CN110284420A - 易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易于震后修复的自复位全预制桥墩‑承台结构及其装配方法，包括预制桥墩、预制承台及桩基础；预制承台顶部设有预留洞口，预制承台内部设有通长预留孔道；预制桥墩插入预留洞口内，与预制承台相连接；桩基础位于预制承台下方，承载桥梁动静荷载；还包括耗能筋，所述耗能筋穿过预留孔道连接预制承台与桩基础；耗能筋可通过预留孔道从预制承台内拆出，灵活可更换。本发明能实现桥墩‑承台结构的全预制装配化，缩短施工周期，减小环境影响。此外本发明结构具有自复位功能，可以显著减小或消除桥梁结构的震后残余变形，并能通过更换耗能筋快速恢复桥梁抗震能力，保证震后桥梁的正常使用，具有广泛的适用性和积极的社会意义和科学意义。
Description
技术领域
本发明属于全预制装配式桥梁结构技术领域，具体涉及一种易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构及其装配方法。
背景技术
当前桥梁建设在保证结构安全和耐久性以外，还要求降低对现有交通的干扰，改善施工安全性，减少环境污染，提高施工质量，加快施工速度，降低生命周期成本，根据国内外的众多实践结果表明，预制装配式桥梁施工技术可以充分满足以上要求。
目前预制装配技术主要运用于桥梁上部结构，装配式桥墩也正逐步应用于工程实践，但支撑桥墩结构的承台仍主要采用现场浇筑的方式进行建造，并未实现预制装配技术的优势最大化。同时，现有相关结构关于抗震设计方面仍存在很大的不足。众所周知，地震对桥梁安全构成了严重的威胁，传统混凝土桥墩-承台结构利用桥墩末端塑性铰区混凝土的开裂、压碎及钢筋的屈服来耗散输入结构的地震能量，从而防止桥梁倒塌破坏，但传统设计方法缺乏对桥梁震后使用功能的关注。地震中损伤的桥墩塑性铰区可能难以修复或需较长时间修复，桥墩的塑性变形也可能造成较大的残余位移，从而使桥梁丧失使用能力，极大影响震后灾区的救灾工作。存在残余位移的桥梁也可能因无法修复或修复不经济而拆除，造成巨大的经济损失，并对灾区交通功能的恢复带来障碍。
为实现强震后桥梁能快速恢复其正常使用功能的目的，进入21世纪以来，国内外许多学者提出了自复位结构并对其在桥梁设计中的应用进行了许多尝试。理想的自复位结构即使在大震作用下经历了较大的变形，也可利用其自恢复力显著减小震后残余位移，并能经快速修复恢复其原有使用功能。自恢复力一般源自结构自身重力或特殊设置的预应力拉索。由于结构损伤小导致耗能能力较低，自复位结构通常需要附加震后可方便拆除及更换的耗能机构，进而补偿结构本身的耗能能力。多年来国内外研究普遍利用(1)桥墩和承台干接缝处的摇摆或(2)扩大基础和地基接触面的摇摆来达到桥墩体系的自复位性。对于前者，结合桥墩内的无粘结预应力拉索与桥墩底部的耗能机构，结构可以有效控制震后残余位移并提供可观的耗能能力，但其复杂的构造、繁琐的施工工艺、以及附加耗能机构所带来成本的增加限制了此种结构的普遍使用；后一种设计思想将结构自重作为自恢复力，并通过扩大基础与地基的撞击进行耗能，此类结构可以减小桥梁的地震反应和残余位移，但其承载力有限，并且摇摆时产生的连续撞击可能导致地基接触面的局部损伤，其可修复性以及震后长期使用性能还有待进一步解决。总体来说，预制装配技术在承台结构建造中的空白以及目前自复位桥墩体系设计方案中存在的不足，很大程度上阻碍了全预制装配式桥墩-承台结构的研究和应用。
发明内容
