CN102409606B - 内置耗能组件的自复位墩柱结构体系及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于桥梁工程领域的一种内置耗能组件的自复位墩柱结构体系及实现方法。该自复位墩柱结构体系是一种由桥梁墩柱、桥台、耗能钢筋、具有弹性复位作用的无粘结预应力钢筋以及预埋件组成，具有能够有效减小残余变形并保证足够耗能能力的新型桥梁墩柱结构体系，桥墩与桥台靠耗能钢筋、无粘结预应力钢筋连接。本发明与传统墩柱节点相比，其无粘结预应力钢筋位于墩柱轴心位置，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。设计灵活，结构受力明确，并保证了桥墩具有足够的强度和刚度，可采用预制或者现浇等方法实现，施工简便，是一种先进实用的新型桥梁墩柱体系。

Description

内置耗能组件的自复位墩柱结构体系及实现方法

技术领域

本发明属于桥梁工程领域。特别涉及由内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内置耗能组件的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，实现预设的耗能-抗震、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。本发明由弹性复位组件如无粘结预应力钢筋与内置耗能组件共同组成，其受力特点为：1、分布在墩柱截面周边的屈服耗能组件如耗能钢筋等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，可以产生足够的恢复力，使得该墩柱结构重新回到初始位形，而不产生或者减少残余变形。

发明内容

本发明的目的在于提供能够有效减小地震残余变形并保证足够耗能能力的一种内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系及实现方法，其特征在于，所述自复位墩柱结构体系是一种由桥梁墩柱1、桥台2、耗能钢筋3、具有弹性复位功能的无粘结预应力钢筋4以及预埋件5组成，桥墩1与桥台2靠无粘结预应力钢筋4及耗能钢筋3连接；桥台施工时，预留无粘结预应力钢筋孔洞，并同时预埋无粘结预应力钢筋4、耗能钢筋3以及钢板预埋件5；为保证耗能钢筋3在受力时不被拔出，耗能钢筋3在桥台内应有足够锚固，为保证埋入长度、耗能钢筋3端部设90°弯钩或者其他锚固方式，以固定耗能钢筋3，防止脱离；若采用预制施工，则预应力钢筋孔与上端预制墩柱的预应力钢筋孔严格对齐，以保证预应力钢筋4沿墩柱孔及桥台孔顺利穿过并有效张拉，没有弯折；若采用现浇施工，则预应力钢筋4需要有效固定在模板钢筋笼中，保证没有弯折。

所述桥台为能与基础有效连接的中空倒凹字型的预制混凝土结构。实际施工中，桥台采用现浇或者预制方式施工，其关键在于能够有效锚固预先埋设好预应力钢筋，能够有效与基础连接。

所述预埋件5为上方钢板7和下方钢板9之间由四根角钢8以正方形焊接组成，上方钢板7置于桥台2顶面，与桥墩1接触，桥台内预埋件5下方钢板9置于桥台内倒凹字型的凹槽台阶上，与四根角钢8一起起到支撑、分压的作用，以防止无粘结预应力钢筋4在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土。

所述桥墩1的中部预留砂浆出口，桥墩1的下部预留砂浆入口；并且墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋6，但不与桥台2相连。

所述无粘结预应力钢筋4为四根，穿过预埋件5中央的四个预应力钢筋孔洞，直至桥墩1顶部外，无粘结预应力钢筋4的下端与下方钢板9焊接固定。

所述耗能钢筋3穿过预埋件5的上方钢板7的四个耗能钢筋孔，插入桥墩1的1/3至1/2，并被砂浆固定。

所述内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系的实现方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)桥梁墩柱采用常规的预制混凝土结构或采用现浇施工的形式，预留有无粘结预应力钢筋孔及耗能钢筋孔，墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋，但不与桥台相连；

(2)桥台采用常规的预制混凝土结构形式，并将耗能钢筋预埋其中，桥台内预留有无粘结预应力钢筋孔；

(3)桥台内预埋钢板，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；

(4)将桥台预埋的耗能钢筋插入桥墩截面边缘处预留的耗能钢筋孔后，实现了桥墩与桥台的连通，并在耗能钢筋孔的缝隙处灌以砂浆，将孔洞填满、密实；

(5)体系拼装完成后，在桥墩和桥台上，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，故初张拉力为极限拉力的30％至50％之间；

(6)通过无粘结预应力构件在受力过程中始终保持弹性的特征，实现墩柱节点残余变形控制，保证自复位或者自恢复的功能；

(7)通过连接桥墩和桥台的耗能钢筋实现墩柱结构稳定的耗能能力。

本发明的有益效果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；即能够很好的解决传统桥梁墩柱在地震荷载过后具有较大残余变形的问题。

