多齿卡片卡接的预紧机械接头、预制混凝土桩及连接方法与流程

本发明涉及预制构件，尤其是涉及一种多齿卡片卡接的预紧机械接头、预制混凝土桩及连接方法。

背景技术：

1、一般的工程桩(预制桩)都为多节桩，现有的预制混凝土桩端部一般通过机械接头进行桩与桩之间的快速连接。

2、在《预应力混凝土管桩技术标准》jgj/t406-2017中第5.1.7条规定对于严格要求不出现裂缝的预应力管桩，其裂缝控制等级应为一级；第5.1.8条规定管桩桩身轴心受拉时，裂缝控制等级为一级；管桩桩身受弯时。处于弱腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为二级，中等、强腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为一级。

3、在《混凝土结构设计规范》gb50010-2015中第3.4.4条规定，结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级，等级划分及要求应符合下列规定：

4、一级——严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。

5、二级——一般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。

6、三级——允许出现裂缝的构件：对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范表3.4.5规定的最大裂缝宽度限值。对预应力混凝土构件，按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范表3.4.5条规定的最大裂缝宽度限值；对二a类环境的预应力混凝土构件，尚应按荷载准永久组合计算，且构件受拉边缘混凝土的拉应力不应大于混凝土的抗拉强度标准值。在本规范表3.4.5条规定中规定了预应力混凝土结构在三a和三b类环境中其裂缝控制等级为一级，在二b类环境中其裂缝控制等级为二级，一级和二级裂缝控制等级中均不允许产生裂缝，在二a类环境中其裂缝控制等级为三级，其最大裂缝宽度的限制为0.1mm，在一类环境中其裂缝控制等级为三级，其最大裂缝宽度的限制为0.2mm。

7、如图23所示为现有的机械接头的第一种结构形式，包括大螺母2、小螺母21、插杆1以及连接件90；插杆一端与小螺母螺纹连接，另一端设有插头，连接件与大螺母螺纹连接，连接件置于大螺母内的一端设有多个弹性卡环，插头从连接件的一端插入并能够与弹性卡环抵接，实现插杆与连接件的卡接，从而通过该机械接头可以实现两节预制混凝土桩的快速连接，然而，该种机械接头进行预制混凝土桩连接存在以下不足：1、当使用该机械接头进行预制混凝土桩连接时，由于桩端面倾斜等原因会使得插杆存在过插入连接件的情况，当出现插杆过插入连接件的情况时，预制混凝土桩在受拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时会造成桩连接端面处的全部或局部机械接头会产生轴向间隙，进而造成了预制混凝土桩连接处也相应的产生轴向间隙，使得预制混凝土桩机械接头连接处开裂产生裂缝，具体地，如图23所示为插杆的插头过插入连接件的示意图，当插杆过插入连接件中后，弹性卡环的端部与插头的挡面之间会形成轴向间隙△h，从而在外力作用时，预制混凝土桩的连接端面之间也会产生相应的轴线间隙，使其无法达到《预应力混凝土管桩技术标准》jgj/t406-2017中第5.1.7条所规定的对于严格要求不出现裂缝的预应力管桩，其裂缝控制等级应为一级；第5.1.8条所规定的管桩桩身轴心受拉时，裂缝控制等级为一级；管桩桩身受弯时。处于弱腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为二级，中等、强腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为一级的要求；2、由于大螺母与连接件之间和小螺母与插杆之间均通过螺纹连接，螺纹连接也会存在一定的轴向间隙，进而在机械接头受到拉拔力时，螺纹连接的轴向间隙也会造成了预制混凝土桩的连接端面之间产生相应的轴线间隙，进一步增加预制混凝土桩连接处的裂缝大小，使其用于预制混凝土桩连接时无法达到《预应力混凝土管桩技术标准》中对裂缝控制的要求；3、如图24所示，使用该机械接头进行预制混凝土桩连接时还存在插杆的插头欠插入连接件的问题，即插杆插入连接件中时，弹性卡环的端部没有进入插杆的环槽中，因此插杆和连接件无法卡接，进而造成桩的连接失败。