本发明正是针对现有问题，提供了一种易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构及其装配方法，克服了现有工程实践的不足之处，利用预制装配技术提高施工质量、加快施工速度、减少环境污染；通过预制承台在桩基础上的摇摆保证主体结构在地震作用下的安全；使用结构自重及上部恒载重力实现自复位，显著减小或消除桥梁震后残余位移，保证震后桥梁的正常使用；易于更换的耗能筋在满足结构耗能要求的同时，实现了震后桥梁抗震性能的快速恢复，具有广泛的适用性和积极的社会意义和科学意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，包括预制桥墩、预制承台及桩基础；所述预制承台顶部设有预留洞口，预制承台内部设有通长预留孔道；预制桥墩插入预留洞口内，与预制承台相连接；所述桩基础位于预制承台下方，承载桥梁动静荷载；还包括耗能筋，所述耗能筋穿过预留孔道连接预制承台与桩基础；所述耗能筋通过预留孔道从预制承台内拆出，灵活可更换。
作为本发明的一种特征改进，所述预留孔道由带有内外螺纹的钢管制成；所述耗能筋两端设有螺纹，耗能筋顶端使用旋入预制承台内预留孔道的中心开孔螺纹嵌件和固定螺母，与预制承台上部相连接；所述桩基础顶部设有耗能筋螺纹锚具，耗能筋底部设有与其匹配的螺纹，所述耗能筋穿过预留孔道，通过螺纹，连接于桩基础顶部的耗能筋螺纹锚具上。
作为本发明的一种改进，所述桩基础顶部浇筑有混凝土层，耗能筋螺纹锚具埋于桩基础中，所述耗能筋带有防屈曲套筒，所述预留孔道顶安装有保护盖。
作为本发明的另一种改进，所述预制承台底部设置预留挖孔，桩基础顶部置于预留挖孔内，将预制承台与桩基础相连接。
作为本发明的又一种改进，所述预留洞口由钢波纹管制成，所述预制桥墩插入预留洞口后的缝隙，灌入早强无收缩灌浆料填充。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的装配方法，包括如下步骤：
S1，在桩基础内预埋耗能筋螺纹锚具，并浇筑高强混凝土层；
S2，将预制承台吊装至桩基础上，确保桩基础顶部置于预制承台底部的预留挖空内，使得桩基础与预制承台稳定连接，承载预制承台的重量；
S3，通过预制承台内的预留孔道，将耗能筋底端的螺纹旋入耗能筋螺纹锚具内；
S4，将固定螺母旋至耗能筋顶部螺纹连接段，令耗能筋穿过中心开孔螺纹嵌件的中心开孔，中心开孔螺纹嵌件旋入制成预留孔道的螺纹钢管中，将另一组固定螺母旋于中心开孔螺纹嵌件上，完成耗能筋顶端与承台的连接；
S5，加装预留孔道保护盖；
S6，将预制桥墩吊装至预制承台预留洞口处，并将其插入由钢波纹管制成的预留洞口内，灌入早强无收缩灌浆料，填充桥墩与预留洞口之间缝隙，待灌浆料达到设计强度后，装配完毕。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的使用方法，当预制承台在地震作用下经历转动位移后，打开预留孔道保护盖，拆下固定螺母和中心开孔螺纹嵌件，将屈服的耗能筋从桩基础顶部的耗能筋螺纹锚具中旋出，并将新耗能筋旋入耗能筋螺纹锚具中，安装中心开孔螺纹嵌件和固定螺母，加装预留孔道保护盖，完成耗能筋的更换，并恢复桥梁抗震性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)方便施工：最大程度使用预制部件，利用螺纹连接和整体插入预制桥墩等方式简化施工工艺，并可通过浇筑高强混凝土层适当调整桩头位置修正施工误差，提高施工质量、加快施工速度、减少环境污染，一天内即可装配完毕。
