一种装配式桩板结构连接节点及施工方法

1.本发明涉及装配式桩板路基结构领域，具体涉及一种装配式桩板结构连接节点及施工方法。


背景技术：

2.装配式桩板路基结构近几年开始逐步应用于我国公路建设领域，该结构主要由预制桩基、预制板及桩板接头组成的框架结构体系，与传统路基相比，其代替了原有填土路基，实现了路基的快速工业化施工，具有节约土地资源，缩短工期、降低工程造价、路基结构沉降小等优势，因此在国家倡导绿色公路建设的背景下，具有良好的应用前景。
3.由于桩板式路基是一种新型的路基形式，目前在公路工程中应用尚少，该结构采用预制管桩基础直接延伸至地面以上支撑预制板，所以预制管桩即要具有基础承上启下的作用，同时又需具有桥墩的承力作用，即应具有一定的抗压、抗弯和较强的抗剪承载能力。
4.但现有常用的桩板结构在结构抗震方面尚考虑不足，其将地面以上管桩作为能力保护构件，将桩板现浇节点设计为塑性铰形成耗能机制，在地震荷载作用下，通过桩板连接节点的延性变形达到耗能目的，在地震荷载作用下，板桩连接节点损坏一般发生在管桩上，管桩损坏严重时有可能导致上部结构的坍塌，管桩损坏不大时，后期修复结构也需更换整根管桩，修复成本较高，因此这种设计为震后装配式桩板结构的节点修复和更换带来新的问题；同时现有桩板结构尚未考虑桩板连接节点的地震自复位功能设计，用以减少地震作用下桩板连接节点损坏和震后桩板节点修复工作；此外，桩板结构连接节点大多采用框架结构的现浇湿接头形成刚性节点，或采用h交叉钢板接头的半刚性节点，桩板节点施工需要现浇混凝土，影响施工效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：克服现有技术中存在的不足，提供一种装配式桩板结构连接节点及施工方法，该桩板连接节点整体采用预制装配化施工方式，可实现桩板结构节点的高效施工、提高桩板结构地震耗能能力、实现桩板连接节点地震自复位功能，有效降低震后结构的修复工作和构件更换成本。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种装配式桩板结构连接节点，包括位于上部的预制混凝土板，位于预制混凝土板下方的预制桩板接头，以及与预制桩板接头底部连接的预制prc管桩；所述预制混凝土板的中部开设有横截面为圆形且上下贯通的预留孔洞，所述预留孔洞包括上部的大直径孔洞和下部的小直径孔洞，大直径孔洞的高度小于小直径孔洞的高度，所述预制桩板接头包括位于下部呈圆柱状的桩板接头柱体和上部呈圆台状的接头凸台，所述桩板接头柱体的上表面与接头凸台的底面固定连接，所述接头凸台插入小直径孔洞内部，所述预制混凝土板和预制桩板接头之间设置有具备弹性的垫圈，垫圈的底面与桩板接头柱体的上表面固定，垫圈的上表面与预制混凝土板的底面接触，垫圈呈圆形套设在接头凸台的外侧，垫圈的直径与桩板接头柱体的直径相同，所述大直径
孔洞内沿小直径孔洞圆周外侧等距埋设有预应力管道，所述预应力管道向下穿过桩板接头柱体并插入预制prc管桩内部，预应力管道内设置有预应力钢束，所述垫圈上环形等距开设有供预应力管道穿过的预应力孔洞，所述接头凸台与小直径孔洞之间填充有橡胶垫层。
7.进一步的，所述大直径孔洞的高度不超过所在预制混凝土板高度的1/4，大直径孔洞的直径不小于桩板接头柱体的直径。
8.进一步的，所述桩板接头柱体的高度等于直径的1～2倍，桩板接头柱体的直径与预制prc管桩的直径相同，所述接头凸台的高度与小直径孔洞的高度相同，所述预制桩板接头的混凝土强度等级不小于预制prc管桩混凝土强度等级。
9.进一步的，所述接头凸台和桩板接头柱体内部设置有与常规桩基类似的接头内钢筋笼纵筋和环向螺旋箍筋，环向螺旋箍筋位于预应力管道外侧。
10.进一步的，所述桩板接头柱体的底部和预制prc管桩顶部各自固定连接有一个中部开设通孔的端板，两个端板采用角焊缝全焊连接，端板外侧固定有套箍，所述端板上同样环形等距开设有供预应力管道穿过的预应力孔洞，端板横截面为圆形且直径与桩板接头柱体的直径相同。