8、如图25所示为现有的机械接头的第二种结构形式，包括大螺母2、小螺母21、插杆1、中间螺母91、弹性件92以及卡环93；插杆一端与小螺母螺纹连接，另一端设有插头，中间螺母与大螺母螺纹连接，中间螺母置于大螺母的一端设有锥形卡接面，在大螺母的容纳腔内设有弹性件和多个卡环，弹性件将多个卡环抵接在中间螺母的锥形卡接面上，插头从中间螺母的一端插入并能够压缩弹性件，从而使得插头穿过多个卡环围成的空间进行卡环卡接在中间螺母和插头之间，以实现两节预制混凝土桩的快速连接，然而，使用该种机械接头进行预制混凝土桩连接存在以下不足：1、在插杆插入中间螺母的过程中，存在插杆的中心轴线x-x与中间螺母的中心轴线y-y不同轴的状况，因此，如图25、图26和图27所示，当插杆插入中间螺母的过程中，靠近插杆轴线一侧的卡环先与插头接触，而远离插杆轴线一侧的卡环后与插头接触，下侧的卡环先与插头接触并且在插头的作用下压缩弹簧，上侧的卡环后与插头接触，因此，可能出现如图26所示的一侧的卡环进入插头和中间螺母之间，另一侧的卡环无法进入插头和中间螺母之间；或者，如图27所示的多个卡环与插头和中间螺母的卡接位置不同，进而造成桩连接失败或机械接头的连接强度低，从而在预制混凝土桩在受拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，机械接头的插杆与卡环之间出现轴向滑移，进而会造成桩连接端面处的全部或局部机械接头会产生轴向间隙，使得预制混凝土桩机械接头连接处开裂产生裂缝；2、当插头插入中间螺母并与卡环卡接后，插头、卡环以及中间螺母之间没有形成楔形面的完全贴合(在插头与卡环之间的作用力很小)，因此，当插杆受到受拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，插杆的插头会对卡环造成挤压，进而造成卡环相对插头产生轴向滑移，从而使得采用该机械接头进行预制混凝土桩连接时，预制混凝土桩在受拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时会造成桩连接端面处的全部或局部机械接头会产生轴向间隙，进而造成了预制混凝土桩连接处也相应的产生轴向间隙，使得预制混凝土桩机械接头连接处开裂产生裂缝；3、如图27所示，由于卡环与插头的卡接面均为锥形圆柱形面，由于卡环与插头的卡接位置不确定，因此，在卡环与插头卡接时，卡环的卡接面和插头的卡接面不会完全贴合。如图28所示，图中q1至q5曲线表示插头的卡接面不同位置处的截面半径曲线，图中j曲线表示卡环的某一位置处的截面半径曲线，如图中所示，当j曲线处于q1位置时，j曲线与q1完全贴合，当j曲线处于q2至q5时，j曲线与q曲线的间隙逐渐增加，也就是说卡环处于插头的不同位置时，卡环与插头的卡接状态不同，即不能保证卡环的卡接面与插头的卡接面完全贴合。也就是说卡环与插头之间是线接触，当机械接头受到拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，卡环与插头之间会产生轴向滑移或者卡环会部分嵌入至插头中(或卡环会受力产生形变)进而造成机械接头产生轴向间隙，也就是使用该种机械接头进行预制混凝土桩连接在受到拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，预制混凝土桩的连接端面之间也会产生相应的轴线间隙，使得预制混凝土桩机械接头连接处开裂产生裂缝；4、由于大螺母与中间螺母之间和小螺母与插杆之间均通过螺纹连接，螺纹连接也会存在一定的轴向间隙，进而在机械接头受到拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，螺纹连接的轴向间隙也会造成了预制混凝土桩的连接端面之间产生相应的轴线间隙，使得预制混凝土桩机械接头连接处开裂产生裂缝。该机械结构存在以上多种不足，因此，使用该机械接头进行预制混凝土桩连接时，容易使的预制混凝土桩连接无法达到《预应力混凝土管桩技术标准》jgj/t406-2017中第5.1.7条所规定的对于严格要求不出现裂缝的预应力管桩，其裂缝控制等级应为一级；第5.1.8条所规定的管桩桩身轴心受拉时，裂缝控制等级为一级；管桩桩身受弯时。处于弱腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为二级，中等、强腐蚀环境及以上的管桩裂缝控制等级为一级的要求。

9、现有的机械接头由于存在轴向间隙的问题，使得采用其进行预制混凝土桩连接，在受到拉拔力、剪切力和/或弯曲力等作用力时，预制混凝土桩上述机械接头连接机理会产生间隙，致使预制混凝土桩接头处产生裂缝。预制桩桩基础属地下隐蔽工程，预制桩本身是无法修补的。

