CN103147391B - 一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构，包括混凝土承台、预制桥墩节段、后张预应力FRP筋、承台预埋筋、FRP连接套筒、防锈耗能筋、牛腿下侧螺母、牛腿下侧垫板、牛腿、牛腿上侧螺母、牛腿上侧垫板、牛腿预留孔道、承台预留孔道和锚具；所述预制桥墩节段放置在混凝土承台顶面中间的下凹部位上，所述下凹部位的周围均匀分布有承台预埋筋，下凹部位的中心设有承台预留孔道，所述预制桥墩节段与混凝土承台之间通过后张预应力FRP筋连接。本发明结构具有自定心功能，有效地消除或减少了结构的残余变形，桥墩底部通过FRP套筒保护，以免局压应力造成的压碎。

Description

一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构

技术领域

本发明涉及一种装配式钢筋混凝土桥墩，具体涉及一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构。

背景技术

地震对桥梁安全构成了严重的威胁。在地震作用下，墩台连接处受较大弯矩和剪力，往往成为整个结构体系中最薄弱的环节。桥墩承担传力、支撑上部结构的作用，墩台连接失效往往将导致整个桥梁丧失承载力，甚至倒塌。此外，墩台连接处的震后修复难度较大。因此，针对墩台连接方式的改进非常重要而有意义。

在传统的现浇桥墩中，桥墩主要通过底部形成塑性铰耗能（即混凝土的开裂、压碎以及钢筋屈服），震后残余变形给修复和后续使用带来困难。装配式桥墩将桥墩分成节段在工厂预制，现场通过后张预应力钢筋把各节段以及承台连接，具有施工周期短、构件质量高、现场工作少等优点，但传统的装配式桥墩的墩台连接被削弱，因此在地震区的应用受到限制。此外，实际工程墩台的连接目前多采用“湿连接”，即桥墩节段插入承台预留洞口一定深度，然后现场浇筑混凝土，填充两者之间缝隙。由于仍需现浇混凝土，因此“湿连接”的方式在一定程度上削弱了预制装配式结构施工快、成本低的优点。而且，在“湿连接”桥墩中，桥墩插入承台较深，使得耗能机制与现浇桥墩相同（底部节段形成塑性铰），震后修复困难。针对“湿连接”的不足，桥梁工作者提出了“干连接”的方法，即在桥墩-承台连接界面预埋钢筋以耗散地震能量，震后破坏主要集中在耗能装置上。因此与现浇结构相比，“干连接”装配式混凝土桥墩的破坏程度要小得多，容易实现震后修复。但是装配式桥墩相对现浇桥墩的耗能能力弱，墩台在发生相对转角的时候，桥墩底部混凝土会较早地出现局压破坏。预埋在基础/墩底的耗能钢筋在震后损坏后较难替换。此外，耗能材料使用钢材，由于“干连接”存在拼缝，在近水环境中易被锈蚀。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的现浇钢筋混凝土桥墩以及装配式“干连接”混凝土桥墩的不足，提供了一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩，可以有效地降低结构在地震作用下的残余变形从而减少震后修复的代价，并保证桥墩在正常使用条件下的耐久性。

本发明采用的技术方案为：一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构，包括混凝土承台、预制桥墩节段、后张预应力FRP筋、承台预埋筋、FRP连接套筒、防锈耗能筋、牛腿下侧螺母、牛腿下侧垫板、牛腿、牛腿上侧螺母、牛腿上侧垫板、牛腿预留孔道、承台预留孔道和锚具；所述预制桥墩节段放置在混凝土承台顶面中间的下凹部位上，所述下凹部位的周围均匀分布有承台预埋筋，下凹部位的中心设有承台预留孔道，所述预制桥墩节段与混凝土承台之间通过后张预应力（纤维增强聚合物）FRP筋连接，后张预应力FRP筋穿过承台预留孔道，后张预应力FRP筋底部安装有锚具，所述预制桥墩节段的底部设置有牛腿，牛腿四周均匀布置有防锈耗能筋，所述防锈耗能筋自上而下依次穿过牛腿上侧螺母、牛腿上侧垫板、牛腿预留孔道、牛腿下侧垫板和牛腿下侧螺母，防锈耗能筋的下端通过FRP连接套筒与所述承台预埋筋连接。

