深水雙夾心式鋼管樁基礎及其實施方法
【專利摘要】本發明公開了一種深水雙夾心式鋼管樁基礎，包括從外向內依次套設的外層鋼管、中間鋼管和內層鋼管，所述外層鋼管和中間鋼管之間形成外環形空腔，該中間鋼管和內層鋼管之間形成內環形空腔；其中外環形空腔內填充鋼筋混凝土或FRP(纖維增強聚合物)混凝土，內環形空腔內填充FRP混凝土。本發明通過外層鋼管與中間鋼管、中間鋼管與內層鋼管之間形成的雙環形空腔結構，并在其中填充FRP混凝土和/或鋼筋混凝土，有效增加了整體結構的截面模量，提高結構承載能力至少50％；同時可減小基樁使用期間的位移變形量、外層鋼管的壁厚與重量，降低對樁基起吊設備的要求和水上施工的難度，使得鋼管樁基礎可適用于水深更深的工程區域。
【專利說明】
深水雙夾心式鋼管樁基礎及其實施方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種管粧基礎及其施工方法，尤其涉及一種深水雙夾心式鋼管粧基礎及其實施方法。
【背景技術】
[0002]與陸地的施工情況相比，水下的施工工況條件比較惡劣，其中深水區的施工難度以及對于工件強度要求都更大、更高，且深水區受自然條件的影響也深。
[0003]目前海上風電工程、江面和海上特大橋工程等基礎工程中使用的基礎結構類型有單根大直徑管粧、組合式管粧。其中單根大直徑管粧具有結構簡單、受力好、工序簡單、制作容易、施工速度快等優點，適用于軟土較厚的區域。但單根大直徑管粧具有與以下缺點:泥面以上的懸臂過長、柔性較大、剛度不足，在壽命使用期內，位移變形大，難以適用于深水較大區域;為了保證足夠的剛度及強度，單根鋼管粧的直徑較大(一般在4米以上)，相應的壁厚也大，鋼材用量多；整個鋼管粧的重量大，需要大型起重設備及大型打粧錘，對施工設備要求很高;受起重設備承載能力的制約，因此使用受限，在較大風荷載、較深水區難以使用該種基礎。另一種組合式管粧，大多采用混凝土和鋼管組合的形式，其承載能力較之單根管粧有較大改善，但在壽命使用期內，仍然存在位移變形大等缺陷，無法適用于深水處，且為了保證足夠的剛度及強度，鋼材和混凝土的用量多，成本高，且鋼筋易腐蝕。
[0004]因此，亟待解決上述問題。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明的第一目的是提供一種承載強度高、消耗鋼材少且適用范圍廣的深水雙夾心式鋼管粧基礎。
[0006]本發明的第二目的是提供該深水雙夾心式鋼管粧基礎的實施方法。
[0007]技術方案:為實現以上目的，本發明所述的一種深水雙夾心式鋼管粧基礎，包括從外向內依次套設的外層鋼管、中間鋼管和內層鋼管，所述外層鋼管和中間鋼管之間形成外環形空腔，該中間鋼管和內層鋼管之間形成內環形空腔；其中在外環形空腔內填充鋼筋混凝土或FRP混凝土，內環形空腔內填充FRP混凝土。
[0008]FRP(纖維增強聚合物)混凝土是一種采用高性能纖維，加固復合材料混凝土結構，該FRP混凝土包括固定于內環形空腔或外環形空腔內的環形FRP籠和混凝土。其中環形FRP籠具有高抗拉強度、耐腐蝕、抗老化輕質、施工便捷等優點，無需長期維護，經濟性高，適用范圍廣。
[0009]本發明通過外層鋼管與中間鋼管、中間鋼管與內層鋼管之間形成的雙環形空腔結構，并在其中填充FRP混凝土和/或鋼筋混凝土，有效增加了整體結構的截面模量，提高結構承載能力至少50%;同時可減小基粧使用期間的位移變形量、外層鋼管的壁厚與重量，壁厚可減小至10?15_，降低了對粧基起吊設備的要求和水上施工的難度；同時在起重能力一定時，通過減小外層鋼管的壁厚，可實現更大直徑管粧的起吊施工，使得深水雙夾心式鋼管粧基礎可適用于水深更深的工程區域。
[0010]本發明用FRP混凝土代替部分或全部的鋼筋混凝土，該鋼筋混凝土包括固定于外環形空腔內的環形鋼筋籠和混凝土;在提高整體結構的承載能力的同時可以進一步減小鋼管壁厚和總鋼材的使用量，減少生產制造成本。
[0011]其中，所述外層鋼管、中間鋼管和內層鋼管在同一中心軸線上。三者同軸使得鋼管的四周內外壁的承載強度一致，使得整體結構的使用壽命得到進一步延長。
[0012]優選的，所述中間鋼管和內層鋼管的頂、底兩面齊平，兩者之間協同受力。
[0013]進一步，所述外層鋼管頂端高出中間鋼管和內層鋼管的頂端，且高出部分為加強段，該外層鋼管的底面與中間鋼管和內層鋼管的底面齊平。
