CN110847019A - 基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，主要由预制桥墩节段、钢板、阻尼器、SMA筋和SMA螺栓组成。其中预制桥墩节段为高强混凝土管墩，连接钢板截面竖向和水平承载力不低于桥墩节段截面相应承载力。多个阻尼器环向布置在承台顶面与钢板底面之间。在地震作用下，桥墩的底部形成塑性铰区，上、下连接钢板间可以开合，利用SMA螺栓自复位形成局部摇摆机构并具有耗能能力。激发阻尼器发挥作用，吸收部分地震能量，且SMA螺栓和阻尼器方便震后检修和更换，在SMA筋的作用下，桥墩结构体系具有自复位功能，减少震后桥墩塑性铰区的损伤。

Description

基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造
技术领域
本发明涉及桥梁工程减隔震技术领域，主要涉及一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造。
背景技术
我国处于欧亚地震带与环太平洋地震带之间，大部分区域地震活动频繁。桥梁作为城市、公路以及铁路交通的枢纽工程，一旦在地震中损坏严重，将产生巨大的经济损失，同时，由于桥梁结构破坏导致交通中断而造成的间接损失也是不可估量的。交通中断导致震后救援人员以及设备难以及时到位，这使得救援工作开展难度进一步加大，很多灾民得不到及时救援，甚至可能有生命危险。
在地震中破坏严重的桥梁修复起来十分困难，严重地影响灾区的救援以及灾后重建工作。当前世界上桥梁领域应用最多的抗震设计方法是基于桥墩滞回性能的延性抗震设计，但是桥墩在地震中形成的塑性铰难以修复。自复位是结构功能可恢复的一种重要的实现方式，功能可恢复在满足“大震不倒”的抗震设防目标的前提下还要保证桥梁结构在震后能够快速的修复，确保交通生命线的畅通，减少灾害经济损失以及人员伤亡。
针对上述问题，本发明将功能可恢复设计思想运用到钢筋混凝土空心管墩节点连接当中，钢筋混凝土空心管墩节段间通过钢板用SMA螺栓连接，并在两块钢板中心布置SMA筋，同时在桥墩塑性铰区环向布置阻尼器。在地震作用下，桥墩的底部形成塑性铰区，上、下连接钢板间可以开合，利用SMA螺栓自复位形成局部摇摆机构并具有耗能能力。同时激发阻尼器发挥作用，吸收部分地震能量，减小桥墩塑性变形，控制桥梁结构在地震作用下的响应，从而达到桥梁抗震设计目的，且SMA螺栓和阻尼器方便震后检修和更换，同时，在SMA筋的作用下，桥墩结构体系具有自复位功能，能够减少震后桥墩塑性铰区的损伤。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一种特殊的合金，具有超弹性特性和形状记忆特性。SMA在荷载作用下产生大变形，力-位移曲线呈现饱满的滞回环，可以耗散大部分能量，并且其在卸载时可以从大变形状态恢复到初始状态，几乎无残余变形。SMA螺栓是用SMA材料制作而成的螺栓，利用材料的超弹性和形状记忆特性，使得SMA连接节点在变形时具有较高的强度，具有耗能以及自复位能力。
发明内容
为了解决背景技术中所提出的桥梁下部结构在地震中存在的问题，本发明提出了一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，可减小桥墩在地震作用下的侧向变形，并且该变形可快速恢复，将“减震”以及“功能可恢复”思想运用到桥梁抗震设计中。
本发明提出了一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：主要由现浇承台(1)、预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)、钢板A(4)、钢板B(5)、SMA螺栓(6)、阻尼器(9)以及SMA筋(10)组成；预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)均为离心高强混凝土管墩。
所述的钢板A(4)、钢板B(5)通过焊接锚固钢筋(7)分别固定在预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)上，钢板A(4)和钢板B(5)之间通过SMA螺栓(6)进行连接。两个钢板上均预留有SMA筋的安装孔道。钢板A(4)的直径大于钢板B(5)的直径，目的是为布置阻尼器(9)提供空间。
所述的预制桥墩节段A(2)与预制桥墩节段B(3)通过钢板用SMA螺栓(6)进行连接。
