一种刚柔连式混凝土预制桩模具

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，特别是模具设备技术，还涉及一种刚柔连式混凝土预制桩模具。

背景技术

在混凝土预制桩施工领域中，先张法预应力混凝土桩由于桩身混凝土的强度高并有一定的预压应力，在沉桩过程中能够承受锤击,静压等各种施工外力的作用,保持桩身的完好。此种桩型以其单桩承载力高，桩身耐打，穿透力强，质量可靠，单位承载力造价相对较低等优点，在全国各地得到广泛使用。

离心成型先张法预应力混凝土桩制造过程中预压应力施加的主要工艺为：将预应力钢筋编成钢筋笼放入钢模中，然后将混凝土投入钢模中，以钢模作为反力装置用液压千斤顶等对预应力钢筋进行张拉，所施加的张拉力通过固定在钢模两端面的锚固板由钢模来承受：通过离心成型形成桩体形状后进行蒸汽养护以加快混凝土的强度发展使得预应力钢筋与混凝土结合成一体，待混凝土强度达到一定的要求后，进行放张，将张拉力全部转移为桩身混凝土来承受。

在此放张过程中以桩长15米为例，根据桩身混凝土预压应力的大小桩身长度会出现约为1.5-4mm左右的压缩。由于离心成型先张法预应力混凝土非异型桩(如管桩,方桩)外周无异型凸起等,钢模内壁为平滑状态，放张时桩身受到压缩后与钢模内壁分离，此压缩会平均分配在桩身中，不会在桩身出现裂缝。但是这种内壁平滑的钢模无法生产异型桩，现有技术的离心成型先张法预应力混凝土桩生产时用钢模均为国家建材行业标准JC/T605-2005《先张法预应力混凝土管桩钢模》中所示的单层壁体构成。使用此种类型的钢模生产预应力混凝土异型桩时，桩身带有的凸起需在钢模内壁形成凹状方可成形。在放张过程中当桩身压缩时，因桩身凸起固定在钢模内壁凹状部而无法追随桩身的压缩变形，会在桩身与桩身凸起结合部分产生裂缝，严重时甚至会出现凸起的掉落。而且桩身与钢模无法分离,导致产品脱模困难。

如果大幅度降低钢模的刚度，使得钢模具有较大的变形能力，并相应的调整钢模内对应凸起的型面结构，增大凸起的角度降低凸起的高度，可以减少裂缝出现的可能性。但这样的钢模由于刚度过低，难以作为反力装置承受预应力的张拉力。而且在起吊，离心，养护等产品制造过程中钢模容易变形，难以满足工业化生产的要求。加上所制造的预应力混凝土异型桩凸起部分过小，限制了产品的应用范围。

现有技术中也有针对此情况提出的设计如一种芯模与外部的上下模组合的设计，在上、下模模内部除设置环向凹槽外，还须设置纵向凹槽来达到防止桩身与桩身凸起结合部分产生裂缝的要求。在桩身设置纵向凸起部分不但增加了钢模的制作难度加大成本，而且在一些地质条件下，此部分妨碍土体空隙水的移动，不利于提高承载力。

如采用弹性材质的与刚性材质的模具相互嵌套的解决方案，解决异形桩模具的固有缺陷，依然会引入新的问题，如内模结构复杂，使用成本高，对内外模之间的连接结构技术要求高，尤其难以同时兼顾对混凝土桩体的支撑和通过弹性内模随混凝土放张。可见在现有技术的范畴内，难以通过模具设计的优化，解决异形混凝土预制桩成型后桩体上的凸起结构不牢固易脱落易损坏的问题。