10、混凝土预制桩接头产生裂缝的建筑桩基础安全隐患：

11、在预制混凝土桩承受抗弯、抗剪力时，预制混凝土桩接头处由于上述机械接头存在轴向间隙，机械接头的轴向间隙将使得预制混凝土桩连接处产生裂缝，进而导致桩与桩不在同一轴线上，使得桩的连接端面产生局部偏心受力；造成桩端面混凝土破损或压裂，致使建筑桩基础存在安全隐患。

12、在预制混凝土桩承受拉力时，由于无法确保上述机械接头所产生的轴向间隙完全一致，而预制桩桩身轴心受拉承载力设计值是按主筋数量(机械接头个数)合计考虑的；致使上述机械接头受拉力时会被逐个击破，致使建筑桩基础存在安全隐患。

13、在预制混凝土桩承受抗弯、抗剪、受拉力时，预制混凝土桩接头处由于轴向间隙产生，致使接头处产生裂缝，会导致地下水侵入腐蚀机械连接件和/或预制桩主筋，致使预制桩耐久性难以保证，具体地，由《建筑桩基技术规范》-jgj94-2008中表4.1.18钢桩年腐蚀速率可知，钢桩位于地面以上且处于无腐蚀性气体或腐蚀性挥发介质的环境中时，单面腐蚀率为0.05～0.1mm/y；钢桩位于地面以下且处于水位以上时，单面腐蚀率为0.05mm/y；钢桩位于地面以下且处于水位以下时，单面腐蚀率为0.03mm/y；钢桩位于地面以下且处于水位波动区时，单面腐蚀率为0.1～0.3mm/y；由此，可知，当预制混凝土桩由于机械接头的轴向间隙而产生裂缝时，其机械接头和/或主筋会被快速腐蚀，致使预制桩耐久性难以保证，其危害的严重性是不言语的。

技术实现思路

1、本发明针对现有机械接头连接机理存在轴向间隙会而造成预制混凝土桩连接处产生裂缝致使主筋和/或机械接头腐蚀、桩端面局部受压等问题，而提出了一种多齿卡片卡接的预紧机械接头，以解决现有机械接头连接后存在轴向间隙的带来的安全隐患的问题。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种多齿卡片卡接的预紧机械接头，包括，

4、插杆，所述插杆的一端为插头，所述插头的外壁设有第一齿牙；

5、大螺母，所述大螺母内设有容纳腔；

6、预紧螺母，所述预紧螺母内设有插入腔，所述插入腔内设有多齿卡片容纳槽，所述预紧螺母的外壁设有预紧螺母螺纹连接部和预紧螺母驱动部；所述预紧螺母螺纹连接部设于所述大螺母中并与所述容纳腔螺纹连接，且至少部分所述预紧螺母驱动部位于所述容纳腔外；

7、多齿卡片组件，所述多齿卡片组件置于所述多齿卡片容纳槽中，所述多齿卡片组件包括多个周向拼接的卡片和套在所述卡片外侧具有径向弹性的弹性圈，多个所述卡片围成卡接腔，且多个所述卡片能在所述多齿卡片容纳槽内张开和收缩，所述卡片的内壁设有第二齿牙，所述插头能插入所述卡接腔中并使得所述第一齿牙与所述第二齿牙卡合以实现所述插头与所述多齿卡接组件的卡接；

8、在所述多齿卡接组件与所述插头卡接时，驱动部件能够从所述预紧螺母的侧向驱动所述预紧螺母驱动部，使得所述预紧螺母旋转并沿所述大螺母轴向运动，从而将所述插头与所述预紧螺母在所述大螺母轴向方向上锁紧。

9、进一步地，所述预紧螺母驱动部上设有驱动齿，所述驱动部件为丝杆，所述丝杆上设有能够与所述驱动齿咬合的咬合齿。

10、进一步地，所述驱动齿为与所述预紧螺母轴线平行的直齿或与所述预紧螺母轴线成一定角度的斜齿。

11、进一步地，所述插头插入所述卡接腔的过程中，多个所述卡片张开时的最大外径小于等于所述多齿卡片容纳槽的内径；

12、多个所述卡片张开时的最小内径小于或等于所述插入腔的最小内径。

13、进一步地，所述多齿卡片容纳槽靠近插头插入端的一侧内壁为第一抵接面，所述卡片朝向插头插入端的一侧设有第二抵接面，所述插头与所述预紧螺母在所述大螺母轴向方向上锁紧时，所述第一抵接面与所述第二抵接面相互抵接。