11.进一步的，所述预制prc管桩向下1.4～1.6m处设置有一个圆形且中部开设有通孔的预应力锚固板，预应力锚固板厚度为5mm，预制prc管桩内设置有管桩外环纵筋，管桩外环纵筋外侧固定连接有管桩箍筋，预应力锚固板内切于管桩外环纵筋，且预应力锚固板与管桩外环纵筋和管桩箍筋焊接为一体，所述预应力锚固板上下一倍桩径范围内设置有管桩加密纵筋，管桩加密纵筋贯穿通过预应力锚固板，且四周与预应力锚固板焊接，所述预应力锚固板上环形等距开设有供加密纵筋通过的孔洞和供预应力管道穿过的预应力孔洞，预应力孔洞位于管桩加密纵筋与管桩外环纵筋之间。
12.进一步的，所述预应力锚固板外侧纵向固定有管桩外环预应力钢筋，管桩外环预应力钢筋与管桩外环纵筋沿预应力锚固板外侧交错布置，所述预应力锚固板上环形等距分布有预应力钢束，预应力钢束外套塑料套管，且向上穿过预应力孔洞和预应力管道后顶端位于大直径孔洞内，大直径孔洞内浇筑混凝土。
13.上述装配式桩板结构连接节点的施工方法，包括以下步骤：
14.s1.初步确定结构材料、布置尺寸和数量：根据实际架设位置所需的预制混凝土板和预制prc管桩几何尺寸、材料参数及上部结构荷载大小初步确定桩板接头柱体及接头凸台的几何尺寸；确定接头内钢筋笼纵筋和环向螺旋箍筋各自的数量及布置；初步确定桩板连接节点所需预应力钢束的面积、布置位置及其张拉控制力；确定下部预制prc管桩内部增设的预应力锚固板尺寸、材料和位置，确定管桩加密纵筋、管桩外环纵筋、管桩箍筋和管桩外环预应力钢筋各自的数量及布置；
15.s2.预制构件阶段：预制混凝土板预制时需准确开设预留孔洞，同时在大直径孔洞内沿圆周环向均匀预埋预应力管道，大直径孔洞的尺寸需能够满足预应力钢束张拉和锚固空间要求；制造预制prc管桩过程中，在绑扎钢筋阶段，将预应力锚固板增设于预制prc管桩内的设计位置，并与周围管桩外环纵筋、管桩箍筋和管桩外环预应力钢筋焊接固定形成钢筋骨架，在预应力锚固板上、下区域增设管桩加密纵筋和箍筋形成普通钢筋加密区，管桩加密纵筋需穿过预应力锚固板并与之焊接固定，环向螺旋箍筋间距加密，同时预应力锚固板在加工时需预留管桩加密纵筋穿过的孔洞以及预应力孔洞，孔洞直径大小需与纵筋相匹
配，预应力孔洞直径大小与预应力钢束直径相匹配，且位置定位准确；将预应力钢束一端锚固于预应力锚固板上，并外套塑料套管，预应力另一端竖直延伸至预制prc管桩的桩头外部，此时可采用定位钢筋将预应力管道定位准确，以防止偏斜；待绑扎钢筋阶段所有构件定位准确并绑扎焊接完成后，随后浇筑预制prc管桩混凝土并养护至混凝土达到设计强度；预制桩板接头按照设计尺寸进行预制即可，需注意其内的预应力管道位置定位的精准性；
16.s3.预制prc管桩与预制桩板接头拼装连接：将各节段预制prc管桩打入地下至设计标高，并完成顶节的预制prc管桩与下节预制prc管桩连接后，将预制桩板接头悬置于顶节的预制prc管桩上方，将其顶部预留出的预应力钢束穿过预制桩板接头内预设的预应力管道，随后慢慢落下预制桩板接头并将其置于预制prc管桩上，最后采用角焊缝将桩板接头柱体下方的端板与预制prc管桩桩顶端板连接；
17.s4.预制桩板接头与预制混凝土板拼装连接：将预制混凝土板悬置于预制桩板接头上方，在桩板接头柱体上方套上垫圈，在其接头凸台外围包裹橡胶垫层，并将预制桩板接头顶部外伸的预应力钢束穿过上方预制混凝土板内设的预应力管道，随后慢慢落下预制混凝土板并置于预制桩板接头上，采用橡胶垫层将接头凸台与小直径孔洞之间的缝隙填满，待顶节的预制prc管桩、预制桩板接头、预制混凝土板三构件位置调整平稳后，在预制混凝土板顶部分批对称张拉预应力钢束并锚固，张拉控制力严格按照设计值进行；
18.s5.封盖：最后在预制混凝土板的预留孔洞上方浇筑混凝土对预留孔洞进行封盖。