所述的预制桥墩节段B(3)通过将纵筋插入到承台钢筋笼中后现浇承台来实现与承台的连接。
所述的阻尼器(9)环向布置在钢板A(4)与承台顶面之间。
所述的SMA筋下端锚固在钢板B(5)上，上端锚固在钢板A(4)上。
在预制桥墩节段B(3)与承台(1)之间的空间填充低强度混凝土(12)，主要是为了防止桥墩在车辆撞击下结构发生破坏。
在所述的钢板A(4)、钢板B(5)以及阻尼器(9)外侧从钢板上方的高度区域环向浇筑低强度混凝土(13)，除了能保护钢板以及阻尼器不受外界环境腐蚀影响之外，还起到防撞作用。
所述的预制桥墩节段A(2)与预制桥墩节段B(3)为同一圆心、同一直径的环形截面。
所述的钢板A(4)、钢板B(5)截面抗压以及抗弯承载力不应小于预制桥墩节段A(2)和预制桥墩节段B(3)相应的截面承载力。
所述的预制桥墩节段A(2)与钢板A(4)中心线重合。
所述的预制桥墩节段B(3)与钢板B(5)中心线重合。
所述的预制桥墩节段B(3)的中心线与承台(1)顶面垂直。
本发明所具有的效果是：基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造是一个技术整体，能够实现桥墩的摇摆、耗能以及自复位功能。当桥墩受到往复地震力作用时，连接桥墩钢板的SMA螺栓发挥材料的超弹性和形状记忆特性实现大变形并能够自复位，同时钢板之间出现开合，形成局部摇摆机构，此时SMA材料形成饱满的滞回环耗散大部分地震能量，同时附加在桥墩底部的阻尼器随着钢板的开合发生轴向变形，这又进一步增加了桥墩的耗能能力。当桥墩发生变形时，布置在上下钢板中心的SMA筋能够实现结构的自复位，使得在地震作用下的桥墩能够自动修复，保证桥梁结构的正常使用。另外，在阻尼器发生破坏耗能时，桥墩底部浇筑的低强度混凝土破坏严重，这为后续清理混凝土以及更换耗能阻尼器提供了便利。
本发明的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造在地震作用下减震效果显著，主要体现为以下几个方面：
1.用于连接钢板的SMA螺栓具有耗能自复位功能，在地震作用下上、下连接钢板间可以开合，桥墩形成局部摇摆机构。
2.在钢板底面之间环向布置的阻尼器在地震作用下能够起到吸收能量的作用，有效地减小了桥墩结构的塑性变形，起到保护桥墩的作用。
3.在钢板(4)与钢板(5)之间布置的SMA筋能够起到自复位的作用。在强震作用下，桥墩底部发生塑性变形，由于SMA筋的存在，桥墩结构体系具有自复位功能，该塑性变形能够较快的恢复，桥墩能够恢复到原先的位置，有效地减小了桥墩损伤的继续开展，并能够防止落梁等严重破坏。
4.SMA螺栓以及SMA筋使得桥墩结构在地震作用下形成局部摇摆机构，能够增加SMA材料和阻尼器的耗能能力。
5.当桥墩底部发生较大变形时，可以去除破坏的外围低强度混凝土，检修和更换SMA螺栓以及阻尼器。
6.由于该钢筋混凝土空心管墩节段间连接方式具有显著的抗震作用，可将传统的墩梁铰接体系改为固结，既能减小施工难度、降低施工以及后期维护成本，也能防止桥梁结构在大震作用下因支座位移过大以及桥墩变形过大而导致的落梁灾害。
7.桥墩为预制高强管墩，该结构能够减少材料用量，并且构件在工厂制作能够保证施工质量，提高施工速度，减少现场施工时间，对施工现场周边环境的影响较小；预制高强管墩基于钢板连接简单可靠，便于现场拼装。
8.本发明构造简单，且对于现有的常规桥墩设计改动较小，易于推广。在地震作用下，桥墩在SMA螺栓以及SMA筋的作用下形成局部摇摆体系，能量耗散主要集中在SMA螺栓和阻尼器中。同时，在地震作用下桥墩的变形能够通过SMA筋进行恢复，使得桥梁结构在震后能够自复位，确保震后灾区交通生命线的通畅，为震后灾区的救援工作创造有利条件，减少的灾区的重建时间。因此，本发明具有显著的社会经济以及安全效益，值得大范围内推广使用。
附图说明
图1为一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造顺桥向截面示意图；
图2为一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造A-A截面示意图；
图3为一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造B-B截面示意图；
图4为一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造C-C截面示意图；
