CN110468691A - 一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，包括可栓接高强灌浆套筒、L型耗能钢板、套筒高强连接螺母、预埋高强锚栓、预制桥墩、基础承台、承插纵筋、预留缝隙；属于预制装配式桥梁技术领域。现场浇筑基础承台，并预留承插纵筋和预埋高强螺栓；现场吊装预制桥墩并通过可栓接高强灌浆套筒与承台预留纵筋连接；利用可栓接高强灌浆套筒和套筒高强连接螺母以及预埋高强螺栓将L型耗能钢板的两端分别锚固于预制桥墩和基础承台，并依据附加轴压比需求设计L型耗能钢板所需的预加力和供L型耗能钢板在预加力作用下的弹性变形预留间隙。本发明构造简单、方便拆卸和安装，在发生塑性耗能失效后快速地实现可更换。

Description

一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系

技术领域

本发明涉及一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，属于预制装配式桥梁技术领域。

背景技术

近年来随着社会经济的发展，城市化水平和人民生活水平的提高，人们对建筑、桥梁结构在多灾害作用下的安全，施工和使用期间的环境污染与能源消耗，以及经济性和安全性等的要求越来越高。装配式混凝土结构具有施工便捷，施工周期短，能耗低等优点。因此装配式混凝土桥墩(整体装配式桥梁)越来越受到国内外学者和工程师的青睐。而装配式混凝土桥墩的抗震性能和可恢复功能一直以来是装配式混凝土桥墩应用研究的重点和难点。

装配式混凝土桥墩的连接是影响其抗震性能和实现可恢复能力的关键。现阶段应用较为广泛的装配式混凝土桥墩连接包括灌浆套筒连接、金属波纹管连接和无粘结预应力连接等。上述连接在正常使用荷载作用下具有良好的连接性能，但是当受到地震、撞击等偶然荷载作用时，极易出现沿连接处的破坏，进而导致装配式混凝土桥墩成为绕连接面“摇摆”的机构。尽管装配式桥墩的“摇摆”能够耗散一部分能量，但是由于连接位置混凝土截面的削弱，其耗能能力与传统现浇桥墩相比减少较大，这也导致桥墩的塑性耗能能力无法充分发挥，降低了装配式混凝土桥墩的经济性和安全性。而当装配式混凝土桥墩沿连接面发生“摇摆”后，其灾后残余变形很大，该类型装配式桥墩的可恢复能力较弱。同时由于过早的出现沿连接面的开裂或“摇摆”破坏，显著降低了装配式桥墩的耐久性。

因此，现阶段受构造和工艺的影响，装配式混凝土桥墩的抗震性能研究成果仍不理想，装配式混凝土桥墩多用于低烈度区；同时由于传统装配式节点在多灾害作用下的破坏严重，现有的装配式混凝土桥墩的灾后可恢复能力差，导致装配式混凝土桥墩未能充分发挥自身的优点。因此，研发一种具有优异抗震性能、耐久性，防摇摆并具有良好可恢复功能(可置换功能和自复位功能)的装配式桥墩具有显著的实用价值和现实意义。

发明内容

为了解决传统装配式混凝土桥墩耗能能力差，可恢复功能不足等问题，本发明提出了一种设置有可栓接高强灌浆套筒，并设置有L型耗能连接钢板，利用高强套筒螺母和预埋高强螺栓连接的灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系。

本发明具有消能能力优良，可拆卸可更换，防摇摆等特点。在地震、撞击等偶然荷载作用下，位于塑性铰区的L型耗能钢板首先利用预压力实现装配式桥墩的自复位功能(防摇摆)，进而通过自身的塑性变形发挥消能减振作用，而当L型耗能钢板发挥耗能作用后可对其进行更换，实现可置换(恢复)功能；装配式构造(可栓接高强灌浆套筒和预埋高强螺栓)可以实现工厂预制和可装配功能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，包括可栓接高强灌浆套筒1、L型耗能钢板2、高强套筒螺母3、预埋高强螺栓4、预制桥墩5、基础承台6、承插纵筋7和预留间隙8。