(2)结构简单：利用结构自重及上部恒载重力提供自恢复力，避免使用额外预应力拉索，提高结构可靠性，简化桥梁日常维护工作。
(3)低成本：使用价格相对低廉的耗能筋来降低建造和修复成本，并通过使用质量更可控的预制部件减少维护作业，降低生命周期成本，经济节约。
(4)耐久性高：相较传统现浇混凝土部件，预制部件具有更好的耐久性；整体插入式桥墩连接降低了灌浆难度，有助于提高连接处浆体的密实性；桩基础顶部使用高强混凝土层，耗能筋经防锈处理，并对承台预留孔道加装保护盖，保证桩基础与承台连接的耐久性。
(5)自复位性：利用结构自重及上部恒载重力实现自复位，消除或减小震后桥梁结构的残余变形，不同于传统结构在塑性铰区产生破坏，本发明在地震作用下除耗能筋屈服外其余部件均无损伤，从而确保桥梁震后使用功能。
(6)耗能筋的可更换性：屈服的耗能筋可在震后快速更换，且更换过程对桥梁正常使用不产生影响，有利于震后及时恢复桥梁原有抗震性能。
(7)高承载力：使用钻孔灌注桩基础，具有较高的承载力，从而广泛适用于不同土体条件和不同类型桥梁。
附图说明
图1为本发明易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的整体结构图；
图2为本发明易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的侧视图；
图3为本发明易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的俯视图；
图4为图2的B-B剖面图及具体放大图；
图5为图2的A-A剖面图；
图中标号说明：1-预制桥墩、2-预制承台、3-预留洞口、4-预留孔道、5-承台底部预留挖孔、6-桩基础、7-混凝土层、8-耗能筋螺纹锚具、9-耗能筋、10-中心开孔螺纹嵌件、11-固定螺母、12-预留孔道保护盖、13-早强无收缩灌浆料。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，包括预制桥墩1、预制承台2及桩基础6，如图2所示，桩基础6位于预制承台2下方，承载预制承台2及预制桥墩1重量与桥梁动静荷载；所述预制承台2顶部设有预留洞口3，预制承台2内部设有由带有内外螺纹的钢管制成预留孔道4，如图1所示；图1为本发明桥墩-承台结构的整体图，预制桥墩1插入预留洞口3内，与预制承台2相连接，预制桥墩与预制承台的连接可参照附图3，本发明结构的俯视图与附图5；
还包括耗能筋9，所述耗能筋9位于预留孔道4内，如图4所示，耗能筋9两端设有螺纹，耗能筋9顶端使用旋入预制承台2内预留孔道4的中心开孔螺纹嵌件10和固定螺母11，与预制承台2上部相连接，也就是说，首先将一组固定螺母旋至耗能筋9顶部螺纹连接段，之后令耗能筋9穿过中心开孔螺纹嵌件10的中心开孔，利用钢管内螺纹将中心开孔螺纹嵌件10旋入预留孔道4，并确保其与已安装的固定螺母之间牢固接触，最后将另一组固定螺母旋于中心开孔螺纹嵌件10之上，完成耗能筋9顶端与预制承台2的连接，此处可参见附图4的具体放大图b；桩基础6顶部设有耗能筋螺纹锚具8，耗能筋9底部设有与其匹配的螺纹，所述耗能筋9穿过预制承台2中的预留孔道4，通过螺纹，连接于桩基础6顶部的耗能筋螺纹锚具8上，此处可参加附图4的具体放大图a，耗能筋9通过预留孔道4，可以从预制承台2内拆出，灵活可更换。
