CN107905091B - 一种采用sma-预应力筋系统的节段拼装frp增强钢管混凝土桥墩 - Google Patents
一种采用sma-预应力筋系统的节段拼装frp增强钢管混凝土桥墩 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种采用SMA‑预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩。由SMA‑预应力筋体系以及FRP增强钢管混凝土墩身两部分组成。所述SMA‑预应力筋体系由SMA丝材或棒材与普通预应力钢绞线或FRP筋通过连接板串联而成。所述FRP增强钢管混凝土墩身由节段连接而成。FRP增强钢管混凝土节段通过错位布置FRP‑钢复合管与核心混凝土实现承插式连接构造，各节段视桥墩采用焊接钢管、灌注核心混凝土后浇带实现湿连接，也可以采用内置橡胶垫或结构胶并依靠预应力筋实现干连接。本发明解决墩柱大变形下节段接缝处剪切变形和节段分离的问题，同时提高墩柱底部节段容许损伤能力，提高桥墩的耐久性。利于桥梁结构装配化的发展，满足恶劣环境下全装配式桥梁的功能要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用SMA-预应力筋系统的节段拼装FRP增强钢管混凝土桥墩，可用于装配式桥梁工程中。
背景技术
全预制装配式桥梁即适用于交通压力大、施工场地紧张的城市高架桥建设中，也适用于自然环境恶劣、运输条件复杂，有效施工时间短的高寒、山区、海洋等地区的桥梁建设中。实现全预制装配式桥梁的关键在于桥梁下部结构，即桥梁墩台的装配化。预应力节段拼装技术是实现桥墩装配化的一种有效手段，该技术具有施工速度更快、自恢复变形能力强以及震后残余变形小等优点，特别适用于交通繁忙的城市桥梁修建，但也应注意到该桥墩也存在一些缺陷，比如预应力节段拼装桥墩耗能能力较传统现浇桥墩差,大变形时由于墩身轴力成本增长，底部节段易发生破坏，墩柱鲁棒性差，尚无成熟的理论方法可供参考等，这些不足限制了预应力节段拼装桥墩的推广。
发明内容
本发明解决传统预应力节段拼装桥墩耗能性能与自复位功能之间矛盾。基于SMA的超弹性特性与组合柱体的结构特点，提供一种合理的FRP增强钢管混凝土节段形式与SMA-预应力筋体系。
本发明采用的技术方案是：
一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，利用核心混凝土与钢管的相对位置设定实现节段间的承插式连接，利用复合约束混凝土提高节段的容许损伤能力，利用外部FRP实现节段连接后的增强与防腐保护；桥墩由SMA-预应力筋系统与FRP增强钢管混凝土节段拼装桥墩组成。
本发明的优点是：
1、通过设置SMA-预应力筋体系，利用SMA超弹性特性缓解了节段拼装桥墩自复位与耗能之间的矛盾，墩体在保证自自复位功能的前提下增强了耗能能力。
2、充分利用了FRP增强钢管混凝土的组合形式特点，实现了节段承插式连接，通过核心混凝土、钢管拼接位置分离设置，保证了节段拼装后墩体的力学性能。
3、通过在柱体表面以不同方式布置FRP，保证了拼装后柱体的连续性，同时通过调整不同部位节段的FRP-钢复合管的设计指标，实现了柱体不同受力部位的差异化构造，柱体可设计性强。
附图说明
图1是SMA-预应力筋系统示意图。
图2是墩身节段示意图。
图3是桥墩示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-3及实施例对本发明进一步详细说明。
一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，利用核心混凝土与钢管的相对位置设定实现节段间的承插式连接，利用复合约束混凝土提高节段的容许损伤能力，利用外部FRP实现节段连接后的增强与防腐保护；桥墩由SMA-预应力筋系统与FRP增强钢管混凝土节段拼装桥墩组成。
SMA-预应力筋系统采用SMA棒材或丝材，与预应力钢绞线或FRP筋通过连接器串联。
SMA丝材或棒材是SMA材料极限强度高于普通预应力筋强度。
FRP增强钢管混凝土节段采用FRP-钢复合管体与核心混凝土错位布置形成承插式连接构造。
FRP增强钢管混凝土节段的相邻节段可通过焊接钢管、灌注核心混凝土砂浆实现节段间湿连接，也可通过核心混凝土接缝处内置橡胶垫、结构胶，利用预应力筋实现节段间干连接。
FRP增强钢管混凝土节段的节段连接域包裹FRP与节段已有FRP满足搭接要求。