图5为一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造D-D截面示意图；
附图标记说明：
1—现浇承台；2—预制桥墩节段A；3—预制桥墩节段B；4—钢板A；5—钢板B；6—SMA螺栓；7、8—锚固钢筋；9—阻尼器；10—SMA筋；11—SMA筋锚固装置；12、13、14—低强度混凝土；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
上述一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造的实现，主要包括以下步骤：
S1在工厂预制桥墩节段2和预制桥墩节段3并预留钢板。
S2在预制桥墩节段3的中间区域浇筑低强度混凝土并预设SMA筋。
S3将预制桥墩节段3插入到承台钢筋笼中，浇筑承台。
S4将预制桥墩节段2与预制桥墩节段3通过钢板用SMA螺栓进行连接，并张拉SMA筋。
S5在钢板(4)底面与承台顶面之间环向安装多个阻尼器。
S6在钢板以及阻尼器高度区域外围浇筑低强度混凝土。
S7在SMA筋上方浇筑起保护作用的低强度混凝土。

Claims (7)

1.一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：由现浇承台(1)、预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)、钢板A(4)、钢板B(5)、SMA螺栓(6)、阻尼器(9)以及SMA筋(10)组成；预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)均为离心高强混凝土管墩；
所述的钢板A(4)、钢板B(5)通过焊接锚固钢筋(7)分别固定在预制桥墩节段A(2)、预制桥墩节段B(3)上，钢板A(4)和钢板B(5)之间通过SMA螺栓(6)进行连接；两个钢板上均预留有SMA筋的安装孔道；钢板A(4)的直径大于钢板B(5)的直径为布置阻尼器(9)提供空间；
所述的预制桥墩节段A(2)与预制桥墩节段B(3)通过钢板用SMA螺栓(6)进行连接；所述的预制桥墩节段B(3)通过将纵筋插入到承台钢筋笼中后现浇承台来实现与承台的连接；所述的阻尼器(9)环向布置在钢板A(4)与承台顶面之间；所述的SMA筋下端锚固在钢板B(5)上，上端锚固在钢板A(4)上；在预制桥墩节段B(3)与承台(1)之间的空间填充低强度混凝土(12)；
在所述的钢板A(4)、钢板B(5)以及阻尼器(9)外侧从钢板上方的高度区域环向浇筑低强度混凝土(13)，除能保护钢板以及阻尼器不受外界环境腐蚀影响之外，还起到防撞作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：所述的预制桥墩节段A(2)与预制桥墩节段B(3)为同一圆心、同一直径的环形截面。
3.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：所述的钢板A(4)、钢板B(5)截面抗压以及抗弯承载力不应小于预制桥墩节段A(2)和预制桥墩节段B(3)相应的截面承载力。
4.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：所述的预制桥墩节段A(2)与钢板A(4)中心线重合。
5.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：所述的预制桥墩节段B(3)与钢板B(5)中心线重合。
6.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：所述的预制桥墩节段B(3)的中心线与承台(1)顶面垂直。
7.根据权利要求1所述的一种基于钢板连接的钢筋混凝土空心管墩节点连接方式与构造，其特征在于：S1在工厂预制桥墩节段(2)和预制桥墩节段(3)并预留钢板；
S2在预制桥墩节段(3)的中间区域浇筑低强度混凝土并预设SMA筋；
S3将预制桥墩节段(3)插入到承台钢筋笼中，浇筑承台；
S4将预制桥墩节段(2)与预制桥墩节段(3)通过钢板用SMA螺栓进行连接，并张拉SMA筋；
S5在钢板(4)底面与承台顶面之间环向安装多个阻尼器；
S6在钢板以及阻尼器高度区域外围浇筑低强度混凝土；
S7在SMA筋上方浇筑起保护作用的低强度混凝土。
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