19.进一步的，所述步骤s4中张拉控制力的确定公式为：其中，σ
con
为预应力张拉控制应力；σ
p
为预制prc管桩内已配预应力钢筋在截面内产生的压应力；n为单根管桩承受的轴力；m为单根管桩承受的弯矩；a为管桩截面面积；w为管桩截面模量；f
tk
为管桩混凝土材料抗拉强度标准值。
20.本发明的有益效果是：
21.1、在预制prc管桩和预制混凝土板之间设置预制桩板接头，并将其设计成钢筋混凝土延性构件，在地震荷载作用下，板桩节点发生损坏时预制桩板接头可发生延性变形或错动以消耗更多的地震能量，使节点损坏更多发生在预制桩板接头上，而避免损坏发生在管桩上，继而震后结构修复仅需修复和更换预制混凝土接头即可，施工方便、节约修复成本，方便灾后修复且具有良好的经济效益。
22.2、预制桩板之间设置的橡胶垫层和垫圈允许预制桩板接头与预制混凝土板之间有相对弹性变形，在地震荷载作用下，使装配式节点具有良好的耗能减震作用；此外，预制接头与预制管桩之间连接较弱，在较强的地震作用下2者之间可发生往复的水平剪切错动，继而可将地震能量消耗转变为位能，与此同时，在竖向预应力回张力作用下，又可有效增强混凝土板、接头与管桩之间的水平剪切错动复位能力，继而减少灾后预制接头的置换和修复工作。因此，该装配式桩板连接节点具有较好的地震自复位功能，板桩节点抗震性能良好。
23.3、在预制桩板接头与预制混凝土板之间设置的橡胶垫层和垫圈可使2者的连接介于固结和铰接之间，2者之间允许发生一定的弹性变形，相较于现有混凝土湿接头，可有效降低温度、沉降、混凝土收缩徐变等在结构内产生的附加内力，并进一步有效减少上部结构开裂情况的发生。
24.4、本发明采用预制混凝土接头进行桩板连接，混凝土接头可在工厂预制生产，施工现场只需简单拼装连接即可完成桩板连接，与现有现浇混凝土刚性接头施工相比，减少现场混凝土浇筑和养护时间，加快施工进度，提高了施工效率。
附图说明
25.图1为本发明的正视结构示意图；
26.图2为本发明的预制混凝土板预留孔洞位置结构示意图；
27.图3为本发明的垫圈结构示意图；
28.图4为本发明的预制桩板接头结构示意图；
29.图5为本发明的预制桩板接头内部普通钢筋布置结构示意图；
30.图6为本发明的下部预制prc管桩顶部结构示意图；
31.图7为本发明的下部预制prc管桩结构示意图；
32.图8为本发明的下部预制prc管桩顶部内部钢筋构造示意图；
33.图9为图8中a-a剖面结构示意图。
34.图中:1、预制混凝土板；2、预制桩板接头；3、预制prc管桩；4、垫圈；5、预应力锚固板；6、预应力钢束；7、预留孔洞；8、预应力管道；9、接头凸台；10、端板；11、桩板接头柱体；12、预应力孔洞；13、管桩加密纵筋；14、管桩外环纵筋；15、管桩箍筋；16、接头内钢筋笼纵筋；17、环向螺旋箍筋；18、管桩外环预应力钢筋19、橡胶垫层。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。
36.实施例：
37.如图1-9所示，一种装配式桩板结构连接节点，包括位于上部的预制混凝土板1，位于预制混凝土板1下方的预制桩板接头2，以及与预制桩板接头2底部连接的预制prc管桩3；预制混凝土板1的中部开设有横截面为圆形且上下贯通的预留孔洞7，预留孔洞7包括上部的大直径孔洞和下部的小直径孔洞，大直径孔洞的高度为120mm，预制桩板接头2包括位于下部呈圆柱状的桩板接头柱体11和上部呈圆台状的接头凸台9，桩板接头柱体11的上表面与接头凸台9的底面固定连接，接头凸台9插入小直径孔洞内部，预制混凝土板1和预制桩板接头2之间设置有具备弹性的垫圈4，垫圈4选择弹性变形材料，可选择橡胶或改性聚氨酯材料；在预制桩板接头2与预制混凝土板1之间设置的橡胶垫层19和垫圈4可使2者的连接介于固结和铰接之间，2者之间允许发生一定的弹性变形，相较于现有