FRP增强钢管混凝土节段拼装桥墩的墩体表面通体包裹FRP。
SMA-预应力筋系统包括锚板1-1、SMA棒材1-2、无粘结预应力筋1-3、连接板1；
锚板1-1通过螺母与SMA棒材1-2连接；SMA棒材1-2通过螺母与连接板1连接；连接板1通过螺母与无粘结预应力筋1-3连接；连接板1置于锚板1-1内；
SMA棒材1-2为多根一端与固定在桥面内锚板1-1连接，另一端通过连接板1与无粘结预应力筋1-3连接构成SMA-预应力筋系统；无粘结预应力筋1-3底端固定在基座上；
用SMA棒材1-2和无粘结预应力筋1-3将多个FRP增强钢管混凝土节段贯穿连接一体；单个FRP增强钢管混凝土节段包括FRP层2-1、钢管2-2、核心混凝土2-3、预留灌浆孔3、预应力筋孔道3-1、节段缩进端l1、节段伸出端l2；所述钢管2-2内装有核心混凝土2-3，核心混凝土2-3中心为、预应力筋孔道3-1；所述钢管2-2上端设有预留灌浆孔3；在钢管2-2外侧缠绕有FRP层2-1；
FRP增强钢管混凝土节段拼装成桥墩，桥墩包括墩身2、FRP层2-1、钢管2-2、钢管接缝2-4、混凝土接缝填充物2-5；
墩身2中心贯穿设有无粘结预应力筋1-3；两个钢管2-2的钢管接缝2-4通过焊接为一体结构，钢管2-2内的核心混凝土2-3，钢管2-2的节段缩进端l1通过混凝土接缝填充物2-5与钢管2-2的节段伸出端l2连接；在拼装完的墩身2外侧设有FRP层2-1。
实施例
1.预制墩身节段
(1)墩身节段形式；
所述预制节段柱多种截面形式，如圆形、矩形、以及其他异形截面形式，以圆形截面节段为例，包括FRP-钢复合管及内部核心混凝土，预制墩身节段一端，核心混凝土突出于复合管体边缘一段距离；节段另一端，核心混凝土缩进管体一段距离；核心混凝土缩进尺寸大于或等于另一端核心混凝土的突出尺寸；l1节段缩进端尺寸，l2为节段伸出端尺寸，l1>＝l2。在核心混凝土内设预应力筋孔道，孔道贯通于核心混凝土。可选择性地在节段缩进端的筒壁上设置灌(出)浆孔。
(2)节段承插式拼装；
(a)节段就位：将拼装节段混凝土凸出端插入前一节段混凝土缩进端，调整各节段相对位置，确保各节段预应力管道贯通。
(b)筒体接缝处理：节段就位后，可依据桥墩设计功能要求，将各节段钢管进行焊接，或在保证钢管截面加工精度的前提下不进行处理，仅在接缝外部包裹FRP。
(c)混凝土接缝处理：因若节段凸出端混凝土的尺寸小于等于缩进端核心混凝土的缩进尺寸，拼装就位后各节段核心混凝土接缝区域则存在空隙。可通过筒壁预留注浆孔灌注无收缩砂浆，实现柱整体核心混凝土的连续性。所述无收缩水泥砂浆强度宜高于预制核心混凝土强度，以保证柱体在后浇部位不出现薄弱环节。待无收缩水泥砂浆硬化后适时进行筒壁灌浆孔焊堵作业。当管壁不采用焊接连接时，可在接缝空隙填入橡胶垫或结构胶。具体处理方法视设计功能要求而定。
2.SMA-预应力筋系统
SMA-预应力筋体系中。SMA作为耗能及自复位元件，设置于预应力筋的锚固端，视设计要求在预应力筋一端或两端布置。SMA与预应力筋形成串联体系，SMA长度、截面尺寸等几何参数视柱体设计极限侧向位移而定，正常使用状态下，SMA-预应力筋体系承受预拉力，通过调整SMA(丝材/棒材)的数目，可使SMA处于设计拉应力状态。在往复荷载作用下，SMA利用其超弹性实现柱体提供耗能与自复位功能。SMA与预应力筋通过连接器相连，预应力筋可采用传统预应力钢绞线、FRP筋以及其他类似预应力筋体。
3.外部FRP
节段拼装就位以后，在节段连接域表面以预定方式布置FRP，确保连接域处后置FRP与节段已有FRP满足搭接长度要求。柱体拼装完成以后，确保柱体表面通体覆盖FRP。
拼装过程：
以筒体焊接节段拼装柱体和采用橡胶垫的无焊接节段拼装柱体为例，对采用SMA-预应力体系的节段拼装式FRP增强钢管混凝土柱拼装过程进行说明。
有焊接节段拼装过程如下：a.拼装时将节段的凸出端核心混凝土插入节段(已拼装就位节段)的缩进端。b.焊接节段和节段接缝处钢管。c.灌注无收缩水泥砂浆，待其硬化。d.安装SMA-预应力系统,张拉预应力筋并进行相应锚固.e.柱体表面连接域包裹FRP。拼接步骤如下：a.在前一节段缩进端内放置橡胶垫。b.将待安装节段的凸出端核心混凝土插入前一节段的缩进端,并调整节段相对位置。c.安装SMA-预应力系统,张拉预应力筋并进行相应锚固。d.柱体表面连接域包裹FRP。