作为优选，所述牛腿下部包裹有FRP套筒，在FRP套筒内部设有抗剪销栓。

作为优选，所述混凝土承台的下凹部位上面设有预埋FRP板。

本发明桥墩的承台在工厂预制或现浇完成，承台中心预留孔道用来穿过预应力高强防锈筋。承台上部做浅槽，用来安放桥墩和提高连接处抗剪能力。浅槽中预埋一片FRP板，浅槽周围植入预埋FRP筋。桥墩节段可在工厂预制，与承台相接触的节段，其下端一定长度预埋入FRP套筒中，以提高混凝土的抗局压破坏能力。桥墩经现场经吊装就位，将预应力FRP筋穿过墩台中预留的孔道，进行预应力张拉。后张预应力FRP筋既是施工阶段的拼装手段，又可以在使用阶段承受桥墩底部弯矩。为了提高节点的耗能能力，在桥墩底部安装外部耗能件。该耗能装置包括预埋筋、FRP连接套筒、防锈耗能筋、螺母、垫板、牛腿组成，牛腿和桥墩节段整浇，其中的预留孔道与预埋筋位置对齐；防锈耗能筋均匀设置于桥墩四周，每根对应于一根承台预埋筋，防锈耗能筋先后穿过桥墩外伸牛腿、牛腿下侧垫板、螺母，通过FRP套筒与预埋筋连接，旋紧螺母固定下侧垫板。最后在伸出牛腿上部的防锈耗能筋上，穿过上侧垫板并用螺母旋紧，完成耗能装置安装。

与传统的自定心桥墩不同，本发明采用的自定心桥墩的耗能装置设置在墩台节点外侧，构件之间以套筒（螺栓）连接为主，震后可将屈服或断裂的防锈耗能筋连同套筒和螺母、垫板一齐拆下替换，连接可靠，安装和修复都很简便；耗能组件采用防锈耗能筋、FRP等化学稳定性很好的材料，桥墩中钢材没有直接和外界接触，可以保证在近水环境中耐久性。桥墩底部FRP套筒和浅槽下预埋FRP板，可有效解决墩台发生相对转动时的混凝土局压破坏问题，大大减小震后修复工作。

本发明解决了自定心桥墩的耗能组件替换和桥墩近水环境的耐腐蚀问题，并通过预应力构件，使得结构具有自定心功能，有效地消除或减少了结构的残余变形，桥墩底部通过FRP套筒保护，以免局压应力造成的压碎。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明中，装配式墩柱节点的耗能装置替换、桥墩底部混凝土局压问题和桥墩耐腐蚀将得到有效改善，从而获得以下优异的性能：

本发明可以消除或降低桥墩在地震作用下的残余变形和损伤，并采用可拆卸式耗能装置，震后修复工作量少；同时针对近水环境中桥墩，通过特定材料和构造提高其耐久性；

具有自定心能力，大大减小了震后的残余变形；

震后的损伤小，破坏集中在耗能件等附属构件上，耗能组件拆卸方便，连接可靠，减小震后修复代价；

大部分构件可以在工厂预制，然后现场组装，有利于加快施工进度、保证质量和减少人工成本；

采用预应力技术，节点的初始刚度大；

采用FRP和防锈耗能筋等新型材料，提高桥墩耐腐蚀性；

桥墩底部有FRP套筒约束，改善混凝土局压破坏问题。

附图说明

图1为本发明装置中混凝土承台三维示意图；

图2为本发明装置中的墩柱纵剖面图；

图3为图2的B-B剖面；

图4为图2的C-C剖面；

图5为采用本发明装置后的墩柱节点在强震作用下的变形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-5所示，一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构，包括混凝土承台1、预制桥墩节段2、预埋FRP板3、后张预应力FRP筋4、承台预埋筋5、FRP连接套筒6、防锈耗能筋7、牛腿下侧螺母8、牛腿下侧垫板9、牛腿10、牛腿上侧螺母11、牛腿上侧垫板12、FRP套筒13、牛腿预留孔道14、承台预留孔道15、锚具16和抗剪销栓17。