正常行车、风荷载以及多遇地震条件下，预制承台2与桩基础6接缝处无相对位移。在设计或罕遇地震作用下，桥墩-承台结构在桩基础6上发生摇摆，预制承台2以一侧桩基础6为中心发生转动，另一侧预制承台2相对桩基础6发生提离，连接在预制承台2与桩基础6之间的耗能筋9发生塑性形变耗散地震输入能量。地震过程中，只有耗能筋9形变耗能，桩基础6、预制承台2、桥墩均无破坏，并可通过结构自重及上部恒载重力进行自复位，从而保证震后的正常使用功能。地震后，可通过预留孔道4将屈服变形的耗能筋9旋出，并换装新的耗能筋9。耗能筋9的更换过程对桥梁正常使用不产生影响，且桥梁在更换耗能筋9后即可恢复其原有抗震性能。数值模拟研究结果表明，本发明的力-位移滞回关系为典型旗帜形，其具有很好的自复位能力，且耗能性能稳定。不同于传统结构在地震作用下形成难以修复的桥墩塑性铰，本发明在经历大震后除耗能筋外其余部件均无损伤，具有很好的可修复性。
桩基础6顶部浇筑有高强度高耐久性混凝土层7，耗能筋螺纹锚具8埋于混凝土层7中，如图5所示，预留洞口3由钢波纹管制成，所述预制桥墩1插入预留洞口3后的缝隙，灌入早强无收缩灌浆料13填充，相较传统现浇混凝土部件，预制部件具有更好的耐久性，整体插入式桥墩连接降低了灌浆难度，有助于提高连接处浆体的密实性；所述耗能筋9带有防屈曲套筒，经防锈处理，并对承台预留孔道4加装保护盖12，保证桩基础6与预制承台2连接的耐久性。
实施例2
易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的装配方法，包括如下步骤：
准备步骤：预制承台时，应严格按照设计方案布置承台顶部预留洞口与承台预留孔道，并经复核确认其位置。预留孔道应使用带有内外螺纹的钢管制成，外螺纹保证钢管与承台混凝土之间锚固作用，内螺纹用于连接耗能筋。测定桩位和地面标高，确保桩中心位置偏差在允许的范围内。灌注混凝土凝固后，凿除桩头泥浆、以及桩顶标高以下0.5米的混凝土。
S1，清理桩头表面后，浇筑混凝土及高强度高耐久性混凝土层至桩顶标高，并预埋耗能筋螺纹锚具；
S2，待桩基础混凝土达到设计强度后，将预制承台吊装至桩基础上，确保桩基础顶部置于预制承台底部的预留挖空内，使得桩基础与预制承台稳定连接，承载预制承台的重量；
S3，通过预制承台内的预留孔道，将耗能筋底端的螺纹旋入耗能筋螺纹锚具内；
S4，首先将一组固定螺母旋至耗能筋顶部螺纹连接段，之后令耗能筋穿过螺纹嵌件的中心开孔，将螺纹嵌件旋入预留孔道钢管内，并确保其与已安装的固定螺母之间牢固接触，最后将另一组固定螺母旋于螺纹嵌件之上，完成耗能筋顶端与承台的连接；
S5，加装预留孔道保护盖；
S6，将预制桥墩吊装至预制承台预留洞口处，将其插入由钢波纹管制成的预留洞口内，确保桥墩桩中心位置和竖直度偏差在允许的范围内，并搭建临时支撑，灌入早强无收缩灌浆料，填充桥墩与预留洞口之间缝隙，待灌浆料达到设计强度后，撤除临时支撑，装配完毕。
本实施例桥墩与承台均采用工厂预制，避免了现场绑扎钢筋、搭建模具等工作。施工时，承台直接放置与桩基础上，预制桥墩插入承台顶部预留洞口，灌入早强无收缩灌浆料填充与预留洞口之间的缝隙。使用的早强灌浆料可在24小时内达到普通混凝土强度，配合使用螺纹连接安装耗能筋，可在一天内完成全部建造，提高施工质量、加快施工速度、减少环境污染，同时使用价格相对低廉的耗能构件来降低建造、维修成本，并通过使用质量更可控的预制部件减少维护作业，降低生命周期成本，经济节约。
实施例3
易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的使用方法，当预制承台在地震作用下发生转动位移后：
步骤1：打开预留孔道保护盖，拆下固定螺母与中心开孔螺纹嵌件，将耗能筋从底部螺纹锚具中旋出；