综上所述，现有的混凝土预异形制桩中所采用的模具存在加工出的预制桩桩身易出现裂缝，尤其是桩身凸起易损坏的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的混凝土预异形制桩中所采用的模具存在加工出的预制桩桩身易出现裂缝，尤其是桩身凸起易损坏的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种刚柔连式混凝土预制桩模具，包括用于相互扣合形成内部柱状空腔的上模及下模，所述上模与下模合模处设置有纵向企口筋板，所述上模及下模均包括相互嵌套的外模及内模，所述外模为刚性模，所述内模为柔性模，所述外模内同轴设置有两个以上的内模，相邻所述内模沿轴向等间距设置，所述内模的两端均设置外扩的斜端面，所述斜端面外缘贴合所述外模的内侧壁，相邻所述内模的斜端面与二者之间的外模内侧壁构成半环状凹槽，所述内模与外模之间通过半环状支撑结构连接固定，所述半环状支撑结构与所述内模之间间隙连接，用于在混凝土异形桩成型过程中，预留所述内模随同混凝土桩体放张的形变余量。

这种预应力混凝土异型桩用内外模组合，采用一刚性一弹性双重壁体预制桩模，外模刚度较大，内模的刚度较小具有柔性弹性，内模与外模共同形成的钢模具内表面与预应力混凝土异型桩的外表面相适配，内模间隔处与外模形成的半环状凹槽用于成型异形桩的凸起，半环状支撑结构与内模之间的间隙在放张预应力混凝土异型桩时，内模跟随桩身压缩变形，保证桩身凸起处完整无裂缝，异形桩体成型过程中混凝土未硬化前，所施加的预应力张拉力主要由外模来承受，由于内模的刚度小，混凝土硬化后在放张过程中当桩身压缩时，内模能够追随桩身的压缩变形而发生微量的弹性变形，此微量变形将被内模与外模内腔之间的空隙部分，尤其是配合半环状支撑结构与内模之间的间隙吸收，以此确保桩身与桩身的凸起结合部不易产生裂缝，桩身与模具得以顺利分离，由于对应桩身凸起的模具上的半环状凹槽具有由内模的斜端面构成的侧壁，因此该凸起位置一样可以在放张时随同桩身适应性形变，避免凸起结构与桩身不匀质，连接位置易断裂的情况。此外，混凝土成型过程中的模具内模的弹性变形在桩身与模具分离之后恢复,模具可以反复使用。

由于内模采用分体式结构即多个同轴的内模相接，对应异形桩体凸起结构的模具部分，为由相邻内模的斜端面和外模内侧面共同构成的半环状凹槽，避免在同一个内模壁上加工出完整的凹槽结构，或者是在同一内模壁上多次成型加工出多个凹槽结构，通过内模的对接位置完成异形桩体凸起部分的成型，该设计相当于优化了内模的生产加工工艺，采用长度相对短、结构相对简单的构件组成内模整体，对每个内模两端的一次冲型即可获得成型的构件，而多个内模通过半环状支撑结构与外模之间形成支撑连接，构成模具整体，加工相对容易，降低了模具的生产成本。

作为优选的方案，所述半环状支撑结构为刚性的半环形衬板，所述半环形衬板的半环形外缘贴合所述外模的内侧壁固定连接，所述半环形衬板内缘的两端均与所述内模的外侧壁固定连接，所述半环形衬板内缘的中部区域与所述内模的外侧壁之间保持预设间距。优化半环状支撑结构的设计及连接方式，加强了外模与内模之间的连接，提升了外模对内模的支撑。

作为优选的方案，所述半环形衬板与所述外模之间通过焊接或螺栓连接，所述半环形衬板的两端与所述内模之间焊接连接，所述半环形衬板内缘的中部区域与所述内模的外侧壁之间的间距范围是0.3mm-1.5mm。根据混凝土桩成型过程的形变量，适应性的调整半环形衬板与内模之间的间隙，并进一步优化半环形衬板与内、外模之间的固定连接方式，增强模具的可实施性。

作为优选的方案，所述内模的斜端面与所述外模内侧面之间焊接连接，焊缝位置通过斜面过渡连接斜端面和外模内侧壁，同一半环状凹槽内的两条焊缝之间的间距范围是40mm-120mm。通过焊接连接内模与外模结构牢固实施容易，且通过对焊缝结构的利用形成斜面过渡面，令凹槽结构表面更加平滑。

