一种用于同轴地结合一对桩的端板的制作方法

本发明涉及混凝土管桩，更确切地说，涉及安装在桩的两端并用于把两根桩连接起来的端板。

背景技术：

预应力混凝土管桩是用作建筑基础的具有高抗弯和抗拉性能的管状混凝土结构。一排径向排列的极高抗拉性能的钢筋束与连续螺旋钢丝焊接在一起，以形成将支撑在旋转模具内的钢筋笼。然后，在敞口模具内浇筑混凝土，并封闭模具，随后，通过钢筋笼一端上的端板相对刚性桩模具施加拉力，以对构成钢筋笼的钢筋束施加预应力。下一步，使模具高速旋转，从而钢筋笼最终被封装在压实混凝土壳体中，以产生高强度混凝土管桩。桩在两端配装有环形端板，所述端板通过连接钢筋束与桩一起延伸，钢筋束的圆头紧固至端板上，并伸入混凝土中。在固化至所需强度时，从模具中取出桩，并且预应力钢筋束的拉伸载荷传递至固化的混凝土，沿钢筋束的方向同轴地产生压力。混凝土桩的抗弯和抗拉能力取决于桩身内的钢筋束预应力，但是在桩接头两端的钢筋束末端，端板必须能够通过并跨越互锁端板传递钢筋束的全部预应力载荷。

在本发明中，通过在将盖合到混凝土桩的端部的端板背面处引入凹陷区并使用加宽凸缘和脊进行加强，显著降低了钢端板的总重量。通过围绕端板的中心回旋的内凹曲和外凹曲轮廓，分别在背面形成了与端板的内周缘和外周缘相邻的内凹陷区和外凹陷区。通过利用加厚来加强薄弱区，并利用凹陷区来减薄低应力区，实现了材料优化。另外，端板的背面处的内凹陷区和外凹陷区用于防止桩头处的混凝土在反复锤击下发生破裂。锁销是菱形形状的，从而能够以更大的承载接触面积与端板的互所槽接合。端板在外周缘处具有横档，以便在桩接合过程中插入撬棍，从而把上桩推入位。

在我们的专利US9151010B2中，端板在突出区和凹陷区中具有厚度均一的第一平坦表面和第二平坦表面。与此相反，在本发明中，端板的第一表面是平坦的，用于互锁端板的配合，但是第二表面不是平坦的，而是在钢筋束、内周缘和外周缘周围具有局部加厚区，在应力较低的中间区域中有减薄区。

在我们的专利WO/2015/026223中，除了很大、很宽和很高的局部压痕(2a、2b)外，端板具有基本上厚度均一的平坦表面，如图10和图11所示。在称为闭模热锻的工艺中，必须形成这些较厚的压痕(2a、2b)。利用闭式压模很容易压平工件，但是要费很大的力挤压闭式模具中的工件，以从相邻区域挤压形成较厚的区域，例如，为了在外径大于600毫米的端板上锻造出很厚的压痕，需要很大的5000吨至10000吨摩擦压力锤。这种巨大的摩擦压力锤机器不仅很昂贵，而且只有在拥有大型锻造设施的国家中才有。因此，在本发明中，利用小得多的脊来加厚最薄弱区域，以防止承载损坏，与很大、很宽和很高的局部压痕相比，这种脊在结构上足够有效。

在专利申请CN102220761A中，如图2所示，利用冷成形通过凹陷区的竖向转移形成挤出区。在开模冷成形工艺中，可增加变形部分的总体结构高度，但是变形部分的板的局部厚度只会沿横向延展，因此在垂直冲击力的作用下被挤压得更薄。而在本发明中，在高冲力下对加热至1000℃至1200℃的平端板进行高精度闭模热锻，半准粘性钢会在模具形状的约束下沿各个方向横竖流动。因此，根据闭式模具的形状，在锻造前，与厚度均一的端板相比，变形的端板在某些关键区域中会变得较厚，这与使用开式模具冷成形的情况不同，无需进一步减薄处理。