所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，可栓接高强灌浆套筒1在浇筑预制桥墩5混凝土之前设置于桥墩塑性铰区域内，并与预制桥墩5中的承插纵筋7进行连接，其连接形式为承插并非固定；在工厂中对预制桥墩5、L型耗能钢板2、高强套筒螺母3和预埋高强螺栓4进行预制加工；现场浇筑基础承台6，并在基础承台6上预留承插入预制桥墩5与可栓接高强灌浆套筒1相对应的承插纵筋7和预埋高强螺栓4；现场吊装预制桥墩5，并将承台承插纵筋7插入可栓接高强灌浆套筒1中，并注浆；将L型耗能钢板2通过高强套筒连接螺母3和可栓接高强灌浆套筒1与预制桥墩5锚栓连接；根据预加力大小，在L型耗能钢板2与基础承台6之间留有预留间隙8；利用高强套筒连接螺母3和预埋高强螺栓4将L型耗能钢板2与承台7锚栓连接，并消除预留间隙8。由此完成本发明提出的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系。

预留间隙8或者通过环氧砂浆等填充施加预加力后的剩余间隙；

所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于在地震、撞击等偶然荷载作用下，当变形较小时，首先通过L型耗能钢板2的预加力有效控制并减小桥墩的位移，实现一定的自复位功能(防摇摆)；随着变形的增大，L型耗能钢板2首先发挥塑性耗能，并以此达到消能减振功能，提高装配式桥墩的耗能能力；最后，当L型耗能钢板2在灾害中发生塑性破坏后，通过高强套筒螺母3和预埋高强螺栓4实现可置换功能。

所述的可栓接高强灌浆套筒1在上部排浆口和下部进浆口均设置了可栓接螺纹，实现外部的可栓接功能，同时为了克服预加力的影响，在上部排浆口和下部进浆口的上下侧均增加了剪力键。所述可栓接高强灌浆套筒1的长度至少为连接钢筋直径的20倍以上，外径为连接钢筋直径的3倍以上。所述可栓接高强灌浆套筒1的进浆口和出浆口直径为连接钢筋两倍以上。所述剪力键的边长相等，边长为保护层厚度的2/3，厚度为边长的1/4。

所述的L型耗能钢板2为预留锚孔的L型薄壁型钢、耗能软钢、高阻尼铅型橡胶钢板、低屈服铝合金或低屈服铅合金等。L型耗能钢板2的短边长度为预制桥墩截面长度的0.5～0.6倍；长边尺寸为可栓接高强灌浆套筒1长度的1.1～1.2倍；截面厚度可根据消能减振能力的需求和工程所在抗震设防烈度或最大风载等级进行调整。以提供桥墩塑性铰区的消能能力，同时避免非塑性铰区预制装配式桥墩构件的损坏。

所述的预留间隙8不应小于预加力引起的L型耗能钢板的弹性变形量确定。预加力大小根据施加的桥墩附加轴压比确定，一般选取为桥墩设计轴压比的0.2～1.0倍(一般桥墩的设计轴压比为0.1左右)。当施加设定预加力后(通过L型耗能钢板的弹性变形量控制)，剩余间隙可通过环氧砂浆、环氧树脂等防水材料填充。

本发明一方面通过L型耗能钢板的预加力有效控制并减小桥墩的位移，实现一定的自复位功能(防摇摆)；并通过L型耗能钢板发挥塑性耗能，以此达到提高装配式桥墩的耗能能力的功能；同时通过可栓接高强灌浆套筒、高强套筒螺母和预埋高强螺栓实现可置换功能。以避免传统装配式桥墩节点区小灾下即损伤、大灾下耗能能力不足，易造成装配式构件破坏模式变化，可置换能力不强等缺点，显著提高装配式结构的整体抗震(振)性能，施工便易性和震(振)后可恢复能力。本发明可用于装配式桥梁结构的墩-台节点、墩-梁节点，亦可用于装配式建筑结构梁-柱节点、柱-台节点。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明将可栓接高强灌浆套筒、L型耗能钢板、装配式构造三者有机的结合在了一起，既能够在风荷载和小震作用下提供结构的刚度要求，也能在大震或遭受撞击时提高节点的耗能能力，同时合理的利用装配式构造显著改善了装配式结构传统连接节点的实施和恢复便易性；