[0014]再者，所述加強段的壁厚為外層鋼管壁厚的1.5?2倍。該加強段作為打粧加強段及與上部基礎施工平臺的連接段，增厚的管壁使得在打粧施工過程中不易變形，減輕了先施打外鋼粧的重量，降低了粧基礎在水上施工的設備要求，降低了粧基礎海上施工難度，節省了施工費用。
[0015]優選的，所述外層鋼管的內壁和中間鋼管的外壁均設有與鋼筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力鍵，所述外層鋼管的外壁設有防沖刷護體。剪力鍵的設置進一步增強了鋼管粧的側向承載能力，防沖刷護體被鋼管粧處于水流紊動強度較小的區域，極大減弱了鋼管粧基礎周圍的沖刷，提高了沖刷防護的可靠性，增強了鋼管粧基礎的穩定性和安全性。
[0016]進一步，鋼筋混凝土包括固定于外環形空腔內的環形鋼筋籠和混凝土，FRP混凝土包括固定于內環形空腔或外環形空腔內的環形FRP籠和混凝土。
[0017]本發明的深水雙夾心式鋼管粧基礎的施工方法，包括如下步驟:
[0018]A、預備外層鋼管、中間鋼管、內層鋼管以及FRP混凝土，或FRP混凝土和鋼筋混凝土；
[0019]B、水上沉粧施工:利用專用打粧設備將外層鋼管沉入地基；
[0020]C、利用專用取土設備將外層鋼管內側的土取出；
[0021]D、將中間鋼管、內層鋼管吊裝于外層鋼管內，且外層鋼管和中間鋼管之間形成外環形空腔，中間鋼管和內層鋼管之間形成內環形空腔；
[0022]E、向內環形空腔內填充FRP混凝土，外環形空腔內填充鋼筋混凝土或FRP混凝土，待凝固后形成整體式夾心鋼管粧；
[0023]其中，在形成整體式夾心鋼管粧后可在其四周設置防沖刷護體。
[0024]再者，步驟C中，土體取出后，清洗外層鋼管內壁附著的泥土。
[0025]優選的，先將環形FRP籠吊裝于內環形空腔或外環形空腔內，環形鋼筋籠吊裝于外環形空腔內，再灌注混凝土。
[0026]進一步，所述步驟E中先將中間鋼管、內層鋼管、環形鋼筋籠和環形FRP籠拼裝成一體，再吊裝于外層鋼管內。
[0027]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下顯著優點:
[0028](I)本發明通過外層鋼管與中間鋼管、中間鋼管與內層鋼管之間形成的雙環形空腔結構，并在其中填充FRP混凝土和/或鋼筋混凝土，有效增加了整體結構的截面模量，提高結構承載能力至少50%;同時可減小基粧使用期間的位移變形量、外層鋼管的壁厚與重量，壁厚可減小至10?15mm;此外，雙環形空腔管粧能將鋼筋混凝土和FRP混凝土結合，充分發揮出FRP的高抗拉強度與鋼筋混凝土高抗壓的特點，使其管粧不僅具有更高的抗壓強度，同時也具有更好的抗拉強度。
[0029](2)由于FRP重量僅為鋼材的20%，相比傳統單管粧更輕，能降低粧基起吊設備要求，降低了水上施工的難度；同時在起重能力一定時，通過減小外層鋼管的壁厚，可實現更大直徑管粧的起吊施工，使得深水雙夾心式鋼管粧基礎可適用于水深更深的工程區域;采用FRP混凝土代替部分或全部的鋼筋混凝土，在承載力一定的情況下，可以進一步減小鋼管壁厚和總鋼材的使用量，減少生產制造成本;此外用FRP混凝土代替部分鋼筋混凝土還可以解決水中腐蝕的問題，鋼筋防氯鹽腐蝕僅15年左右，而FRP對氯鹽耐腐蝕性更高，可以在酸、堿、氯鹽和潮濕環境中長期使用，含FRP混凝土的雙環形管粧能滿足水中永久和半永久的結構的耐久性要求。
[0030](3)在使用工況與荷載要求一定時，該雙環形空腔管粧與直徑更大的單環形空腔鋼管粧具有同樣的抗荷載及抗變形的能力，即本發明的小直徑粧可代替普通大直徑粧。
[0031](4)通過局部增厚外鋼管的管壁使得在打粧施工過程中不易變形，減輕了先施打外鋼粧的重量，降低了粧基礎在水上施工的設備要求和海上施工難度，節省了施工費用。
[0032](5)雙環形空腔管粧能實現工廠化生產，現場安裝，有利于保證工程質量，提高勞動效率和建筑工業化。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的縱向尚]面不意圖；
[0034]圖2為圖1中的A-A向的剖面示意圖；
[0035]圖3為本發明的外層鋼管的結構示意圖；
[0036]圖4為本發明的中間鋼管的結構示意圖；
[0037]圖5為本發明的內層鋼管的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。
