CN102304892B - 外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于桥梁工程领域的一种外置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法。所述结构体系主要由桥梁墩柱、桥台、具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋、外置耗能器、桥墩预埋件以及桥台预埋件组成，桥梁墩柱与桥台靠无粘结预应力钢筋和外置耗能器连接，能够有效减小残余变形并保证足够耗能能力。本发明设计灵活，结构受力明确，通过位于墩柱轴心位置的无粘结预应力钢筋，可以产生自复位的恢复力，能够很好的解决传统桥墩在地震荷载作用后具有较大残余变形，无法继续服役的问题。并保证桥墩具有足够的强度和刚度。可采用现浇或者预制的方法实现，施工简单，是一种先进实用，可实现震后快速更换、修复的新型桥梁墩柱体系。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程领域。特别涉及由外置耗能组件进行抗震耗能，由弹性复位组件进行残余变形控制的一种外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法。
背景技术
近期频发的强烈地震对我国造成重大财产损失并严重的威胁了人民百姓的生命安全，而桥梁作为交通枢纽生命线的关键环节，在抗震救灾中担任着运输援救物资、抢救生命的重大责任，研究桥梁新型抗震体系的意义重大。然而，在汶川地震、玉树地震这样强震作用下，许多既有桥梁因抗震结构体系的局限导致抗震能力不足而倒塌，部分未倒塌桥梁震后残余变形过大，无法通过震后有限的修复重新投入使用，而需要被拆除，给恢复交通生命线，快速救灾抢险以及降低经济损失带来了诸多不便。近年来，基于性能设计的桥梁抗震研究和设计越来越多地着眼于提升桥梁结构震后性能，以保证交通生命线的畅通，以期通过对结构的巧妙设计，最大限度地减少地震损失。与上部结构和基础承台相比，桥墩体系的抗震设计和性能表现显得尤为重要。过去基于延性的桥墩设计主要着眼于确保结构在遭遇极端荷载的情形下(如地震)的结构安全，并没有对短暂的极端荷载作用过后的结构性能给予足够的重视。在地震过后，即便结构不发生倒塌，也会因为发生了过大的不可恢复的塑性残余变形，而最终仍然需要被拆除、重建。例如在Hyogo-ken Nanbu(日本兵库县南部地震)地震中，大约250座钢筋混凝土桥墩柱和20座钢桥墩柱在强震中倒塌；100余座桥墩因为墩柱倾斜超过1°或者顶部偏移超过1.75％，影响了继续服役的性能需求而被拆除，造成了巨大的经济损失；类似的情形也出现在了我国汶川等地震灾区中。在过去基于延性设计的混凝土墩柱或者钢墩柱中，预设的截面延性变形机制主要通过墩柱的结构材料如钢材或者混凝土的屈服形成截面塑性铰来实现，在中等地震强度的情况下就会发生，导致不可忽略的残余变形，带来了4点不足：1、截面延性变形过大且难以局部恢复，导致被整体拆除；2、即便延性变形在限值以内，设计截面的承载力和刚度都出现了明显的下降，对继续服役造成不利的影响；3、对于交通生命线上的桥墩拆除和重建会阻碍交通恢复通行；4、直接造成巨大的经济损失。在这样的现实状况下，工程界需要寻求更加先进的设计方案以及更为严格的桥梁抗震设计规范准则。
发明人的理论和试验研究表明，本发明所涉及的自复位桥梁墩柱结构体系能够有效地将弹性复位组件(如预应力组件)与耗能组件(如耗能钢筋)结合起来，共同工作，实现预设的外置耗能-抗震-更换修复、弹性-复位的抗震自复位机制。本发明所涉及的自复位桥梁墩柱结构体系拥有稳定的耗能能力，并且能够显著地控制残余变形。本发明由无粘结预应力钢筋与外置耗能组件共同组成，其受力特点为：1、分布在墩柱外侧四周或者两端(简化起见，图中仅示两端)的外置屈服耗能组件保证了截面具有足够的延性耗能能力；2、贯穿于全墩柱轴心位置的预应力钢束将原本分开浇筑的墩柱与基座夹紧连接，地震荷载作用过后，由于预应力钢筋的线弹性特性，可以产生恢复力，使得该节点重新回到初始位形，而不产生残余变形。近期频发的强烈地震对我国造成重大财产损失并严重的威胁了人民百姓的生命安全，而桥梁作为交通枢纽中的关键，在抗震救灾中担任着运输援救物资、抢救生命的重大责任，研究桥梁抗震的意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法，其特征在于，所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系由桥梁墩柱1、桥台2、具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋3、桥墩预埋件4、桥台预埋件5以及外置耗能器6组成，桥梁墩柱1与桥台2靠具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋组件3及外置耗能器6连接，具有能够有效减小残余变形并保证足够耗能能力的桥梁墩柱结构体系；在桥台预制施工时，预留无粘结预应力钢筋孔洞，并同时预埋桥台预埋件5，预应力钢筋孔应与上面的桥梁墩柱的预应力钢筋孔严格对齐，以保证无粘结预应力钢筋3能顺利穿过桥梁墩柱的预应力钢筋孔及桥台孔，并有效张拉，没有弯折。