2)本发明将结构抗震设计“三级设防标准”的理念引入了装配式节点的设计和实施中，实现了装配式节点小震(振)时的增强刚度(自复位防摇摆)，中震(振)时的消能减振(震)和大震(振)时的可置换，将传统装配式节点仅在连接构造处的硬抗转换为具有多阶段抵抗能力的软抗，显著提高了装配式结构的抗震(振)性能；

3)本发明构造简单、方便拆卸和安装，且可栓接高强灌浆套筒1、L型耗能钢板2、套筒螺母3、预埋高强螺栓4可单独作为一套系统替代传统装配式梁、柱、墩的塑性铰区，避免了传统装配式梁、柱、墩构件塑性铰区的严重损伤和修复难等问题，结合其装配式功能，可以在发生严重损伤后有效地实现装配式结构的可置换(恢复)功能。

附图说明

图1为本发明的新型灾后可修复装配式桥墩体系安装正面示意图；

图2为本发明的新型灾后可修复装配式桥墩体系安装俯视示意图；

图3为本发明的新型灾后可修复装配式桥墩体系安装二等轴测示意图；

图4为本发明的可栓接高强灌浆套筒的正视示意图；

图5为本发明的可栓接高强灌浆套筒的侧面示意图；

图6为本发明的可栓接高强灌浆套筒俯视示意；

图7为本发明的L型耗能钢板正面示意图；

图8为本发明的L型耗能钢板侧面视示意图；

图9为本发明的L型耗能钢板俯视示意图

图中：

1-可栓接高强灌浆套筒 2-L型耗能钢板 3-套筒高强连接螺母 4-预埋高强螺栓5-预制桥墩 6-基础承台 7-承插纵筋 8-预留间隙

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1～图9所示，为本发明的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其主要包括可栓接高强灌浆套筒1、L型耗能钢板2、套筒高强连接螺母3、预埋高强螺栓4、预制桥墩5、基础承台6、承插纵筋7、预留缝隙8。本节点用于装配式桥梁墩柱构件端部。

桥墩截面尺寸为b600mm×h600mm，混凝土强度为C30。承插纵向钢筋为HRB400，直径为25mm，单侧配筋为8根，保护层厚度为45mm。可栓接套筒材料为Q345，外径为80mm，长度为500mm，进浆口外径为50mm，剪力键边长25mm，厚15mm。L型钢板采用低屈服铝合金，屈服应力为160MPa，短边长300mm，长边为650mm，厚度为12mm。桥台预埋螺栓直径为10.9级高强螺栓，直径为16mm，长450mm，预埋深度400mm，一侧为8个，间距为65mm，距边72.5mm，施加预压力为每个螺栓90kn。预留缝隙为20mm，施加完预压力后基础承台与L型耗能钢板的缝隙由环氧树脂填充。

实施例2：

如图1～图9所示，为本发明的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其主要包括可栓接高强灌浆套筒1、L型耗能钢板2、套筒高强连接螺母3、预埋高强螺栓4、预制桥墩5、基础承台6、承插纵筋7、预留缝隙8。本节点用于建筑装配式框架结构中的装配式梁构件。

梁截面尺寸为b200mm×h500mm，混凝土强度为C30。采取对称配筋纵向受拉和受压钢筋为HRB400，直径为22mm，配筋为一侧3根，保护层厚度为40mm。可栓接套筒材料为Q345，外径为65mm，长度为450mm，进浆口外径为45mm，剪力键边长30mm，厚10mm。L型钢板采用低屈服铝合金，屈服应力为160MPa，短边长120mm，长边为450mm，厚度为10mm。柱端预埋螺栓直径为10.9级高强螺栓，直径为12mm，长340mm，预埋深度为300mm，一侧为3个，间距为50mm，距边50mm，施加预压力为每个高强螺栓45kn。预留缝隙为8mm，施加预压力完成后L型钢板与柱端无缝隙。