[0039]如圖1所示，本發明深水雙夾心式鋼管粧基礎，包括外層鋼管1、中間鋼管2、內層鋼管3、鋼筋混凝土和FRP混凝土，外層鋼管1、中間鋼管2和內層鋼管3分別從外向內依次套設，且外層鋼管I和中間鋼管2之間形成外環形空腔4，在該外環形空腔4內填充鋼筋混凝土；中間鋼管2和內層鋼管3之間形成內環形空腔5，在該內環形空腔5內填充FRP混凝土。本發明通過外層鋼管與中間鋼管、中間鋼管與內層鋼管之間形成的雙環形空腔結構，并在其中填充FRP混凝土和/或鋼筋混凝土，有效增加了整體結構的截面模量，提高結構承載能力至少50% ;同時可減小基粧使用期間的位移變形量、外層鋼管的壁厚與重量，壁厚可減小至10?15_，降低了對粧基起吊設備的要求和水上施工的難度;同時在起重能力一定時，通過減小外層鋼管的壁厚，可實現更大直徑管粧的起吊施工，使得深水雙夾心式鋼管粧基礎可適用于水深更深的工程區域。
[0040]本發明中的鋼筋混凝土包括固定于外環形空腔4內的環形鋼筋籠9和混凝土11，FRP混凝土包括固定于內環形空腔或外環空腔內的環形FRP籠10和混凝土11，還可以將鋼筋混凝土全部替換為FRP混凝土，鋼筋混凝土包括固定于外環形空腔4內的環形鋼筋籠9和混凝土 11。用FRP混凝土代替部分或全部的鋼筋混凝土，在提高整體結構的承載能力的同時可以進一步減小鋼管壁厚和總鋼材的使用量，減少生產制造成本。
[0041]FRP(纖維增強聚合物)混凝土是一種采用高性能纖維，加固復合材料混凝土結構，該FRP混凝土包括固定于內環形空腔或外環形空腔內的環形FRP籠和混凝土。其中環形FRP籠具有高抗拉強度、耐腐蝕、抗老化輕質、施工便捷等優點，無需長期維護，經濟性高，適用范圍廣。
[0042]如圖2所示，外層鋼管1、中間鋼管2和內層鋼管3三者在同一中心軸線上，三者同軸使得鋼管的四周外壁的承載強度一致，使得整體結構的使用壽命得到進一步延長。
[0043]如圖3-5所示，本發明的中間鋼管2和內層鋼管3的頂、底兩面齊平，外層鋼管I頂端的高出中間鋼管2和內層鋼管3的頂端，且高出部分為加強段6，該外層鋼管I的底面與中間鋼管2和內層鋼管3的底面齊平。底面三根鋼管齊平，使得外、內環形空腔的面積最大化，且其中的FRP混凝土和鋼筋混凝土可以協同受力，增大承載面積。而加強段的設置則是為了便于施工作業，便于打粧裝備以及上部施工平臺與鋼管粧基礎的連接。
[0044]且該加強段6的壁厚為外層鋼管I壁厚的1.5?2倍，該加強段6作為打粧加強段及與上部基礎施工平臺的連接段，增厚的管壁使得在打粧施工過程中不易變形，減輕了先施打外鋼粧的重量，降低了粧基礎在水上施工的設備要求，降低了粧基礎海上施工難度，節省了施工費用。
[0045]外層鋼管I的內壁和中間鋼管2的外壁均設有與鋼筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力鍵7，所述外層鋼管的外壁設有防沖刷護體8。剪力鍵7的設置進一步增強了鋼管粧的側向承載能力，防沖刷護體8被鋼管粧處于水流紊動強度較小的區域，極大減弱了鋼管粧基礎周圍的沖刷，提高了沖刷防護的可靠性，增強了鋼管粧基礎的穩定性和安全性。
[0046]第一種深水雙夾心式鋼管粧基礎的施工方法，包括如下步驟:
[0047]A、預備外層鋼管1、中間鋼管2、內層鋼管3、環形FRP籠10以及混凝土；
[0048]B、水上沉粧施工:利用專用打粧設備將外層鋼管I沉入地基；
[0049]C、在外層鋼管I的頂部搭建施工平臺，利用專用取土設備將外層鋼管I內側的土取出，土體取出后，用高壓水槍清洗外層鋼管I內壁，清除內壁附著的泥土；
[0050]D、利用起重船將中間鋼管2、內層鋼管3和環形FRP籠10吊裝于外層鋼管I內，且環形FRP籠10分別固定于外環形空腔4和內環形空腔5內，還可預先將中間鋼管2、內層鋼管3和環形FRP籠10拼裝成一體，可采用焊接方式，再吊裝于外層鋼管內；
[0051]E、利用水上攪拌船及栗往內環形空腔5和外環形空腔4內灌注混凝土 11，待凝固后形成整體式夾心鋼管粧；
[0052]F、在整體式夾心鋼管粧四周的水底預設范圍內拋設防沖刷護體8。
[0053]第二種深水雙夾心式鋼管粧基礎的施工方法，包括如下步驟:
[0054]A、預備外層鋼管1、中間鋼管2、內層鋼管3、環形FRP籠10、環形鋼筋籠9以及混凝土；
[0055]B、水上沉粧施工:利用專用打粧設備將外層鋼管I沉入地基；