图1中，混凝土承台1的顶面局部下凹，以安放预制桥墩节段2，混凝土承台1中预留孔道15，用来穿过后张预应力FRP筋4。后张预应力FRP筋4底部安装有锚具16，预埋FRP板3中心开孔，并与承台预留孔道15对齐。浇筑混凝土前做好承台预埋筋5定位工作，使其位置与相应的牛腿预留孔道14对中。图4中，承台预埋筋5均匀分布在下凹部位周围。

图2中，混凝土承台1安装完毕并穿过后张预应力FRP筋4之后，开始预制桥墩节段2的吊装。此节段制作时在牛腿10下部用FRP套筒13包裹。在FRP套筒13内部设有抗剪销栓17。定位时使牛腿预留孔道14和承台预埋筋5对中，随后进行耗能装置的安装。先在承台预埋筋5上旋入FRP连接套筒6，然后把防锈耗能筋7依次穿过牛腿预留孔道14、牛腿下侧垫板9、牛腿下侧螺母8，旋入FRP连接套筒6内，拧紧牛腿下侧螺母8。接着如图3，在防锈耗能筋7上依次穿过牛腿上侧垫板12、牛腿上侧螺母11，拧紧牛腿上侧螺母11完成耗能装置的安装。随后安装上部节段，最后对后张预应力FRP筋4进行张拉，完成自定心桥墩的安装。

通过设置合理的预应力大小以及防锈耗能筋的面积，保证正常使用和小震时墩柱接触面闭合，通过摩擦力和承台下凹的约束来抗剪。如图5所示，大震时，墩柱发生相对转角，缺口张开，后张预应力FRP筋4伸长来承受弯矩。同时防锈耗能筋7发生变形进行耗能，保证主体结构不受破坏。由于FRP套筒13和预埋FRP板3对混凝土的约束作用，可改善桥墩角部混凝土和承台混凝土局压破坏问题。震后后张预应力FRP筋4恢复弹性变形，消除或大大减少桥墩的残余变形。防锈耗能筋7如果屈服或断裂，只需松开牛腿上侧螺母11、FRP连接套筒6、牛腿下侧螺母8，即可进行耗能装置替换。无论是正常使用还是大震状态，主体结构和耗能装置均无钢材外露，可以提高桥墩的耐腐蚀性。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种易于震后修复及耐腐蚀的自定心桥墩结构，其特征在于：包括混凝土承台、预制桥墩节段、后张预应力FRP筋、承台预埋筋、FRP连接套筒、防锈耗能筋、牛腿下侧螺母、牛腿下侧垫板、牛腿、牛腿上侧螺母、牛腿上侧垫板、牛腿预留孔道、承台预留孔道和锚具；

所述预制桥墩节段放置在混凝土承台顶面中间的下凹部位上，所述下凹部位的周围均匀分布有承台预埋筋，下凹部位的中心设有承台预留孔道，所述预制桥墩节段与混凝土承台之间通过后张预应力FRP筋连接，后张预应力FRP筋穿过承台预留孔道，后张预应力FRP筋底部安装有锚具，所述预制桥墩节段的底部设置有牛腿，牛腿四周均匀布置有防锈耗能筋，所述防锈耗能筋自上而下依次穿过牛腿上侧螺母、牛腿上侧垫板、牛腿预留孔道、牛腿下侧垫板和牛腿下侧螺母，防锈耗能筋的下端通过FRP连接套筒与所述承台预埋筋连接；

所述牛腿下部包裹有FRP套筒；

所述FRP套筒内部设有抗剪销栓；

所述混凝土承台的下凹部位上面设有预埋FRP板。