利用高精度闭模热锻，本发明能够节省材料，并且能够制造比相同尺寸的现有技术端板更廉价、更轻且结构更强的机械互锁管桩端板。

还应说明的是，本发明不局限于与高强度预应力混凝土管桩中的预应力钢筋束结合使用，也可用于普通的钢筋混凝土桩或任何互连结构元件。

技术实现要素：

根据本发明，在包括安装在桩的两端的相同端板的桩接头处，桩的两端同轴地接合在一起。端板由环形金属板构成，该环形金属板的形状与桩的横截面形状互补。端板的第一表面具有平坦表面，并具有径向排列的突出区和凹陷区，以便与相对的相同端板配合，从而当两块端板接合到一起时，一块端板上的突出区配装到另一块端板的凹陷区中，反之亦然。

在突出区的从端板的中心呈放射状延伸的每个直边上有锥形槽。在端板配合在一起时，突出区的边缘的相对锥形槽处于相邻的位置，以形成锥形孔道，锥形销可从侧面横向卡入该锥形孔道中，从而把端板锁紧在一起。通过这种方式，埋入在桩的桩身中的上钢筋束的拉伸载荷可通过与锥形槽的外伸边缘接合的锥形销安全地跨越互锁端板传递至相邻桩的钢筋束。

当桩接头承受沿桩施加的外部复合轴向和弯曲载荷时，它会在互锁端板中引起以下应力：在承受钢筋束底座的载荷的钢筋束圆头处引起高度集中的接触应力，在沿锥形销的长度接合的锥形槽的外伸边缘处引起剪切应力，在钢筋束底座和锥形槽之间的区域中引起弯曲应力，其它地方大多是应力最小的静区。请参考横截面图，本发明的一个目的是通过根据应力需求优化板厚来减少端板的第二表面的材料用量；为此，局部高集中应力区制造得较厚，以便在钢筋束孔和螺栓孔的基部锻造出小脊，以增加结构厚度，并且为上述的突出区采用加宽构造，例如在第二表面的周边增加竖向凸缘，作为内加宽凸缘和外加宽凸缘，但是利用凹陷区把属于低应力区的中间区域制造得较薄。在闭模热锻工艺中，钢材量在锻造后基本上没有变化；因此，可利用凹陷区从低应力区横向转移钢材以增加关键应力区中的端板厚度，从而显著提高强度，而无需使用更多钢材。

在钢筋束的预应力工艺中，钢筋束经由插入到相应的钢筋束底座中的钢筋束圆头在两端附接至相同的端板，并且端板由螺栓通过螺栓孔固定到实心圆形垫板夹具上。然后，实心圆形垫板夹具牢固固定至刚性桩模的一端，而在另一端，实心圆形垫板夹具由抵住刚性桩模具的外周缘的液压千斤顶以不超过钢材的极限拉伸应力的75％的拉力牵拉，以拉伸钢筋束。在钢筋束被牵拉时，钢筋束孔的基部周围的局部加厚脊可降低穿过钢筋束底座的冲剪力造成破坏的危险。类似地，螺栓孔的基部周围的局部加厚增加了螺纹的长度和接触面积，可降低螺栓周围的拔出破坏危险。

本发明的另一个目的是，内加宽凸缘和外加宽凸缘可显著增加结构端板的总体有效截面刚度，因而可有利地提高端板的抗平面内弯曲的能力。

本发明的另一个目的是使用具有旋转薄刀片的机床工具把裙边带的平坦周缘同时压制为“L形”唇缘，并压入位于端板的外周的直槽中。通过这种方式，裙边带被固定到端板上，而无需进行麻烦的焊接。请参考侧视图，为了制造出直槽而不是锯齿槽，突出区和凹陷区的外周缘周围必须有足够的深度间隙。因此，例如对于600毫米外径的端板来说，突出区的外加宽凸缘必须优选延伸至超过凹陷区的第一表面的顶边和直槽的宽度(3毫米至4毫米范围)至少2毫米的位置，并且在直槽之后优选具有至少2毫米间隙。因此，总体来说，对于600毫米外径的端板，此外加宽凸缘必须优选从凹陷区的第一表面的顶边延伸至少7毫米，以使得直槽无间断。