混凝土湿接头，可有效降低温度、沉降、混凝土收缩徐变等产生的附加内力，继而有效减少上部结构开裂情况的发生，同时在车辆或地震作用下，可通过橡胶的弹性变形有效消耗振动能量，降低结构振动程度；垫圈4的底面与桩板接头柱体11的上表面固定，垫圈4的上表面与预制混凝土板1的底面接触，垫圈4呈圆形套设在接头凸台9的外侧，垫圈4的直径与桩板接头柱体11的直径相同，大直径孔洞内沿小直径孔洞圆周外侧等距埋设有预应力管道8，预应力管道8向下穿过桩板接头柱体11并插入预制prc管桩3内部，预应力管道8内设置有预应力钢束6，垫圈4上环形等距开设有供预应力管道8穿过的预应力孔洞12，接头凸台9与小直径孔洞之间填充有橡胶垫层19；
38.在预制prc管桩3和预制混凝土板1之间设置预制桩板接头2，并将其设计成钢筋混凝土构件延性构件，在地震荷载作用下，板桩节点发生损坏时预制桩板接头2可发生延性变形或错动以消耗更多的地震能量，使节点损坏更多发生在预制桩板接头2上，而避免损坏发生在管桩上，继而震后结构修复仅需修复和更换预制桩板接头2即可，施工方便、节约修复成本，方便灾后修复且具有良好的经济效益；预制桩板之间设置的橡胶垫层19和垫圈4允许预制桩板接头2与预制混凝土板1之间有相对弹性变形，在地震荷载作用下，使装配式节点具有良好的耗能减震作用；此外，预制桩板接头2与预制prc管桩3之间连接较弱，在较强的地震作用下2者之间可发生往复的水平剪切错动，继而可将地震能量消耗转变为位能，与此同时，在竖向预应力回张力作用下，又可有效增强预制混凝土板1、预制桩板接头2与预制prc管桩3之间的水平剪切错动复位能力，继而减少灾后预制接头的置换和修复工作，因此，该装配式桩板连接节点具有较好的地震自复位功能，板桩节点抗震性能良好。
39.大直径孔洞的高度不超过所在预制混凝土板1高度的1/4，大直径孔洞的直径不小于桩板接头柱体11的直径。
40.桩板接头柱体11的高度等于直径的1～2倍，桩板接头柱体11的直径与预制prc管桩3的直径相同，接头凸台9的高度与小直径孔洞的高度相同，预制桩板接头2的混凝土强度等级不小于预制prc管桩3混凝土强度等级。
41.接头凸台9和桩板接头柱体11内部设置有与常规桩基类似的接头内钢筋笼纵筋16和环向螺旋箍筋17，环向螺旋箍筋17位于预应力管道8外侧。
42.桩板接头柱体11的底部和预制prc管桩3顶部各自固定连接有一个中部开设通孔的端板10，两个端板10采用角焊缝全焊连接，端板10外侧固定有套箍，端板10上同样环形等距开设有供预应力管道8穿过的预应力孔洞12，端板10横截面为圆形且直径与桩板接头柱体11的直径相同。
43.预制prc管桩3向下1.5m处设置有一个圆形且中部开设有通孔的预应力锚固板5，预应力锚固板5厚度为5mm，预制prc管桩3内设置有管桩外环纵筋14，管桩外环纵筋14外侧固定连接有管桩箍筋15，预应力锚固板5内切于管桩外环纵筋14，且预应力锚固板5与管桩外环纵筋14和管桩箍筋15焊接为一体，预应力锚固板5上下一倍桩径范围内设置有管桩加密纵筋13，管桩加密纵筋13贯穿通过预应力锚固板5，且四周与预应力锚固板5焊接，预应力锚固板5上同样环形等距开设有供加密纵筋通过的孔洞和供预应力管道8穿过的预应力孔洞12，预应力孔洞12位于管桩加密纵筋13与管桩外环纵筋14之间。
44.预应力锚固板5外侧纵向固定有管桩外环预应力钢筋18，管桩外环预应力钢筋18与管桩外环纵筋14沿预应力锚固板5外侧交错布置，预应力锚固板5上环形等距分布有预应力钢束6，预应力钢束6外套塑料套管，且向上穿过预应力孔洞12和预应力管道8后顶端位于大直径孔洞内，大直径孔洞内浇筑混凝土。
45.上述装配式桩板结构连接节点的施工方法，包括以下步骤：