所述桥台预埋件5由两块大小相等的上方钢板10和下方钢板9、四根角钢15以及四片连接板14组装而成，上方钢板10置于桥台2顶面，与桥梁桥墩接触，桥台预埋件上面的上方钢板10与桥墩预埋件4一起克服因桥梁墩柱与桥台间因摆动而产生夹角，保护混凝土，为桥墩提供了足够的延性，减缓了混凝土柱及桥台在桥梁墩柱1柱脚处的接触破坏，改善了结构的局部承压性能；此外，桥台预埋件下方钢板9与四个角钢15一起，起到支撑、分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土。
所述桥台预埋件5的上方钢板10和下方钢板9需在施工时在相应位置气割孔洞，以穿过预应力钢筋，孔洞在竖直方向上应严格对齐，无粘结预应力钢筋3穿过桥台预埋件5的上方钢板10和下方钢板9后截断，并与下方钢板9焊接。
所述桥梁墩柱柱底部及四周包有由钢板制成的桥墩预埋件4，此桥墩预埋件4与桥梁墩柱混凝土一起浇注，桥墩预埋件4在桥梁墩柱柱两侧伸出的耳板7与外置耗能器6连接。
所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系的实现方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
(1)桥梁墩柱可以采用现浇或者预制施工，如采用常规的预制混凝土结构形式，预留有无粘结预应力钢筋孔，桥梁墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋，钢筋遇预埋件断开并与预埋件焊接，桥梁墩柱不与桥台相连，在桥梁墩柱底部及四周包有由钢板制成的桥墩预埋件，此桥墩预埋件与桥墩混凝土一起浇注，桥墩预埋件在桥梁墩柱两侧伸出的耳板与外置耗能器连接，此外，由于桥墩预埋件包裹桥梁墩柱柱脚，对柱脚起到了保护作用，防止由于局部压力过大而导致的混凝土压溃和破碎情况，提高了柱脚抗侧力性能；
(2)桥台可采用现浇或者预制的方式施工。若采用常规的预制混凝土结构形式，桥台内预留有无粘结预应力钢筋孔；
(3)桥台预埋件由钢板制成，一方面起到了支撑、分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土，一方面起到了连接外置耗能器的作用；
(4)外置耗能器通过螺栓一端与桥墩预埋件相连，另一端与桥台预埋件相连，在桥梁墩柱承受反复地震荷载的时候通过钢板张拉进行耗能，为防止屈曲，外置耗能器中部耗能芯可制成为十字形，并在外部套有钢管，中间密实填充环氧树脂或砂浆等填充料，提供对耗能芯的有效支撑；
(5)将外置耗能器与预埋件用螺栓连接完成后，在桥梁墩柱和桥台上，从预留的预应力孔内张拉无粘结预应力钢筋，并用锚具将预应力钢筋锚固好，预应力钢筋初张拉力不宜过小，否则起不到自复位的作用，也不应过大，以使得预应力钢筋在受力过程中一直保持弹性性能，故张拉力为极限拉力的30％至50％之间；
(6)通过无粘结预应力在受力过程中始终保持弹性的特征，实现墩柱节点的自恢复功能；
(7)通过连接桥墩和桥台的外置耗能器实现墩柱节点稳定的耗能能力。
本发明的有益效果和突出优势是与传统墩柱节点相比，本发明具有如下优点：
(1)弹性复位组件，如贯穿于全墩柱轴心位置的预应力钢束可以产生恢复力，使得该节点重新回到初始位形，而不产生残余变形；
(2)分布在墩柱外部的外置耗能器保证了截面具有足够的延性耗能能力；耗能器本身可灵活选取，关键是实现外部耗能的机制；
(3)易安装、易拆卸、易更换。外置耗能的机制保证了震后的快速修复。地震作用后，由于弹性复位组件很好控制了残余变形，桥梁墩柱的残余变形小，这时候可通过快速更换已经被抗震耗能削弱的旧外置耗能器，完全恢复桥梁墩柱的抗震耗能能力；这点对于抗震救灾，快速恢复交通生命线，以及应对震后频发的余震，保证桥梁体系的安全具有重要意义；
(4)可采用现浇或者预制方式实现本发明所涉及的耗能-抗震、弹性-复位的抗震自复位机制。若采用预制方式，则所有构件采用预制加工方法，现场拼装方便，施工简单、快速。