步骤2：将新耗能筋旋入桩基础顶部螺纹锚具中，安装中心开孔螺纹嵌件与固定螺母，完成耗能筋顶端与预制承台的连接，之后加装预留孔道保护盖，桥梁立即恢复其抗震性能。
本发明在地震作用下除耗能筋屈服外其余部件均无损伤，从而确保桥梁震后使用功能。屈服的耗能筋可在震后快速更换，且更换过程对桥梁正常使用不产生影响，有利于震后及时恢复桥梁原有抗震性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，包括预制桥墩、预制承台及桩基础，其特征在于：
所述预制承台顶部设有预留洞口，预制承台内部设有通长预留孔道，预制桥墩插入预留洞口内，与预制承台相连接；
所述桩基础位于预制承台下方，承载桥梁动静荷载；
还包括耗能筋，所述耗能筋穿过预留孔道,连接预制承台与桩基础；耗能筋通过预留孔道从预制承台内拆出，灵活可更换。
2.如权利要求1所述的易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，其特征在于：
所述预留孔道由带有内外螺纹的钢管制成；
所述耗能筋两端设有螺纹，耗能筋顶端使用旋入预制承台内预留孔道的中心开孔螺纹嵌件和固定螺母，与预制承台上部相连接；
所述桩基础顶部设有耗能筋螺纹锚具，耗能筋底部设有与其匹配的螺纹，所述耗能筋穿过预留孔道，通过螺纹，连接于桩基础顶部的耗能筋螺纹锚具上。
3.如权利要求2所述的易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，其特征在于：桩基础顶部浇筑有混凝土层，耗能筋螺纹锚具埋于桩基础中，所述耗能筋带有防屈曲套筒，所述预留孔道顶安装有保护盖。
4.如权利要求2或3所述的易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，其特征在于：所述预制承台底部设置预留挖孔，桩基础顶部置于预留挖孔内，将预制承台与桩基础相连接。
5.如权利要求4所述的易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构，其特征在于：所述预留洞口由钢波纹管制成，所述预制桥墩插入预留洞口后的缝隙，灌入早强无收缩灌浆料填充。
6.易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在桩基础内预埋耗能筋螺纹锚具，并浇筑混凝土层；
S2，将预制承台吊装至桩基础上，确保桩基础顶部置于预制承台底部的预留挖空内，使得桩基础与预制承台稳定连接，承载预制承台的重量；
S3，通过预制承台内的预留孔道，将耗能筋底端的螺纹旋入耗能筋螺纹锚具内；
S4，将固定螺母旋至耗能筋顶部螺纹连接段，令耗能筋穿过中心开孔螺纹嵌件的中心开孔，中心开孔螺纹嵌件旋入制成预留孔道的螺纹钢管中，将另一组固定螺母旋于中心开孔螺纹嵌件上，完成耗能筋顶端与承台的连接；
S5，加装预留孔道保护盖；
S6，将预制桥墩吊装至预制承台预留洞口处，并将其插入由钢波纹管制成的预留洞口内，灌入早强无收缩灌浆料，填充桥墩与预留洞口之间缝隙，待灌浆料达到设计强度后，装配完毕。
7.易于震后修复的自复位全预制桥墩-承台结构的使用方法，其特征在于：当预制承台在地震作用下经历转动位移后，打开预留孔道保护盖，拆下固定螺母和中心开孔螺纹嵌件，将屈服的耗能筋从桩基础顶部的耗能筋螺纹锚具中旋出，并将新耗能筋旋入耗能筋螺纹锚具中，安装中心开孔螺纹嵌件和固定螺母，加装预留孔道保护盖，完成耗能筋的更换，并恢复桥梁抗震性能。
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