(2)分布在墩柱截面周边的耗能钢筋保证了截面具有足够的延性耗能能力；

(3)本发明设计灵活，结构受力明确，桥梁在预先设定部位(柱底)通过设定的耗能钢筋组件完成耗能，通过贯穿于整根桥墩的预应力钢筋组件自复位，且能够保证桥墩具有足够的强度和刚度。本发明采用预制构件体系，若采用构件厂预制加工，只需在现场简单拼装、张拉预应力钢筋即可，施工方便、快速。若采用现场现浇施工，也不增加施工难度和工序，体系明确、性能优越。

附图说明

图1为发明整体结构示意图。

图2a为下端含耗能钢筋的墩柱横截面示意图。

图2b上端不含耗能钢筋的墩柱横截面示意图。

图3为墩柱预留孔洞示意图。

图4a为桥台预埋件侧向示意图。

图4b为桥台预埋件下侧板示意图。

图4c为桥台预埋件上侧板示意图。

具体实施方式

本发明提供一种内置耗能组件的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1-2所示，自复位桥梁墩柱结构体系主要由桥梁墩柱1、桥台2、耗能钢筋3、无粘结预应力钢筋4以及预埋件5等组成。桥墩1与桥台2主要靠预应力钢筋4及耗能钢筋3连接。

桥台采用预制施工时，预留无粘结预应力钢筋孔洞，并同时预埋耗能钢筋3以及钢板预埋件5。为保证耗能钢筋3在受力时不被拔出，耗能钢筋3在桥台内应有足够的锚固，例如足够的埋入长度或者90°弯钩等锚固方式，以固定钢筋，防止钢筋从混凝土中拉脱。预应力钢筋孔应与上端墩柱的预应力钢筋孔严格对齐，以保证预应力钢筋4沿墩柱孔及桥台孔顺利穿过并有效张拉，没有弯折。预埋件5的详细构造见图4：如图4a所示，它由方钢板7、方钢板9及四个角钢8组成，方钢板置于桥台顶面，与桥墩接触，由于桥墩在受到地震反复作用的时候会产生左右摆动，桥墩与桥台间因摆动而产生夹角，混凝土柱很容易因局部荷载过大而破碎、压溃，预埋件上端钢板恰为桥墩提供了良好的接触表面，减缓了混凝土柱及桥台在柱脚处的接触破坏，改善了结构的局部承压性能；此外，如图4b所示，桥台内预埋件下侧板9与四个角钢8一起，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4c所示，预埋件上侧板7需在施工时在相应位置气割孔洞，中心孔洞为能够穿越预应力钢筋，四周孔洞为能够穿越耗能钢筋，预埋件下侧板也应为预应力钢筋而气割孔洞，孔洞在竖直方向上应严格对齐。钢筋遇到预埋件截断，并与预埋件焊接。

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4及耗能钢筋孔3，墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋6，但不与桥台相连，如图2所示。将桥台预埋的耗能钢筋插入桥墩截面边缘处预留的耗能钢筋孔后，实现了桥墩与桥台的连通，并在耗能钢筋孔的缝隙处灌以砂浆，将孔洞填满、密实，灌浆材料采用高强度自流平灌浆料，如图3所示，浆料通过耗能钢筋孔3下端侧向砂浆入口3.2流入孔内，以浆料流出耗能钢筋孔3上端侧向砂浆出口3.1为标志，最终保证浆料充满整个耗能钢筋孔。此外，在灌浆前，需将耗能钢筋孔最下端100毫米处填充以聚酯材料或玻璃纤维材料，使得耗能钢筋在本段内产生自由伸长，均匀应力分布，以防止由于耗能钢筋由于局部应力集中而造成损伤。

待到浆料达到强度要求后，进行无粘结预应力钢筋的张拉。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。

若采用现浇施工，其体系的要点仍然为耗能组件与弹性复位组件的明确划分。其实现方法的特征在于，具体步骤如下：

(1)浇筑与基础有效连接的桥台，桥台预埋耗能组件、预应力组件和预埋件，浇筑好的桥台需要保证有效锚固预埋的耗能组件、预应力组件，长度足够的预应力组件和耗能组件外伸出桥台；桥台内可以预埋钢板，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；

(2)在桥台上搭设墩柱浇筑模板，保证耗能组件的有效伸入以及预应力构件的正确位置，并且做好现浇墩柱与桥台的有效隔离(如可以铺设薄塑料膜等)，保证浇筑好的墩柱实现类似于预制施工方式的结构体系；

(3)在模板中浇筑混凝土，浇筑好后无粘结预应力组件需要从浇筑的墩柱顶部伸出，以供后续张拉作业；

(4)墩柱浇筑好后，等混凝土强度满足设计要求，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，故初张拉力为极限拉力的30％至50％之间；

