[发明专利]水上充砂嵌岩钢管桩工作平台及其施工方法

权利要求书

1.一种水上充砂嵌岩钢管桩工作平台，包括多根互相平行并嵌入基岩（1）的钢管桩（2），在多根钢管桩（2）构成的钢管桩排架的不同高度位置设置多个互相连接的水平十字撑（51）和垂直十字撑（52），每对钢管桩顶均焊接一根工字钢横梁（61）形成门字形刚构，其上依次铺设多根工字钢纵梁（62）和搭设贝雷梁平台（7），其特征在于所述的钢管桩（2）为钢制薄壁钢管，每根钢管桩底均设有多个沿钢管桩的圆周均匀分布的半圆形缺口，每个半圆形缺口均开口朝下设置；所述的基岩（1）上设有供所述钢管桩底嵌入的倒凸形台阶孔；所述的钢管桩（2）内灌入混凝土（3），该混凝土经多个半圆形缺口同时填塞充满在钢管桩底与倒凸形台阶孔之间的间隙内，并将所述钢管桩底嵌固在基岩（1）中；所述的钢管桩（2）内还设有由钢管桩顶按照分层依次灌入并填充夯实至钢管桩顶的砂砾（4），钢管桩顶设有压实砂砾的橡胶板（53），该橡胶板顶面与所述钢管桩顶相平。

2.根据权利要求1所述的水上充砂嵌岩钢管桩工作平台，其特征在于所述的倒凸形台阶孔的每级台阶高度相同，倒凸形台阶孔的下级直径比钢管桩（2）外径大10cm~20cm，倒凸形台阶孔的上级直径比钢管桩（2）的外径大30cm～40cm，每根钢管桩底均设有4~8个圆周均布的半圆形缺口，直径为8cm~10cm。

3.根据权利要求1所述的水上充砂嵌岩钢管桩工作平台，其特征在于所述的砂砾（4）洁净含泥量小于3%，含水量小于5%，砂砾（4）分层依次灌入钢管桩（2）内并填充夯实的密实度为85%～95%，填充夯实至钢管桩顶后，放入3cm～5cm厚的圆形橡胶板（53），该橡胶板的直径比钢管桩（2）的内径小1cm～2cm，在钢管桩顶设有焊接固定的工字钢横梁（61），该工字钢横梁压实橡胶板（53）顶面与钢管桩顶相平，工字钢横梁（61）上安装贝雷梁平台（7）。

4.根据权利要求1所述的水上充砂嵌岩钢管桩工作平台，其特征在于所述的钢管桩（2）内径为、外径为、计算长度为，钢管桩顶受到贝雷梁平台（7）、工字钢纵梁（62）传递的集中垂直力、弯矩和均布水流压力，假设单根钢管桩为下端嵌固在基岩、上端为一对钢管桩顶与一根工字钢横梁（61）形成门字形刚构以水平弹性连接，该工字钢横梁（61）中心的弹性连接端的水平反力为,由下列公式计算钢管桩（2）内填充砂砾（4）的摩阻力距、弹性连接的反力、钢管桩身的强度和稳定性及嵌固的钢管桩底与基岩（1）上的倒凸形台阶孔内灌注混凝土（3）的受力：

公式一、

公式二、

设工字钢横梁（61）中心的弹性连接端水平弹性连接的刚度系数为，不计钢管桩中砂砾的受力，单个钢管桩顶与一根工字钢横梁（61）形成门字形刚构的，用力法计算水平反力；

公式三、

解微分方程得

不计钢管桩（2）中填充砂砾（4）分担的受力，钢管桩（2）受弯压的应力为

工程上中小柔度压杆采用查表或抛物线型经验公式计算钢结构受弯压的稳定临界应力，式中为与钢材有关的常数，钢材的，由于钢管桩（2）中填充砂砾（4）后，则增大了钢结构受压稳定临界应力；

嵌固的钢管桩底与基岩（1）顶部的接触面处，

公式四、

嵌岩段钢管桩底的外径圆周由混凝土粘结，钢管桩（2）在力矩作用下，钢管桩内灌注混凝土（3）后刚度较大作为刚体转动，钢管桩底的外径圆周混凝土一侧受压、另一侧受拉，为安全起见假设钢管桩底除受压力外不受拉和不受力矩，嵌岩段钢管桩底的外径圆周混凝土粘结分布应力和混凝土受压分布应力由下式计算：