作为优选的方案，所述外模的外侧壁设置有两个以上平行于其轴向的轴向筋板，所述轴向筋板均沿外模的径向间隔设置，所述轴向筋板用于提升外模刚度。该设计提升了外模的刚度，避免混凝土桩体成型时尤其是起吊离心的过程中外模在应力作用下变形。

作为优选的方案，所述外模两端的端面固定连接有锚固板，所述锚固板与所述外模的外侧壁之间均匀设置有加强筋。通过该结构保证在混凝土未硬化前，所施加的预应力张拉力主要由外模来承受。

作为优选的方案，所述外模包括两个以上首尾相接的半筒壳，所述半筒壳的外侧壁均与所述轴向筋板固定连接。通过该结构优化外模设计，多个半筒壳连接构件成型容易，通过轴向筋板连接固定，加工容易且连接后足够牢固。

作为优选的方案，所述外模的外侧壁沿其径向设置有两个以上半环状筋板，所述半环状筋板均沿外模的轴向间隔设置。通过半环状筋板的结构加强外模在周向的强度，避免成型过程中模具周向形变。

作为优选的方案，所述内模的斜端面与所述内模侧壁之间所呈的夹角大于或等于110°，所述半环状凹槽的槽深范围是45mm-150mm。通过该半环状凹槽的结构尺寸限定保证了桩体成型后相对容易与模具分离，且尺寸结构满足异形桩的工艺要求。

作为优选的方案，所述内模的侧壁厚度范围是4mm-8mm，所述外模的侧壁厚度大于或等于7mm，所述轴向筋板的厚度不超过8mm。通过该设计保证内模的弹性及刚性较为平衡，模具适用性好，外模壁厚限定最小厚度为了保证其具有足够的刚性，轴向筋板厚度适应工艺要求。

附图说明

图1为本发明提供的一种刚柔连式混凝土预制桩模具的侧面半剖结构示意图；

图2为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的半环状凹槽位置的局部结构示意图；

图3为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的横截面结构示意图；

图4为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的内模的结构示意图；

图5为本发明提供的另一种刚柔连式混凝土预制桩模具的内模的结构示意图。

其中，图1-图5中：

1、锚固板；2、斜端面；3、半环状凹槽；4、外模；5、内模；6、半环形衬板；7、纵向企口筋板；8、轴向筋板；9、半环状筋板；10、上模；11、下模。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1-图3，图1为本发明提供的一种刚柔连式混凝土预制桩模具的侧面半剖结构示意图；图2为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的半环状凹槽位置的局部结构示意图；图3为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的横截面结构示意图。

本发明的实施例所提供的刚柔连式混凝土预制桩模具，包括用于相互扣合形成内部柱状空腔的上模10及下模11，上模10与下模11合模处设置有纵向企口筋板7，上模10及下模11均包括相互嵌套的外模4及内模5，外模4为刚性模，内模5为柔性模，外模4内同轴设置有两个以上的内模5，相邻内模5沿轴向等间距设置，内模5的两端均设置外扩的斜端面2，斜端面2外缘贴合外模4的内侧壁，相邻内模5的斜端面2与二者之间的外模4内侧壁构成半环状凹槽3，内模5与外模4之间通过半环状支撑结构连接固定，半环状支撑结构与内模5之间间隙连接，用于在混凝土异形桩成型过程中，预留内模5随同混凝土桩体放张的形变余量。

