一种部分预制装配式高桩承台节点连接结构及其抗剪设计方法

技术领域

本发明涉及海上风电场基础结构设计技术领域，具体的说是涉及一种部分预制装配式高桩承台节点连接结构及其抗剪设计方法。

背景技术

目前，海上高桩承台基础形式已广泛应用于近海风电场施工中，其具有安全性、经济性等显著优点。海上高桩承台基础通常是由基桩和承台组合而成，基桩一般采用斜向钢管桩，承台包括现浇和预制两种，其中预制承台具有施工方便，缩短工期等优点。预制高桩承台包括预制封底混凝土和现浇钢筋混凝土结构两部分。

现浇钢筋混凝土结构及钢吊箱的自重主要依靠预制封底混凝土与钢管桩之间的粘结力来承担。当粘结力小于自重时，高桩承台基础就会失稳乃至破坏。故该种结构形式中，钢管桩与封底混凝土的连接是设计中的重点及难点。在传统的设计中，该节点处通过在钢管桩周围增设钢筋作为剪力件来增加钢管桩与混凝土之间的粘结力。但是抗剪钢筋总量大，费用高，且钢筋布置密集，对后续施工影响较大，需要海上大型装备进行施工。因此，从安全性及经济性考虑，研发一种部分预制装配式高桩承台节点连接新型结构，十分必要。

发明内容

本发明要解决的目的是：针对海上预制高桩承台基础结构，提出一种部分预制装配式高桩承台节点连接结构，能够降低连接结构的用钢量而又保证抗剪性能。为此，本发明采用以下技术方案：

一种部分预制装配式高桩承台节点连接结构，包括二期现浇承台、一期预制封底混凝土、钢管桩、径向钢筋和环向钢筋；所述一期预制封底混凝土为陆上预制部分，其上设有若干与所述钢管桩相适配的预留孔洞；所述钢管桩插入所述预留孔洞，通过桩端及侧壁与混凝土的连接，将基础所承受的荷载传递至地基内；

其特征在于：所述径向钢筋、环向钢筋为钢管桩与预制封底混凝土、现浇混凝土承台间的连接构件，提高钢管桩与混凝土之间的粘结力；所述连接结构还包括钢管桩桩身剪力钉；

所述钢管桩桩身剪力钉为增强钢管桩与基础混凝土连接的结构，剪力钉通过焊接方式焊接于钢管桩插入预留孔洞的这一端的周围及顶部，提高了钢管桩与二期现浇承台、一期预制封底混凝土的粘结性，使得基础结构更为坚固，并减少径向钢筋和环向钢筋的用量。

所述剪力钉为头部具有凸头的栓钉，其栓杆的端部和钢管桩表面焊接，其凸头被埋入在预留孔洞内壁的混凝土中。

本发明提出了一种部分预制装配式高桩承台节点连接结构，可应用于新建风电场高桩承台结构中，解决了新建风电场基础所面临的装备及运输限制、钢筋布置密集、施工效率低下等问题。

本发明用于桩顶与承台连接部位，本发明采用剪力钉作为抗剪连接件，充分利用了剪力钉了抗剪能力，通过在封底混凝土与钢管桩交接处预埋剪力钉、在钢管桩周围焊接剪力钉，从而使预制封底混凝土与钢管桩形成一整体，在施工便捷的前提下提高了基础的抗剪承载能力，并降低了对后续施工的影响，且通过小型的施工设备即可完成剪力钉的现场焊接施工，安全、高效、便捷、经济。

本发明充分利用剪力钉的抗剪能力，来抵抗风机运行中产生的钢管桩和混凝土界面处的相对滑动和竖向分离，减少了海上桩与承台连接钢筋绑扎作业时间，降低了钢筋的总量及成本，提高了基础结构抗剪承载力及施工效率。在经济性、安全性上有了显著的改善。

本发明另一个目的是提供一种上述部分预制装配式高桩承台节点连接结构的抗剪设计方法，采用以下技术方案：

将海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点的破坏方式分为栓钉剪断破坏和混凝土或钢筋混凝土压碎破坏，其中，

(1)海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点采用栓钉和素混凝土连接时，栓钉-混凝土抗剪计算方法：

其中V

(2)海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点采用栓钉和钢筋混凝土连接时，栓钉-钢筋混凝土抗剪计算方法：