附图说明
图1为发明整体结构示意图。
图2为墩柱横截面示意图。
图3为墩柱预留孔洞及墩柱预埋件示意图。
图4为外置阻尼器示意图。
图5为桥台预埋件示意图
图6为桥台预埋件、墩柱预埋件及外置阻尼器拼装并张拉预应力钢筋示意图。
具体实施方式
本发明提供一种外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详述。
如图1所示，所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系由桥梁墩柱1、桥台2、具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋3、桥墩预埋件4、桥台预埋件5以及外置耗能器6组成，桥梁墩柱1与桥台2靠具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋3及外置耗能器6连接，具有能够有效减小残余变形并保证足够耗能能力的桥梁墩柱结构体系
桥台施工时，预留无粘结预应力钢筋孔洞，并同时预埋桥台预埋件5。桥台预埋件5的上方钢板10和下方钢板9需在施工时在相应位置气割孔洞，以穿过弹性复位组件(无粘结预应力钢筋)3，孔洞在竖直方向上应严格对齐，弹性复位组件3穿过桥台预埋件5的上方钢板10和下方钢板9后截断，并与下方钢板9焊接，并弹性复位组件3实现有效张拉，没有弯折。桥台预埋件5的详细构造见图5：所述桥台预埋件5由两块大小相等的上方钢板10和下方钢板9、四根角钢15以及四片连接板14组装而成(如图5所示)，上方钢板10置于桥台2顶面，与桥梁桥墩接触，桥台预埋件上面的上方钢板10与桥墩预埋件一起克服因桥梁墩柱与桥台间因摆动而产生夹角，保护混凝土，为桥墩提供了足够的延性，减缓了混凝土柱及桥台在桥梁墩柱1柱脚处的接触破坏，改善了结构的局部承压性能；此外，桥台预埋件下方钢板9与四个角钢15一起，起到支撑、分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土。
如图3所示，桥梁墩柱采用常规的预制混凝土结构形式，预留有无粘结预应力钢筋孔，桥梁墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋8(如图1、2所示)，但不与桥台相连。在桥梁墩柱底部及四周包有由钢板制成的桥墩预埋件4(如图3所示)，此预埋件与桥墩混凝土一起浇注，桥墩预埋件在柱两侧伸出的耳板7起到了连接外置耗能器6的作用，此外，由于预埋件包裹桥梁墩柱柱脚，对桥梁墩柱柱脚起到了保护作用，防止由于局部压力过大而导致的混凝土压溃、破碎等情况，提高了柱脚抗侧力性能。
外置耗能器6(如图4所示)，它由钢板11、薄壁套管12以及十字形翼缘13组成。钢板11是主要的耗能装置，它的一端与桥墩预埋件4相连，另一端与桥台预埋件5相连，起到了连接桥梁墩1与桥台2的作用，钢板11中部细长部分用于耗能，为防止其受压后屈曲，在钢板11中部增加了十字形翼缘13，并在钢板11中部外侧套有薄壁套管12，薄壁套管12需要两半拼接对焊，在十字形翼缘13与薄壁套管12的空隙区域还需填充环氧树脂或密实砂浆，以增大阻尼系数、并防止屈曲。
将桥台2与桥梁墩1对接好后(如图1、6所示)，用外置耗能器将二者连接，外置耗能器通过螺栓与二者相连，待拧紧螺栓后，从预留的预应力孔内张拉无粘结预应力钢筋，并用锚具将预应力钢筋锚固好，预应力钢筋初张拉力应适中，使得预应力钢筋既能够具有良好的自复位性能，又能始终处于弹性阶段，不进入塑性阶段，以防止刚度减少或产生残余变形，甚至是钢绞线发生断裂。
本发明外置耗能器及预埋件均可采用Q235或以上等级的常规钢材，所有型钢焊缝均为双面焊缝，外置耗能器十字形钢板与圆形管壁间采用环氧树脂或自密实砂浆填充；本发明无粘结预应力钢筋可采用高强钢绞线，强度等级在1320-1860N/mm2之间，直径在8.6-15.2mm之间；本发明张拉方法采用后张法，用专用油脂涂在预应力钢筋表面制成无粘结预应力钢绞线；本发明中螺栓宜采用M16至M30级高强螺栓，根据螺栓不同的直径，施加预拉力。
本发明突破传统桥墩设计思路，设计灵活，结构受力明确，能够使得桥梁墩柱结构体系具有良好的自复位性能以及稳定的耗能能力，并且能快速更换，满足控制残余变形、震后快速更新修复等要求。本发明可以采用现浇或者属预制构件体系，只需现场作业拼装，施工清晰、简便。本发明所涉及的外置耗能器可以方便更换，保证了此墩柱结构体系的耐用性和震后可修复性能，是对传统墩柱节点体系的突破和发展。本发明能够很好的解决了传统桥墩在地震荷载过后具有较大不易恢复残余变形的问题，并且同时保证足够的耗能能力。本发明设计灵活，结构受力明确，桥梁通过外置耗能器完成耗能，弹性复位组件(如贯穿于整根桥墩的预应力钢筋)自复位，且能够保证桥墩具有足够的强度和刚度。