本实施例这种预应力混凝土异型桩用内外模组合，采用一刚性一弹性双重壁体预制桩模，外模刚度较大，内模的刚度较小具有柔性弹性，内模与外模共同形成的钢模具内表面与预应力混凝土异型桩的外表面相适配，内模间隔处与外模形成的半环状凹槽用于成型异形桩的凸起，半环状支撑结构与内模之间的间隙在放张预应力混凝土异型桩时，内模跟随桩身压缩变形，保证桩身凸起处完整无裂缝，异形桩体成型过程中混凝土未硬化前，所施加的预应力张拉力主要由外模来承受，由于内模的刚度小，混凝土硬化后在放张过程中当桩身压缩时，内模能够追随桩身的压缩变形而发生微量的弹性变形，此微量变形将被内模与外模内腔之间的空隙部分，尤其是配合半环状支撑结构与内模之间的间隙吸收，以此确保桩身与桩身的凸起结合部不易产生裂缝，桩身与模具得以顺利分离，由于对应桩身凸起的模具上的半环状凹槽具有由内模的斜端面构成的侧壁，因此该凸起位置一样可以在放张时随同桩身适应性形变，避免凸起结构与桩身不匀质，连接位置易断裂的情况。此外，混凝土成型过程中的模具内模的弹性变形在桩身与模具分离之后恢复,模具可以反复使用。

参考图4、图5，图4为图1中刚柔连式混凝土预制桩模具的内模的结构示意图；图5为本发明提供的另一种刚柔连式混凝土预制桩模具的内模的结构示意图。

针对需要成型的混凝土异形桩结构要求适应性调整内模外模结构，当桩体要求为圆柱时，内模也采用半圆柱状的中空结构，相应的当待成型的桩体为多边形柱体时，内模为半多边形柱体状结构，如成型四棱柱桩体时，上下模中相互对接的内模可采用沿桩体截面的矩形对角线对开的分割方式。

由于内模采用分体式结构即多个同轴的内模相接，对应异形桩体凸起结构的模具部分，为由相邻内模的斜端面和外模内侧面共同构成的半环状凹槽，避免在同一个内模壁上加工出完整的凹槽结构，或者是在同一内模壁上多次成型加工出多个凹槽结构，通过内模的对接位置完成异形桩体凸起部分的成型，该设计相当于优化了内模的生产加工工艺，采用长度相对短，结构相对简单的构件组成内模整体，对每个内模两端的一次冲型即可获得成型的构件，流水线作业标准化生产，而多个内模通过半环状支撑结构与外模之间形成支撑连接，构成模具整体，加工相对容易，大大提升了模具的生产加工效率，降低了模具的生产成本。

在以上实施例的基础上，为了进一步优化半环状支撑结构及其与内外模之间的连接：半环状支撑结构为刚性的半环形衬板6，半环形衬板6的半环形外缘贴合外模4的内侧壁固定连接，半环形衬板6内缘的两端均与内模5的外侧壁固定连接，半环形衬板6内缘的中部区域与内模5的外侧壁之间保持预设间距。

本实施例提供的技术方案中，半环状支撑结构具体采用刚性板的结构，安装固定效果好，且加强了内模与外模的连接，能够有效将桩体成型中的应力传递给外模，通过外模的刚性特质实现承载，还能够进一步提升外模的周向刚度，半环形衬板的两端与内模固定，保证了结构的连接固定，同时中部区域预留一定的空隙，用于在混凝土成型过程桩体发生形变时，内模能够随同混凝土表面适应性发生形变，可吸收因混凝土预制桩放张时收缩对凸起部位应力，避免凸起与桩身部位应力不均匀而开裂的现象。

在上述实施例的基础上，进一步优化半环形衬板与内外模之间的固定连接方式，以及具体预留间隙范围：半环形衬板6与外模4之间通过焊接或螺栓连接，半环形衬板6的两端与内模5之间焊接连接，半环形衬板6内缘的中部区域与内模5的外侧壁之间的间距范围是0.3mm-1.5mm。

本实施例中，根据混凝土桩成型过程的形变量，适应性的调整半环形衬板与内模之间的间隙为0.3mm-1.5mm，可以抵抗内模过大的变形，不致使预制桩桩身尺寸产生偏差；并进一步优化半环形衬板与内、外模之间的固定连接方式，焊接及螺纹连接的方式易实施，且固定效果好，增强了模具的可实施性。