当通过在普通平坦端板上不断锤击来向地下打桩时，这种冲击可能削弱端板下的混凝土，并且最终在高拉应力超过混凝土的破裂模数时导致混凝土开裂。而在本发明中，在端板的与混凝土接触的第二表面处，在外加宽凸缘和内加宽凸缘之间有凹面。当冲击锤的力施加至端板的第一表面并传递至第二表面时，这些外凹面和内凹面具有约束效果，使得主压应力垂直于凹面的弧度向周围扩散，因此，最终的净冲击力向内指向桩的环形区的中心，在周边没有张力。但是，在平坦表面的情况中，由于横向扩张不受限制，因此冲击锤产生朝周边向外扩散的主压应力，因而最终的净力从桩的环形区的中心指向外侧，导致张拉破裂。因此，本发明解决了在施工现场最常见的打桩的高冲击力导致桩头损坏的问题。还应说明的是，落锤会冲击突出区的第一表面，但不会冲击凹陷区，因此，可以把凹陷区的凹面整平，以降低热锻过程中所需的锤击力，尤其是对于外径超过600毫米的较大端板。

在把第二根桩接合到已经打入地下的第一根桩上时，难以操纵吊车进行很小的移动，以便精确地吊起第二根桩，使其对正第一个打入桩的顶部，因此，本发明的一个优点是，在每个突出区处提供了横档，可使用撬棍撬动横档的凹边，从而把第二根桩的基部处的横向位移精确地控制在数毫米范围内。通过这种方式，可缩短在现场进行桩间对位所花费的时间。

附图说明

图1是由与锥形锁销互锁的端板接合的桩接头的剖切轴测图；

图2是本发明的端板的剖切轴测图，其中示出了第一表面；

图3是与锥形锁销互锁的配合端板的剖切轴测图，其中示出了端板的第二表面；

图4是附接至桩的端板的第一表面的俯视详图，其中示出了横截面的位置；

图5是横贯图4中的端板的突出区的钢筋束的中心剖切获得的剖视图A1-A1；

图6是横贯图4中的端板的突出区的螺栓孔的中心剖切获得的剖视图A2-A2；

图7是横贯图4中的端板的突出区的螺栓孔和钢筋束孔的中心剖切获得的剖视图A3-A3；

图8a-8c是呈菱形的锥形燕尾槽的截面图，其中，水平轴可与端板的平面成多种角度；

图9a-9f是锥形销配装到图8a-8c中所示的相应菱形锥形孔道中之后的截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明中，第一端板1的第一表面指混凝土桩的第一端板1的外露表面，该表面将与待配合的另一个相同第二端板2的另一个第一表面接触。第二表面指与第一端板1和第二端板2的第一表面相反的外露面，该表面将盖合到第一根桩23和第二根桩24的端部。

图1示出了桩接头25的剖视图，桩接头25是由第一根桩23的第一端板1通过插入到锥形孔道10中的锥形销9与第二根桩24的第二端板2互锁而构成的。埋入在第一根桩23的桩身内的混凝土3中的上钢筋束7可跨过互锁第一端板1和第二端板2牢固地转接至埋入在相邻第二根桩24的混凝土4中的钢筋束8。裙边带5附接至第一端板1，并且裙边带6以类似方式附接至第二端板2，以防止在自旋过程中发生湿混凝土漏失，并且在一定程度上起到混凝土周围约束作用，以避免混凝土在冲击荷载下破裂。

图2示出了端板2的第一表面的剖切轴测图，该第一表面具有在外周缘处带有横档15的突出区13、凹陷区14、径向锥形槽21、以及插入就位的锁销9。钢筋束8从端板2的第二表面通过螺栓孔11b插入，横向位移，并插入到钢筋束孔11a中。突出区13的内加宽凸缘16a和外加宽凸缘16b提高端板的总体有效截面刚度以及抵抗平面内弯曲的能力。