在同一深度截面上，嵌岩段钢管桩底的外径圆周混凝土受拉粘结分布应力和混凝土受压分布应力的数值是相等的，并由混凝土受拉粘结力控制，则有

，于是得

公式一、公式二、公式三和公式四中的符号为：

——以钢管桩（2）嵌固的基岩（1）顶部为原点、沿钢管桩高度变化的横坐标，；

——以钢管桩（2）嵌固的基岩（1）顶部为原点、沿钢管桩挠曲线水平方向变化的纵坐标，；

——钢管桩（2）截面水平轴的横坐标，；

——钢管桩（2）截面与水平轴相垂直纵轴的纵坐标，；

——钢管桩（2）内填充砂砾（4）摩阻力距引起的钢管桩的应变，无量纲；

——钢管桩（2）内填充砂砾（4）摩阻力距计算时内壁任一点与水平轴的夹角，；

——钢管桩（2）内填充砂砾（4）摩阻力距计算时内壁任一点与水平轴的夹角增量所对应的弧长微段，；

——钢管桩（2）内壁与砂砾（4）之间单位长度的摩阻力，无资料时由试验确定，；

——在截面钢管桩内壁与砂砾之间单位长度的摩阻力沿钢管桩（2）直径的分布函数，，；

——在截面钢管桩（2）弯压荷载作用下的挠曲线曲率半径，；

——钢管桩（2）受压弯受力水流荷载时的力矩，；

——钢管桩（2）受弹性连接反力引起的力距，；

——钢管桩（2）的截面所受的力矩，；

——在截面钢管桩（2）内填充砂砾（4）的摩阻力距，起到阻碍钢管桩2挠曲变形的作用，；

——钢管桩（2）的计算长度，为基岩（1）顶面至工字钢横梁（61）中心的弹性连接端的高度，；

——钢管桩（2）嵌固在基岩（1）中的深度，；

——钢管桩（2）的内径，；

——钢管桩（2）的外径，；

——钢管桩（2）的弹性模量，；

——钢管桩（2）的惯性矩，；

——受钢管桩（2）内壁与砂砾（4）之间摩阻力影响的钢管桩等代惯性矩；

——钢管桩（2）的截面积，；

——钢管桩（2）作为压杆的柔度系数，，无量纲；

——宽度为的单根钢管桩（2）沿高度分布的均布水流压力，；

——作用在单根钢管桩顶的工字钢横梁（61）中心的弹性连接端上最不利情况下的集中垂直力，；

——作用在单根钢管桩顶的工字钢横梁（61）中心的弹性连接端上最不利情况下的力矩，；

——沿水流方向的两根钢管桩（2）和一根工字钢横梁（61）组成的门字形刚构，其中单根钢管桩在最不利情况的垂直力作用下，门字形刚构顶部的工字钢横梁（61）中心的弹性连接端产生水平位移所需的水平力，；

——工字钢横梁（61）中心的弹性连接端水平弹性连接的刚度系数，等效于两根钢管桩（2）和一根工字钢横梁（61）组成的门字形刚构在最不利情况的垂直力作用下沿水流方向变形时，门字形刚构顶部的工字钢横梁（61）中心的弹性连接端产生单位水平位移所需的水平力，；

——当时，钢管桩（2）的最大弯矩，；

——嵌固段钢管桩基岩顶部的弯矩，；

——当时，钢管桩的最大弯矩的弯压应力，；

——钢管桩（2）受弯压的稳定临界应力，；

——嵌岩段钢管桩基岩顶面承受弯矩时不计钢管桩内混凝土分担的弯曲应力，；

——钢管桩（2）的弯曲容许应力，；

——嵌岩段钢管桩（2）外径圆周的混凝土粘结力分布方程，；

——嵌岩段钢管桩（2）外径圆周的混凝土受压分布方程，；

——嵌岩段钢管桩（2）外径圆周的混凝土承受弯矩时的最大粘结应力，；

——嵌岩段钢管桩底的外径圆周的混凝土容许受拉粘结应力，；

——嵌岩段钢管桩外径圆周的混凝土承受弯矩时的最大受压应力，。