14、进一步地，所述第一抵接面和所述第二抵接面均为锥形面。

15、进一步地，所述第一齿牙和所述第二齿牙为锯齿型齿牙或宝塔型牙。

16、进一步地，所述插头与所述多齿卡片组件在所述大螺母轴向方向锁紧前，所述预紧螺母与所述大螺母之间的螺纹连接为松配合螺纹连接。

17、进一步地，插头与所述多齿卡片组件在所述大螺母轴向方向上锁紧后，所述插头与所述多齿卡片组件连接的抗拉强度大于或等于主筋、大螺母和小螺母中任一部件的抗拉强度。

18、进一步地，还包括用于与所述插杆的插杆底座连接的小螺母。

19、一种预制混凝土桩，包括，预制混凝土桩本体、主筋以及权利要求1至10任意一项所述多齿卡片卡接的预紧机械接头；

20、所述主筋设置在所述预制混凝土桩本体内，所述预制混凝土桩本体一端设有所述大螺母，所述大螺母内设有所述预紧螺母和所述多齿卡接组件；

21、所述预制混凝土桩本体的另一端安装有所述插杆；

22、所述预制混凝土桩本体的端部设有驱动部件容纳槽；

23、当相邻两节预制混凝土桩连接时，所述驱动部件容纳槽一端与所述预制混凝土桩本体的外壁连通，另一端延伸至所述预紧螺母端部，使得驱动部件从所述预制混凝土桩本体的外壁处插入所述驱动部件容纳槽后，驱动部件能够与所述预紧螺母驱动部相互作用，使得所述预紧螺母进行旋转并沿所述大螺母轴向运动，从而将所述插头与所述预紧螺母在所述大螺母轴向方向上锁紧。

24、进一步地，所述预制混凝土桩本体设有插杆的一端还设有小螺母，所述大螺母和所述小螺母的一端分别与所述主筋的两端连接，所述插杆与所述小螺母的另一端螺纹连接。

25、进一步地，所述驱动部件驱动所述预紧螺母旋转并将所述插头与所述预紧螺母在所述大螺母轴向方向上锁紧后，所述驱动部件保留在或移出所述驱动部件容纳槽中。

26、进一步地，所述预制混凝土桩本体的连接端面和所述多齿卡片卡接的预紧机械接头内还注入结构胶。

27、一种预制混凝土桩的连接方法，包括以下步骤：

28、将预制混凝土桩设有插杆的一端向相邻预制混凝土桩设有预紧螺母的一端运动，并将插杆的插头插入预紧螺母的插入腔中实现插头与多齿卡片组件的卡接；

29、由预制混凝土桩的外壁插入驱动部件，并由驱动部件驱动预紧螺母驱动部，从而使得预紧螺母旋转并沿所述大螺母轴向运动，从而将所述插头与所述预紧螺母在所述大螺母轴向方向锁紧。

30、与现有技术比较，本发明公开的多齿卡片卡接的预紧机械接头具有以下有益效果：本技术公开的多齿卡片卡接的预紧机械接头，由于预紧螺母上设有预紧螺母驱动部，预紧螺母驱动部能够在插头插入腔后，由驱动部件从所述预紧螺母的侧向驱动，使得预紧螺母沿大螺母轴向运动，从而将插头与预紧螺母在大螺母轴向方向上锁紧，从而有效的消除了插头、多齿卡片组件以及预紧螺母之间的轴向间隙，进一步地，由于预紧螺母、插杆以及多齿卡片组件在轴向方向锁紧，锁紧的过程中预紧螺母、插杆以及多齿卡片组件在轴向方向会产生一定的轴向作用力(拧紧力)，在该轴向作用力的作用下，预紧螺母、插杆、大螺母、多齿卡片组件以及小螺母等部件之间的轴向间隙均能够被有效的消除，因此，使得采用本发明公开的机械接头进行预制混凝土桩连接时，在受到拉拔力、剪切力或弯曲力等作用力时，预制混凝土桩连接处也不会开裂并产生裂缝，使得使用本发明公开的机械接头进行预制混凝土桩连接时，能够满足《预应力混凝土管桩技术标准》jgj/t406-2017中关于裂缝等级控制的相关要求。并消除了预制混凝土桩连接由于现有机械接头连接机理会产生间隙，造成预制混凝土桩接头处产生裂缝，致使建筑桩基础存在安全隐患的问题。