其中V

通过上述抗剪计算方法，得到上述部分预制装配式高桩承台节点连接结构的栓钉和抗剪钢筋的最优配比，从而优化结构设计，在保证结构的情况下，精确降低抗剪钢筋的用量；降低连接结构的用钢量；所述栓钉为所述剪力钉，所述抗剪钢筋为所述环向钢筋。

附图说明

图1是本发明所提供的部分预制装配式高桩承台立面图；

图2是本发明所提供的一期预制封底混凝土立体图；

图3是本发明所提供的剪力钉连接布置立面图；

图4是本发明所提供的部分预制装配式高桩承台平面图；

图5是本发明所提供的剪力钉连接布置平面图；

图6是本发明所提供的环向钢筋、径向钢筋绑扎连接的立体图；

1一期预制封底混凝土、2二期现浇承台、3钢管桩、4锚栓、5塔筒、6径向钢筋、7环向钢筋、8钢管桩桩身剪力钉、21预留孔洞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

首先结合本发明的施工过程对本发明的适用于部分预制装配式高桩承台节点连接结构进行描述，具体为：

第一步，基于风电场机位地勘报告，经计算后确定基础直径及钢管桩3的根数及长度；

第二步，一期预制封底混凝土1施工。采用陆上预制的方式，预留与所述钢管桩3相适配的预留孔洞21，同时预留孔洞周围径向钢筋6，径向钢筋6伸出预留孔洞21，径向钢筋6的长度与承台沿钢管桩轴线的厚度匹配。

第三步，剪力钉焊接。对于钢管桩3插入承台内的部分节点段焊接若干剪力钉8，增强钢管桩3与承台基础的粘结性能；

第四步，一期预制封底混凝土1安装。通过吊装施工，钢管桩经预留孔洞21插入一期预制封底混凝土1，上端露出一期预制封底混凝土1；

第五步，径向钢筋6、环向钢筋7绑扎施工。

第六步，锚栓4施工。锚栓下端经连接件与二期现浇承台连接，连接件包括下锚板、支撑螺柱、支撑底板。锚栓下端通过下锚板固定，下锚板下端设置支撑螺柱和支撑底板，支撑底板位于一期混凝土顶部。锚栓上端露出二期现浇承台顶部；所述锚栓用来连接承台顶部与风机塔筒5；所述塔筒5在风电发电机组中起到支撑作用；

第七步，二期现浇承台2施工。此部分施工包括承台钢筋绑扎和混凝土浇筑施工。

第八步，塔筒吊运及安装。

本发明重点在于预制装配式高桩承台关键节点连接结构，对现浇混凝土承台内部配筋未做详细描述，该部分为现有技术。

抗剪设计方法

大兆瓦机组及深水环境荷载作用下，海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点的破坏方式一般可分为栓钉剪断破坏和混凝土(或钢筋混凝土)压碎破坏。目前对于此复杂受力节点部位栓钉区域受剪破坏机理及计算方法尚不明确，本发明针对此问题提出了相应的计算方法，分为栓钉-混凝土(含高强灌浆料)抗剪计算方法、栓钉-钢筋混凝土抗剪计算方法两种，所述栓钉为上述剪力钉8。

(1)栓钉-混凝土(含高强灌浆料)抗剪计算方法

海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点采用栓钉和素混凝土(含高强灌浆料，不配置环向钢筋)连接时：

其中V

(2)栓钉-钢筋混凝土抗剪计算方法

海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点采用栓钉和钢筋混凝土连接时：

其中V

结合本方法的抗剪设计对本发明的适用于栓钉-混凝土(钢筋混凝土)的抗剪计算方法进行描述，具体为：

第一步，海上高桩承台与钢管斜桩连接关键节点采用栓钉和素混凝土(含高强灌浆料，不配置环向钢筋)连接，采用公式1-1、公式1-2进行抗剪计算；

第二步，当计算剪力γF

第三步，当计算剪力γF

第四步，采用栓钉和钢筋混凝土连接时公式2-2进行抗剪设计，增设环向钢筋，直至节点处计算剪力γF

本发明提供的抗剪设计方法通过上述抗剪计算方法，得到栓钉和抗剪钢筋的最优配比，从而优化结构设计。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。