图3是示出通过锁销9与第二端板2互锁的第一端板1的第二表面的剖切轴测图，其中示出了位于钢筋束孔11a和螺栓孔11b处的脊12、外凹面和内凹面，所述外凹面包括第一外凹面19和第二外凹面20，所述内凹面包括第一内凹面17和第二内凹面18。需要说明的是，钢筋束孔11a的圆形阵列的直径在端板的宽度范围内变化，因此第一外凹面19和第二外凹面20的尺寸和形状会不同于第一内凹面17和第二内凹面18的尺寸和形状。由于具有把第一端板1和第二端板2约束为一体的锁销9的横向互锁系统，因此配合第一端板1和第二端板2的有效结构刚度高于各个端板的结构刚度。

图4示出了第二端板2的突出区13的第一详图，其中，前述的截面A1-A1、A2-A2和A3-A3位于该区域。

图5示出了横贯端板的突出区13和钢筋束底座8a处的钢筋束8的中心的截面和尺寸A1-A1；钢筋束孔11a的第二表面处的耸脊12具有厚度t3，对于突出区13，内加宽凸缘16a和外加宽凸缘16b具有最大厚度t2，凹陷区具有最小厚度t1。厚度t1不应过小，以免削弱板结构，厚度t1优选至少为均一厚度t的15％。必须说明的是，如果假定原端板具有均一厚度t，那么在热锻前，厚度t2和t3要比厚度t大得多，并且厚度t1要比厚度t小得多。通过对钢筋束孔11a和螺栓孔11b的第二表面处的局部小耸脊12进行锻造，能够强化第一端板1和第二端板2的薄弱部分。在桩间对位过程中，可向横档15中插入斜撬棍，并撬动凹脊15a，以便把第一根桩23，在此未示出推入位。

图6示出了横贯螺栓孔11b的中心剖切得到的端板的突出区13的截面图A1-A1。螺栓孔11b的第二表面处的局部脊12用于增加螺栓的螺纹长度，以防止在施加预应力的过程中发生局部拉出破坏。为了制造直槽22，在第二端板2的外周缘周围必须有足够的深度间隙，使得外加宽凸缘16b的总厚度t大于“d+r+s+t”的总尺寸，其中，“r”是从顶面的边缘至凹槽的间隙，“s”是直槽22的宽度，“t”是从直槽22至第二表面的边缘的间隙，尺寸“d”在图7中示出。

图7示出了横贯钢筋束孔11a、螺栓孔11b和局部脊12的中心剖切而获得的端板的突出区13的截面图A1-A1，其中示出了尺寸“d”是突出区13的顶部与凹陷区14的顶部之间的高度。为了使用锥形销9通过更大的承载接触面积加强第一端板1和第二端板2的互锁，比较有利的方式是，通过利用菱形形状使锥形销9更深地穿入突出区13的锥形槽21中。与此菱形锥形销对应，如图7所示的锥形槽21的燕尾的角度在50度至140度之间。锥形槽21的燕尾的角度越大，铣制成本就越高；因此，存在一个使铣制成本和接合承载接触面积之间达到平衡的最佳角度。

图8a示出了呈菱形的锥形燕尾槽21的截面图，其中，菱形的长轴在端板的平面内。

图8b示出了呈菱形的锥形燕尾槽21的截面图，其中，菱形的长轴从端板的平面沿顺时针方向转动10度。

图8c示出了呈菱形的锥形燕尾槽21的截面图，其中，菱形的长轴从端板的平面沿逆时针方向转动10度。

图9a示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9的截面形状与锥形槽21的燕尾的50度角互补。

图9b示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9的截面形状是正方形，与锥形槽21的燕尾的90度角互补。

图9c示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9的截面形状与锥形槽21的燕尾的140度角互补。

图9d示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9在最高点和最低点处按长度“h”截断，以适应锥形槽21的燕尾的50度角。长度“h”优选应不超过图7的“d”的两倍。

尺寸“h”应刚好足够长，以免妨碍突出区13配装到凹陷区14中，否则会削弱锥形销9的稳定性。

图9e示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9在最高点和最低点处按长度“h”截断，以适应锥形槽21的燕尾的90度角。长度“h”优选应不超过图7的“d”的两倍。

图9f示出了锥形销9的截面图，其中，锥形销9在最高点和最低点处按长度“h”截断，以适应锥形槽21的燕尾的140度角。长度“h”优选应不超过图7的“d”的两倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。