Claims (3)
1.一种外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系，所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系由桥梁墩柱（1）、桥台（2）、具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋（3）、桥墩预埋件（4）、桥台预埋件（5）以及外置耗能器（6）组成，桥梁墩柱（1）与桥台（2）靠无粘结预应力钢筋（3）及外置耗能器（6）连接，具有能够有效减小残余变形并保证足够耗能能力的桥梁墩柱结构体系；其特征在于，所述桥台预埋件（5）由两块大小相等的上方钢板（10）和下方钢板（9）、四根角钢（15）以及四片连接板（14）组装而成，上方钢板（10）置于桥台（2）顶面，与桥梁桥墩接触，桥台预埋件上面的上方钢板（10）与桥墩预埋件一起克服因桥梁墩柱与桥台间因摆动而产生夹角，保护混凝土，为桥墩提供了足够的延性，减缓了混凝土柱及桥台在桥梁墩柱（1）柱脚处的接触破坏，改善了结构的局部承压性能；此外，桥台预埋件下方钢板（9）与四个角钢（15）一起，起到支撑、分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土；其中，桥台预埋件（5）的上方钢板（10）和下方钢板（9）需在施工时在相应位置气割孔洞，以穿越预应力钢筋，孔洞在竖直方向上应严格对齐，预应力钢筋（3）穿过桥台预埋件（5）的上方钢板（10）和下方钢板（9）后截断，并与下方钢板（9）焊接。
2.根据权利要求1所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系，其特征在于，所述外置耗能器（6）由钢板（11）、薄壁套管（12）以及十字形翼缘（13）组成，钢板（11）是主要的耗能装置，它的一端与桥墩预埋件（4）相连，另一端与桥台预埋件（5）相连，起到了连接桥梁墩（1）与桥台（2）的作用，钢板（11）中部细长部分用于耗能，为防止其受压后屈曲，在钢板（11）中部增加了十字形翼缘（13），并在钢板（11）中部外侧套有薄壁套管（12），薄壁套管（12）需要两半拼接对焊，在十字形翼缘（13）与薄壁套管（12）的空隙区域还需填充环氧树脂或密实砂浆，以增大阻尼系数、并防止屈曲。
3.一种权利要求1所述外置耗能自复位桥梁墩柱结构体系的实现方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
(1) 桥梁墩柱可采用现浇或者预制方式施工，若采用常规的预制混凝土结构形式，预留有无粘结预应力钢筋孔，桥梁墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋，钢筋遇预埋件断开并与预埋件焊接，桥梁墩柱不与桥台相连，在桥梁墩柱底部及四周包有由钢板制成的桥墩预埋件，此桥墩预埋件与桥墩混凝土一起浇注，桥墩预埋件在桥梁墩柱两侧伸出的耳板与外置耗能器连接，此外，由于桥墩预埋件包裹桥梁墩柱柱脚，对柱脚起到了保护作用，防止由于局部压力过大而导致的混凝土压溃和破碎情况，提高了柱脚抗侧力性能；
(2) 桥台可采用现浇或者预制方式施工，若采用常规的预制混凝土结构形式，桥台内预留有无粘结预应力钢筋孔；
(3) 桥台预埋件由钢板制成，一方面起到了支撑、分压的作用，以防止后张拉预应力钢筋在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土，一方面起到了连接外置耗能器的作用；
(4) 外置耗能器通过螺栓一端与桥墩预埋件相连，另一端与桥台预埋件相连，在桥梁墩柱承受反复地震荷载的时候通过钢板张拉进行耗能，为防止屈曲，外置耗能器中部为十字形，并在外部套有钢管，期间填充环氧树脂或砂浆；
(5) 将外置耗能器与预埋件用螺栓连接完成后，在桥梁墩柱和桥台上，从预留的预应力孔内张拉无粘结预应力钢筋，并用锚具将预应力钢筋锚固好，预应力钢筋张拉力不宜过小，否则起不到自复位的作用，也不应过大，以使得预应力钢筋在受力过程中一直保持弹性性能，故初张拉力在极限拉力的30%至50%之间；
(6) 通过无粘结预应力在受力过程中始终保持弹性的特征，实现墩柱节点的自恢复功能；
(7) 通过连接桥墩和桥台的外置耗能器实现墩柱节点稳定的耗能能力。
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