(5)通过无粘结预应力构件在受力过程中始终保持弹性的特征，实现墩柱节点残余变形控制，保证自复位或者自恢复的功能；

(7)通过连接桥墩和桥台的耗能钢筋组件实现墩柱结构稳定的耗能能力。

本发明耗能组件可以采用常规的热轧钢筋，可根据具体需求选用HPB235、HRB335、HRB400三个不同等级；本发明弹性复位组件可以采用无粘结预应力钢筋或者高强钢绞线，强度等级在1320-1860N/mm²之间，直径在8.6-15.2mm之间；钢板采用Q235或以上等级的常规钢材，所有型钢焊缝均为双面焊缝；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；本发明灌浆材料可采用高强度自流平灌浆料或其他易流动且密实的砂浆材料。

本发明突破传统桥墩设计思路，能够使得桥梁墩柱节点具有良好的自复位性能以及稳定的耗能能力，以满足越来越多的对于桥梁震后残余变形的要求。

本发明可以采用预制构件施工或者现浇施工。预制构件施工只需现场作业拼装，施工清晰、简便、快速。本发明设计灵活，结构受力明确，通过预设的内置耗能组件完成耗能，通过预设弹性复位组件完成残余变形控制，实现自复位；同时保证桥墩具有足够的强度和刚度，是一种先进实用的新型桥梁墩柱体系。

Claims (5)

1.一种内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系，所述自复位桥梁墩柱结构体系是一种由桥梁墩柱（1）、桥台（2）、内置耗能钢筋（3）、具有弹性复位作用的无粘结预应力钢筋（4）以及预埋件（5）组成，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，桥梁墩柱（1）与桥台（2）靠内置耗能钢筋（3）、无粘结预应力钢筋（4）连接；预制桥台施工时，预留无粘结预应力钢筋孔，并同时预埋内置耗能钢筋（3）以及预埋件（5）；为保证内置耗能钢筋（3）在受力时不被拔出，内置耗能钢筋（3）在桥台内有足够的锚固，即足够的埋入长度或者90°弯钩的锚固方式，以固定内置耗能钢筋，防止脱离；无粘结预应力钢筋孔应与上端桥梁墩柱的无粘结预应力钢筋孔严格对齐，以保证无粘结预应力钢筋（4）沿桥梁墩柱孔及桥台孔顺利穿过并有效张拉，没有弯折；所述预埋件（5）为上方钢板（7）和下方钢板（9）之间由四根角钢（8）以正方形焊接组成，上方钢板（7）置于桥台（2）顶面，与桥梁墩柱（1）接触，桥台内预埋件（5）下方钢板（9）置于桥台内倒凹字型的凹槽台阶上，与四根角钢（8）一起起到支撑、分压的作用，以防止无粘结预应力钢筋（4）在锚固端部产生过大的局部压力而压溃混凝土；所述无粘结预应力钢筋（4）为四根，穿过预埋件（5）中央的四个无粘结预应力钢筋孔，直至桥梁墩柱（1）顶部外，无粘结预应力钢筋（4）的下端与下方钢板（9）焊接固定。

2.根据权利要求1所述内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系，其特征在于，所述桥台为中空倒凹字型的预制混凝土结构或者现浇结构。

3.根据权利要求1所述内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系，其特征在于，所述预制桥梁墩柱的中部预留砂浆出口（3.1），桥梁墩柱（1）的下部预留砂浆入口（3.2）；并且桥梁墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋（6），但不与桥台（2）相连。

4.根据权利要求1所述内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系，其特征在于，所述内置耗能钢筋（3）穿过预埋件（5）的上方钢板（7）内置的四个内置耗能钢筋孔，插入桥梁墩柱（1）的1/3至1/2，并被砂浆固定。

5.一种权利要求1所述内置耗能组件的自复位桥梁墩柱结构体系的实现方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)桥梁墩柱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及内置耗能钢筋孔，桥梁墩柱内按照受力配以相应的纵筋及箍筋，但不与桥台相连；

(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，并将内置耗能钢筋预埋其中，桥台内预留有无粘结预应力钢筋孔；

(3)桥台内预埋件（5）下方钢板（9）置于桥台内倒凹字型的凹槽台阶上，与四根角钢（8），起到支撑、分压的作用，以防止后张拉无粘结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；

(4)将桥台预埋的内置耗能钢筋插入桥梁墩柱截面边缘处预留的内置耗能钢筋孔后，实现了桥梁墩柱与桥台的连通，并在内置耗能钢筋孔的缝隙处灌以砂浆，将孔洞填满、密实；

(5)自复位桥梁墩柱结构体系拼装完成后，在桥梁墩柱和桥台上，从预留的无粘结预应力钢筋孔内张拉无粘结预应力钢筋，并用锚具将无粘结预应力钢筋锚固好，无粘结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，以使得无粘结预应力钢筋在受力过程中一直保持弹性性能，故初张拉力为极限拉力的30%至50%之间；

(6)通过无粘结预应力钢筋在受力过程中始终保持弹性的特征，实现桥梁墩柱节点的自恢复功能；

(7)通过预设的内置耗能钢筋连接桥梁墩柱和桥台的内置耗能钢筋，实现桥梁墩柱结构稳定的耗能能力。

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