一种钢管复合桩及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及深海桥梁粧基工程领域，特别设及一种钢管复合粧及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的不断发展，钢材产量的不断增加，大直径钢管复合粧W承载力高、 沉粧工艺相对简单、排±量较小及抗弯能力强等优点，广泛应用于跨海大桥、大型深水港码 头等重大工程中。
[0003] 虽然钢管复合粧现已被广泛应用，但国内外粧基规范中并未给出考虑泥皮、防腐 涂层和剪力环作用的钢管复合粧设计计算方法。当按内部强度控制标准计算钢管复合粧极 限承载力时，采用现有相关规范计算时，计算结果与实际情况不同。当计算结果偏大时，粧 基偏于不安全；当计算结果偏小时，将造成材料浪费，成本提高。
[0004] 目前为止，钢护筒内壁的剪力环嵌固效应和管内泥皮/防腐涂装弱化作用对钢管 复合粧的影响。目前国内的钢管混凝±结构的设计规范和技术规程中基本是通过约束效应 系数（C。）来考虑钢管和混凝±之间的相互作用，强度承载力N。和抗弯承载力M。的表达式 是基于大规模的参数分析结果确定的，没有考虑剪力环的加强作用和泥皮/防腐涂装弱化 效应对钢管混凝±结构的影响。尤其该点，对深海桥梁钢管复合粧的设计与使用存在不安 全、不可靠的技术风险。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种钢管复合粧及其设计方法，W在考虑 剪力环和泥皮/防腐涂装效应的基础上，为钢管复合粧基的各项设计参数及计算理论提供 依据。
[0007] (二）技术方案
[000引为达到上述目的，本发明提供了一种钢管复合粧，该钢管复合粧包括钢管、剪力 环、防腐涂层、泥皮和钢筋混凝±粧，其中：
[0009] 钢管，在成孔时作为模板，W提高钢管复合粧的抗弯及承载性能；
[0010] 剪力环，焊接于该钢管的内壁，W增强钢管与混凝上之间的粘结，提高钢管复合粧 的抗弯性能；
[0011] 防腐涂层，形成于焊接有剪力环的该钢管的内壁，W避免开挖过程中海水对钢管 内壁的腐蚀；
[0012] 泥皮，形成于该防腐涂层的表面；
[0013] 钢筋混凝±粧，诱筑形成于所述内壁具有剪力环、防腐涂层和泥皮的该钢管内部。
[0014] 上述方案中，该剪力环通过点焊的方式焊接于该钢管的内壁。
[0015] 上述方案中，该剪力环是截面为矩形、梯形或=角形的钢条，或者该剪力环是钢筋 钉或钢筋环。
[0016] 上述方案中，该防腐涂层采用SLF高分子复合环氧涂料、聚氨醋涂料、改性环氧玻 璃鱗片涂料或聚醋玻璃鱗片涂料。
[0017] 上述方案中，该泥皮是通过W下方式形成于该防腐涂层的表面；将制作好的具有 剪力环和防腐涂层的钢管打入±中，然后将钢管内部±体挖出，此时在钢管的内壁即形成 一层泥皮。
[001引为达到上述目的，本发明还提供了一种钢管复合粧的设计方法，该方法包括：计算 钢管复合粧的刚度、竖向承载力及水平承载力；根据计算得到的钢管复合粧的刚度、竖向承 载力及水平承载力，设计出满足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合粧。
[0019] 上述方案中，所述计算钢管复合粧的刚度，是采用叠加理论分别计算钢管复合粧 的抗弯刚度和抗压刚度。
[0020] 上述方案中，所述采用叠加理论计算钢管复合粧的抗弯刚度，是采用公式EI = kwsEJs+kwcEcI^ P《0. 8 ?1. 0F，或公式 EI = kwsEJs+kwc 人 ￡山，0. 8 ?1. OF < P《1. 7F，其 中k，t= ? kw ? kw，EI是钢管复合粧的抗弯刚度，k，,是考虑钢管复合粧使用寿命期间的 刚度折减系数，氏和E。是钢材与混凝±弹性模量，I ,和I。是钢管和混凝±截面惯性矩，k，。 是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，A是荷载水平效应系数，是考虑泥皮效 应的折减系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1 ;kw是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪 力环时为1，有剪力环时大于1 ;kw是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐 涂层时小于1 ;
[002U 所述采用叠加理论计算钢管复合粧的抗压刚度，是采用公式EA = ky击,A,+kytEtA。， 其中kyt= k yW ? ky, ? kyp，EA是钢管复合粧的抗弯刚度，ky.是考虑钢管复合粧使用寿命期间 的刚度折减系数，氏和E。是钢材与混凝±弹性模量，A ,和A。是钢管和混凝±截面惯性矩， ky。是考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，kyw是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮 时为1，有泥皮时小于1 ;ky,是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为1，有剪力环 时大于1 ;kyp是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小于1。
[0022] 上述方案中，所述计算钢管复合粧的竖向承载力是依据现行相关粧基规范进行竖 向承载力的计算，并采用规范ACI (2005)方法对竖向承载力进行检算；