本实施例提供的技术方案中，内模5的斜端面2与外模4内侧面之间焊接连接，焊缝位置通过斜面过渡连接斜端面2和外模4内侧壁，同一半环状凹槽3内的两条焊缝之间的间距范围是40mm-120mm。通过焊接连接内模与外模结构牢固实施容易，且通过对焊缝结构的利用形成斜面过渡面，令凹槽结构表面更加平滑；通过对同一半环状凹槽内的焊缝之间的间距范围的限定，控制所成型的混凝土桩体上的凸起结构的宽度，满足施工标准的要求。

本实施例提供的技术方案中，外模4的外侧壁设置有两个以上平行于其轴向的轴向筋板8，轴向筋板8均沿外模4的径向间隔设置，轴向筋板8用于提升外模4刚度。该设计提升了外模的刚度，以便抵抗桩体成型中，外模因离心、吊装等复杂工况下的荷载，提高异形混凝土预制桩的同心度。

本实施例提供的技术方案主要是为了优化模具之间的对接，外模4两端的端面固定连接有锚固板1，锚固板1与外模4的外侧壁之间均匀设置有加强筋。通过该结构保证在混凝土未硬化前，所施加的预应力张拉力主要由外模来承受。

在上述实施例的基础上，外模也采用分体式拼接结构：外模4包括两个以上首尾相接的半筒壳，半筒壳的外侧壁均与轴向筋板8固定连接。通过该结构优化外模设计，多个半筒壳连接构件成型容易，多个半筒壳首尾相连并通过轴向筋板连接固定，加工容易且连接后足够牢固。

与上述实施例中设置轴向筋板原理相似，本实施例设置了半环状筋板：外模4的外侧壁沿其径向设置有两个以上半环状筋板9，半环状筋板9均沿外模4的轴向间隔设置。通过半环状筋板的结构加强外模在周向的强度，避免成型过程中模具周向形变，同时也能够提高成型后桩体本身的同轴度。

本实施例提供的技术方案进一步优化了半环状凹槽的结构，内模5的斜端面2与内模5侧壁之间所呈的夹角大于或等于110°，半环状凹槽3的槽深范围是45mm-150mm。

内模的斜端面与内模侧壁面所成角度小于110°时，在放张过程中桩身与桩身凸起结合部容易产生应力集中，成型后桩体凸起部分易破损，且无法保证桩身与模具顺利分离。半环状凹槽的槽深最大深度小于45mm时,所生产的离心成型先张法预应力混凝土异型桩失去其工程应用意义。当半环状凹槽的最大深度大于150mm时，由于内模的斜端面追随桩身的压缩变形而产生过大变形，超出模具钢材的弹性变形范围，使得此变形难以得到恢复，无法保证钢模的反复使用。通过该半环状凹槽的结构尺寸限定保证了桩体成型后相对容易与模具分离，且尺寸结构满足异形桩的工艺要求。

本实施例中技术方案优化了模具中各部位的厚度范围，内模5的侧壁厚度范围是4mm-8mm，外模4的侧壁厚度大于或等于7mm，轴向筋板8的厚度不超过8mm。

内模壁体的厚度不超过10mm，在本实施例基础上进一步的内模最佳的厚度为5mm至6mm。当其厚度大于8mm时，内模的刚度过大，难以产生微量的弹性变形，桩身凸起部无法与内模的侧壁分离，所成型的桩身与桩身凸起结合部会出现裂缝，而且厚度过厚会造成材料浪费。但是当内模厚度过簿小于4mm时，模具在起吊、离心等产品制造过程中容易较大的变形，导致所成型的桩身变形，桩身会产生裂缝。在放张过程中因内模变形大，易在桩身与桩身凸起结合部产生应力集中，反而使得桩身与模具难以分离。同理的，外模和轴向筋板的厚度范围主要是了为了保证模具结构的刚度，防止发生非正常形变。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。