[0056]C、在外層鋼管I的頂部搭建施工平臺，利用專用取土設備將外層鋼管I內側的土取出，土體取出后，用高壓水槍清洗外層鋼管I內壁，清除內壁附著的泥土；
[0057]D、利用起重船將中間鋼管2、內層鋼管3、環形鋼筋籠9和環形FRP籠10吊裝于外層鋼管I內，且環形鋼筋籠9和環形FRP籠10分別固定于外環形空腔4和內環形空腔5內，還可預先將中間鋼管2、內層鋼管3、環形鋼筋籠9和環形FRP籠10拼裝成一體，可采用焊接方式，再吊裝于外層鋼管I內；
[0058]E、利用水上攪拌船及栗往內環形空腔5和外環形空腔4內灌注混凝土 11，待凝固后形成整體式夾心鋼管粧；
[0059]F、在整體式夾心鋼管粧四周的水底預設范圍內拋設防沖刷護體8。
[0060]本發明在使用工況與荷載要求一定時，該鋼管粧與直徑更大的普通鋼管粧具有同樣的抗荷載及抗變形的能力，即本發明的小直徑粧可代替普通大直徑粧，能適用于水更深的工程區域。
【主權項】
1.一種深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:包括從外向內依次套設的外層鋼管(I)、中間鋼管(2)和內層鋼管(3)，所述外層鋼管(I)和中間鋼管(2)之間形成外環形空腔(4)，該中間鋼管(2)和內層鋼管(3)之間形成內環形空腔(5);其中在外環形空腔(4)內填充鋼筋混凝土或FRP混凝土，內環形空腔(5)內填充FRP混凝土。2.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述外層鋼管(I)、中間鋼管(2)和內層鋼管(3)在同一中心軸線上。3.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述中間鋼管(2)和內層鋼管(3)的頂、底兩面齊平。4.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述外層鋼管(I)頂端高出中間鋼管(2)和內層鋼管(3)的頂端，且高出部分為加強段(6)。5.根據權利要求4所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述加強段(6)的壁厚為外層鋼管(I)壁厚的1.5?2倍。6.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述外層鋼管(I)的底面與中間鋼管(2)和內層鋼管(3)的底面齊平。7.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述外層鋼管(I)的內壁和中間鋼管(2)的外壁均設有與鋼筋混凝土或FRP混凝土相配合的剪力鍵(7)。8.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎，其特征在于:所述鋼筋混凝土包括固定于外環形空腔內的環形鋼筋籠(9)和混凝土(11)，所述FRP混凝土包括固定于內環形空腔或外環形空腔內的環形FRP籠(10)和混凝土 (11)。9.根據權利要求1所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎的施工方法，其特征在于包括如下步驟: A、預備外層鋼管(I)、中間鋼管(2)、內層鋼管(3)以及FRP混凝土，或FRP混凝土和鋼筋混凝土； B、水上沉粧施工:利用專用打粧設備將外層鋼管(I)沉入地基； C、利用專用取土設備將外層鋼管(I)內側的土取出； D、將中間鋼管(2)、內層鋼管(3)吊裝于外層鋼管(I)內，且外層鋼管(I)和中間鋼管(2)之間形成外環形空腔(4)，中間鋼管(2)和內層鋼管(3)之間形成內環形空腔(5); E、向內環形空腔(5)內填充FRP混凝土，外環形空腔(4)內填充鋼筋混凝土或FRP混凝土，待凝固后形成整體式夾心鋼管粧。10.根據權利要求9所述的深水雙夾心式鋼管粧基礎的施工方法，其特征在于:步驟E中，先將環形FRP籠(10)吊裝于所述內環形空腔(5)或外環形空腔(4)內，環形鋼筋籠(9)吊裝于所述外環形空腔(4)內，再灌注混凝土(11)。
【文檔編號】E02D27/12GK105862899SQ201610356956
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】李勇, 秦嘉川, 劉銘, 張濤
【申請人】江蘇省冶金設計院有限公司