋混凝土组合桩，步骤如下：

步骤3-1、将步骤2中的2层复合材料加筋体固定于模具内；

步骤3-2、在模具内浇筑混凝土；

步骤3-3、对混凝土进行养护，使其成型，得到双复合材料网架结构加筋混凝土组合桩；

步骤3-4、将上述复合材料网架结构加筋混凝土组合桩运输至现场，并进行吊装；

步骤3-5、锤击沉桩。

锤击沉桩时，在复合材料网架结构加筋混凝土组合桩桩顶设置配套的保护帽（13），底部设置配套的预制桩靴（12）。

本发明的优点在于：复合材料加筋体易成型，可根据桩截面形状制作成圆形、方形、环形（管桩）、X形等各种规则或不规则形状。复合材料加筋体材料选用轻质、高强、耐腐蚀、高抗拉性能的碳纤维或玄武岩纤维复合材料，故使得复合材料网架结构加筋混凝土组合桩整体抗腐蚀。纵向主筋长度方向与材料纤维方向重合，横向主筋环向与材料纤维方向重合，腹筋纤维方向根据倾斜角度选择，充分发挥加筋体的承载性能。复合材料加筋体采用网架结构，提高了复合材料加筋体与混凝土的咬合力，克服了复合材料桩使用过程中材料间剥离的问题。