46.s1.初步确定结构材料、布置尺寸和数量：根据实际架设位置所需的预制混凝土板1和预制prc管桩3几何尺寸、材料参数及上部结构荷载大小初步确定桩板接头柱体11及接头凸台9的几何尺寸；确定接头内钢筋笼纵筋16和环向螺旋箍筋17各自的数量及布置；初步确定桩板连接节点所需预应力钢束6的面积、布置位置及其张拉控制力；确定下部预制prc管桩内部增设的预应力锚固板5尺寸、材料和位置，确定管桩加密纵筋13、管桩外环纵筋14、
管桩箍筋15和管桩外环预应力钢筋18各自的数量及布置；
47.s2.预制构件阶段：预制混凝土板1预制时需准确开设预留孔洞7，同时在大直径孔洞内沿圆周环向均匀预埋预应力管道8，大直径孔洞的尺寸需能够满足预应力钢束张拉和锚固空间要求；制造预制prc管桩3过程中，在绑扎钢筋阶段，将预应力锚固板5增设于预制prc管桩3内的设计位置，并与周围管桩外环纵筋14、管桩箍筋15和管桩外环预应力钢筋18焊接固定形成钢筋骨架，在预应力锚固板5上、下区域增设管桩加密纵筋13和加密箍筋形成普通钢筋加密区，管桩加密纵筋13需穿过预应力锚固板5并与之焊接固定，环向螺旋箍筋17间距加密，同时预应力锚固板5在加工时需预留管桩加密纵筋13穿过的孔洞以及预应力孔洞12，孔洞直径大小需与纵筋相匹配，预应力孔洞12直径大小与预应力钢束6直径相匹配，且位置定位准确；将预应力钢束6一端锚固于预应力锚固板5上，并外套塑料套管，预应力另一端竖直延伸至预制prc管桩3的桩头外部，此时可采用定位钢筋将预应力管道8定位准确，以防止偏斜；待绑扎钢筋阶段所有构件定位准确并绑扎焊接完成后，随后浇筑预制prc管桩3混凝土并养护至混凝土达到设计强度；预制桩板接头2按照设计尺寸进行预制即可，需注意其内的预应力管道8位置定位的精准性；
48.s3.预制prc管桩3与预制桩板接头2拼装连接：将各节段预制prc管桩3打入地下至设计标高，并完成顶节的预制prc管桩与下节预制prc管桩3连接后，将预制桩板接头2悬置于顶节的预制prc管桩3上方，将其顶部预留出的预应力钢束6穿过预制桩板接头2内预设的预应力管道8，随后慢慢落下预制桩板接头2并将其置于预制prc管桩3上，最后采用角焊缝将桩板接头柱体11下方的端板10与预制prc管桩3桩顶端板10连接；
49.s4.预制桩板接头2与预制混凝土板1拼装连接：将预制混凝土板1悬置于预制桩板接头2上方，在桩板接头柱体11上方套上垫圈4，在其接头凸台9外围包裹橡胶垫层19，并将预制桩板接头2顶部外伸的预应力钢束6穿过上方预制混凝土板1内设的预应力管道8，随后慢慢落下预制混凝土板1并置于预制桩板接头2上，采用橡胶垫层19将接头凸台9与小直径孔洞之间的缝隙填满，待顶节的预制prc管桩3、预制桩板接头2、预制混凝土板1三构件位置调整平稳后，在预制混凝土板1顶部分批对称张拉预应力钢束6并锚固，张拉控制力严格按照设计值进行；
50.预应力张拉控制力由计算确定，具体计算过程为：经前期结构分析，考虑作用在结构上的各荷载作用效应包含地震作用效应，并进行正常使用极限状态、持久状态及短暂状态等荷载作用效应组合，预应力张拉控制应力以管桩混凝土材料受拉为准则，应满足以下关系式：其中，σ
con-为预应力张拉控制应力；σ
p-为预制prc管桩内已配预应力钢筋在截面内产生的压应力；n-单根管桩承受的轴力；m-单根管桩承受的弯矩；a-管桩截面面积；w-管桩截面模量；f
tk-管桩混凝土材料抗拉强度标准值。
51.s5.封盖：最后在预制混凝土板1的预留孔洞7上方浇筑混凝土对预留孔洞7进行封盖。
52.本发明采用预制混凝土接头进行桩板连接，混凝土接头可在工厂预制生产，施工现场只需简单拼装连接即可完成桩板连接，与现有现浇混凝土刚性接头施工相比，减少现场混凝土浇筑和养护时间，加快施工进度，提高了施工效率。
53.以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发
明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。