[0023] 所述计算钢管复合粧的水平承载力是依据相关粧基规范进行水平承载力的计算 并采用桥梁粧基经典的"m"法对水平承载力进行检算，且在计算过程中钢管复合粧刚度采 用W下刚度修正公式：
[0024] EI = kwsEJs+kwcEcIc，P《0. 8 ?1. 0F，或公式 EI = kwsEJs+kwc 入 EJc，0. 8 ?1. OF < P《1. 7F,其中 k,c二 k wN * k,j ? k,F，EA = kysEsAs+kycEcAc,其中 kyc二 k 沖 * kyj ? k巧。
[0025] 上述方案中，该方法还包括对钢管复合粧的竖向沉降、横向变形和粧身内部强度 进行计算和检算，其中在进行钢管复合粧的竖向承载力、水平承载力、竖向沉降、横向变形 和粧身内部强度检算时，采用W下修正公式进行单粧承载力及沉降变形的校核：
[0026] EI = kwsEJs+kwcEcIc，P《0. 8 ?1. 0F，或公式 EI = kwsEJs+kwc 入 EJc，0. 8 ?1. OF < P《1. 7F，其中 k,c= k wN ? k,j ? kwF，EA = kysEsAs+kycEcAc，其中 kyc= k 沖? k" ? kyF。
[0027] ( S )有益效果
[002引从上述技术方案可W看出，本发明具有W下有益效果：
[0029] 1、本发明在计算钢管复合粧承载力时，考虑了泥皮、防腐涂层的弱化作用和剪力 环的嵌固作用，使得计算结果更接近于实际情况。
[0030] 2、本发明便于计算剪力环对钢管复合粧弯曲刚度的影响，W利于剪力环间距的设 计和优化。
[0031] 3、本发明适用于有/无泥皮、有/无剪力环和有/无防腐涂层的钢管复合粧的设 计，且计算结果偏于安全。
[0032] 4、本发明在进行钢管复合粧设计时既具有重要的经济效益，又具有较为实用的价 值。
[0033] 5、本发明提供的钢管复合粧及其设计方法，提出的刚度修正公式考虑了泥皮、防 腐涂层的弱化影响W及剪力环的嵌固作用，进而在考虑剪力环和泥皮/防腐涂装效应的基 础上，为钢管复合粧基的各项设计参数及计算理论提供依据。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明提供的钢管复合粧的设计方法流程图。
[0035] 图2是采用图1所示方法设计的钢管复合粧的示意图。
[0036] 图3是依照本发明实施例的钢管复合粧抗弯刚度与剪力环间距的之间呈双曲线 规律的示意图。
【具体实施方式】
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[003引本发明提供的钢管复合粧及其设计方法，主要设及了钢管复合粧刚度的计算W及 其承载力的设计计算，为钢管复合粧的广泛应用提供了理论基础。其中，本发明提供的钢管 复合粧的设计方法，主要包含两个方面的内容，一方面是钢管复合粧刚度的设计，另一方面 是钢管复合粧承载力的设计。
[0039] 钢管复合粧刚度的设计：考虑泥皮、防腐涂层、剪力环不同组合效应的钢管复合粧 抗弯刚度计算公式；EI = kwsEsIs+kwcEcIc，P《0. 8 ?1. OF ;EI = kwsEsL+kwc 人 EcIc，〇. 8 ? 1. OF < P《1. 7F，EA = kysEA+kycEcAc，抗弯刚度综合修正系数 k，c= k? k，j ? k，F、荷载水 平效应系数A和抗压刚度综合修正系数kyt= kyW ? ky, ? kyp的取值建议，为钢管复合粧的 设计计算提供了坚实的理论基础；
[0040] 钢管复合粧承载力设计；采用叠加理论，规范ACI (2005)方法适合于带有泥皮、防 腐涂层、剪力环共同作用的钢管复合粧内部强度极限承载力的计算，该对于带有泥皮、防腐 涂层、剪力环的钢管复合粧内部强度极限承载力的计算有积极的应用价值。
[0041] 如图1所示，图1是本发明提供的钢管复合粧的设计方法流程图，该方法包括W下 步骤：
[0042] 步骤1 ;计算钢管复合粧的刚度、竖向承载力及水平承载力；
[0043] 步骤2 ;根据计算得到的钢管复合粧的刚度、竖向承载力及水平承载力，设计出满 足刚度、竖向承载力及水平承载力要求的钢管复合粧。
[0044] 其中，步骤1中所述计算钢管复合粧的刚度，是采用叠加理论分别计算钢管复合 粧的抗弯刚度和抗压刚度。
[0045] 采用叠加理论计算钢管复合粧的抗弯刚度，是采用公式El = k，sEsIs+k，eEcIc， P《0. 8 ?1. OF,或公式 El = kwsEJs+kwc 入 EJc，0. 8 ?1. OF < P《1. 7F，其中 k,c = ? kw ? k，p，El是钢管复合粧的抗弯刚度，k，点考虑钢管复合粧使用寿命期间的刚度折减 系数，E,和E。是钢材与混凝±弹性模量，I ,和I。是钢管和混凝±截面惯性矩，k是考虑泥 皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，A是荷载水平效应系数，是考虑泥皮效应的折减 系数，无泥皮时为1，有泥皮时小于1 ;kw是考虑剪力环加固效应的修正系数，无剪力环时为 1，有剪力环时大于1 ;kw是考虑防腐涂层的折减系数，无防腐涂层时为1，有防腐涂层时小 于1。
[0046] 采用叠加理论计算钢管复合粧的抗压刚度，是采用公式EA = ky正A+kytEA，其中 kyc= k沖? k" ? kyF，EA是钢管复合粧的抗弯巧IJ度，kys是考虑钢管复合粧使用寿命期间的巧。 度折减系数，E,和E。是钢材与混凝±弹性模量，A ,和A。是钢管和混凝±截面惯性矩，k y。是 考虑泥皮、防腐涂层、剪力环的综合影响系数，kyW是考虑泥皮效应的折减系数，无泥皮时为 1，有泥皮时小于1 ;k