Claims (9)

1.一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：包括可栓接高强灌浆套筒(1)、L型耗能钢板(2)、高强套筒螺母(3)、预埋高强螺栓(4)、预制桥墩(5)、基础承台(6)、承插纵筋(7)和预留间隙(8)；

所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，可栓接高强灌浆套筒(1)在浇筑预制桥墩(5)混凝土之前设置于桥墩塑性铰区域内，并与预制桥墩(5)中的承插纵筋(7)进行连接，其连接形式为承插并非固定；在工厂中对预制桥墩(5)、L型耗能钢板(2)、高强套筒螺母(3)和预埋高强螺栓(4)进行预制加工；现场浇筑基础承台(6)，并在基础承台(6)上预留承插入预制桥墩(5)与可栓接高强灌浆套筒(1)相对应的承插纵筋(7)和预埋高强螺栓(4)；现场吊装预制桥墩(5)，并将承台承插纵筋(7)插入可栓接高强灌浆套筒(1)中，并注浆；将L型耗能钢板(2)通过高强套筒连接螺母3和可栓接高强灌浆套筒(1)与预制桥墩(5)锚栓连接；根据预加力大小，在L型耗能钢板(2)与基础承台(6)之间留有预留间隙(8)；利用高强套筒连接螺母3和预埋高强螺栓(4)将L型耗能钢板(2)与承台7锚栓连接，并消除预留间隙(8)。

2.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：预留间隙(8)或者通过环氧砂浆填充施加预加力后的剩余间隙。

3.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：在地震、撞击偶然荷载作用下，当变形较小时，首先通过L型耗能钢板(2)的预加力有效控制并减小桥墩的位移，实现一定的自复位功能；随着变形的增大，L型耗能钢板(2)首先发挥塑性耗能，并以此达到消能减振功能；最后，当L型耗能钢板(2)在灾害中发生塑性破坏后，通过高强套筒螺母(3)和预埋高强螺栓(4)实现可置换功能。

4.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：所述的可栓接高强灌浆套筒(1)在上部排浆口和下部进浆口均设置了可栓接螺纹，实现外部的可栓接功能，同时为克服预加力的影响，在上部排浆口和下部进浆口的上下侧均增加了剪力键；所述可栓接高强灌浆套筒(1)的长度至少为连接钢筋直径的20倍以上，外径为连接钢筋直径的三倍以上；所述可栓接高强灌浆套筒(1)的进浆口和出浆口直径为连接钢筋两倍以上；所述剪力键的边长相等，边长为保护层厚度的2/3，厚度为边长的1/4。

5.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：所述的L型耗能钢板(2)为预留锚孔的L型薄壁型钢、耗能软钢、高阻尼铅型橡胶钢板、低屈服铝合金或低屈服铅合金；L型耗能钢板(2)的短边长度为预制桥墩截面长度的0.5～0.6倍；长边尺寸为可栓接高强灌浆套筒(1)长度的1.1～1.2倍；截面厚度根据消能减振能力的需求和工程所在抗震设防烈度或最大风载等级进行调整。

6.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：所述的预留间隙(8)不小于预加力引起的L型耗能钢板的弹性变形量确定；预加力大小根据施加的桥墩附加轴压比确定。

7.根据权利要求6所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：预加力选取为桥墩设计轴压比的0.2～1.0倍。

8.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：一方面通过L型耗能钢板的预加力有效控制并减小桥墩的位移，实现一定的自复位功能；并通过L型耗能钢板发挥塑性耗能，以此达到提高装配式桥墩的耗能能力的功能；同时通过可栓接高强灌浆套筒、高强套筒螺母和预埋高强螺栓实现可置换功能。

9.根据权利要求1所述的一种灾后可更换装配式混凝土防摇摆桥墩体系，其特征在于：用于装配式桥梁结构的墩-台节点、墩-梁节点，或者用于装配式建筑结构梁-柱节点、柱-台节点。