本发明提出一种预应力节段拼装桥墩，利用FRP增强钢管混凝土作为拼装节段，并采用SMA-预应力筋体系作为柱体自复位与耗能元件。将FRP增强钢管混凝土柱这种新型高性能组合结构形式、SMA智能材料与预应力节段拼装桥墩有机整合，相关研究可改善预应力节段拼装桥墩的工作性能，有助于全装配式桥梁以及装配式组合结构的发展。
FRP增强钢管混凝土柱是在普通钢管混凝土表面以特定方式布置FRP片材所形成的一种新型组合结构柱。作为一种轻质、高强、耐腐蚀的高性能复合材料，FRP的引入可以改善柱体力学性能，通过调整FRP的布置方式，可以实现柱体力学性能的可设计性。此外，FRP还可视作一种防腐介质以保护钢管，因此FRP的引入还可以有效提高柱体的耐久性，与传统的钢管混凝土柱相比，FRP增强钢管混凝土柱更适用于诸如近海、岛屿等高防腐要求的工程结构物中。在实现柱体装配化方面，该组合结构柱也具有独特的优势：通过合理设置组分材料的配置方式，可实现构件连接方式的优化，同时也有助于保证构件的连接质量。
智能材料用作一种新型功能材料，在土木工程领域的研究已取得很大的发展，使用智能材料可实现结构某些特定的功能需求，利用形状记忆合金SMA做成的阻尼器，无论是用作主动控制还是被动控制，都可以有效地减小结构的动力反应,提高结构的抗震性能。利用高性能组合结构与功能性智能材料，研发新型预应力节段拼装桥墩，有助于装配式桥墩综合性能的提升。
名词解释：SMA(Shape Memory Alloys)形状记忆合金,FRP(Fiber ReinforcedPolymer)纤维增强复合材料；
本发明的保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品和样式，任何符合本发明权利要求书的拼装式FRP增强钢管混凝土柱且任何所属领域的技术人员对其所做的适当变化或修饰，都应落在本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，其特征在于：
利用核心混凝土与钢管的相对位置设定实现节段间的承插式连接，利用复合约束混凝土提高节段的容许损伤能力，利用外部FRP实现节段连接后的增强与防腐保护；桥墩由SMA-预应力筋系统与FRP增强钢管混凝土节段拼装桥墩组成；
SMA-预应力筋系统包括锚板、SMA棒材、无粘结预应力筋、连接板；
锚板通过螺母与SMA棒材连接；SMA棒材通过螺母与连接板连接；连接板通过螺母与无粘结预应力筋连接；连接板置于锚板内；
SMA棒材为多根，一端与固定在桥面内锚板连接，另一端通过连接板与无粘结预应力筋连接构成SMA-预应力筋系统；无粘结预应力筋底端固定在基座上；
用SMA棒材和无粘结预应力筋将多个FRP增强钢管混凝土节段贯穿连接一体；单个FRP增强钢管混凝土节段包括FRP层、钢管、核心混凝土、预留灌浆孔、预应力筋孔道、节段缩进端l1、节段伸出端l2；所述钢管内装有核心混凝土，核心混凝土中心为预应力筋孔道；所述钢管上端设有预留灌浆；在钢管外侧缠绕有FRP层；
FRP增强钢管混凝土节段拼装成桥墩，桥墩包括墩身、FRP层、钢管、钢管接缝、混凝土接缝填充物；
墩身中心贯穿设有无粘结预应力筋；两个钢管的钢管接缝通过焊接为一体结构，钢管内有核心混凝土，钢管的节段缩进端l1通过混凝土接缝填充物与钢管的节段伸出端l2连接；在拼装完的墩身外侧设有FRP层；
FRP增强钢管混凝土节段采用FRP-钢复合管体与核心混凝土错位布置，形成承插式连接构造；
FRP增强钢管混凝土节段的相邻节段通过焊接钢管、灌注核心混凝土砂浆实现节段间湿连接，或者通过核心混凝土接缝处内置橡胶垫、结构胶，利用预应力筋实现节段间干连接；
FRP增强钢管混凝土节段的节段连接域包裹FRP与节段已有FRP满足搭接要求。
2.如权利要求1所述的一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，其特征在于：SMA-预应力筋系统采用SMA棒材或丝材，与预应力钢绞线或FRP筋通过连接器串联。
3.如权利要求2所述的一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，其特征在于：SMA丝材或棒材是SMA材料，极限强度高于普通预应力筋强度。
4.如权利要求1所述的一种采用SMA-预应力筋体系的FRP增强钢管混凝土节段拼装式桥墩，其特征在于：FRP增强钢管混凝土节段拼装桥墩的墩体表面通体包裹FRP。
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