CN110886201A - 带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，包括混凝土承台、上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段、震损可更换构件、后张预应力筋和耗能限位装置，上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台通过后张预应力筋拼装成整体，预应力筋穿过桥墩节段孔道与承台孔道，将锚具分别锚固在混凝土承台底部与桥墩顶部；所述震损可更换构件包括震损可更换构件外钢皮与震损可更换构件混凝土。本发明同时给出上述桥墩的设计和施工方法。本发明不仅能使桥墩实现震后快速修复，且耗能限位装置能在不影响桥墩残余位移的情况下减小桥墩地震位移响应、增大桥墩耗能能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种可适用于中高烈度区域的预制节段拼装钢管混凝土桥墩，具体涉及震后快速修复技术、预制节段拼装技术、体外预应力技术和减震隔振技术，属于桥梁工程领域。
背景技术
桥梁结构在服役期间可能会遭受地震作用的威胁，作为震后物资运输的“生命线”工程，保证桥梁结构震后功能性具有重要的现实意义与实用价值。桥墩作为桥梁结构的主要承重构件及抗侧力构件，在桥梁结构抗震体系中承担着举足轻重的作用。目前，传统底部固结桥墩在地震作用下通过形成塑性铰来耗散地震能，使得桥墩在震后出现较大的残余位移和墩身损伤，这不仅使得桥梁结构难以实现震后快速修复，同时较大的残余位移和墩身损伤可能导致桥梁结构在震后丧失继续服役的功能。为提高桥梁结构的震后服役能力及可修复性，工程界提出一种“干接缝”预制拼装桥墩，该桥墩在地震作用下通过摇摆作用将损伤集中于摇摆界面附近，并通过预应力筋来减小残余位移。
钢管混凝土预制节段拼装桥墩具有侧向刚度大、外套钢管可兼做模板等优点而逐渐受到桥梁工程师的青睐。但现有文献表明，在地震作用下钢管混凝土预制节段拼装桥墩摇摆界面附近的外钢管屈服较早、混凝土在桥墩较大侧移角下会出现破碎，桥墩摇摆界面处的损伤部位修复困难，不利于震后继续服役。
由于“干接缝”预制拼装桥墩耗能能力差，使得其地震位移需求大，工程界通常采用附加耗能构件的方法来解决上述问题。附加耗能构件虽能增大桥墩的耗能能力，但可能会导致桥墩残余位移及墩身损伤增大。因此，现亟需提出一种能够在满足桥墩耗能能力及地震位移响应限值需求的同时，不增大桥墩残余位移的附加耗能装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统预制节段拼装钢管混凝土桥墩在地震激励下墩身损伤难以修复以及耗能装置对桥墩残余位移影响较大的不足，提供了一种带有震损可更换构件的预制节段拼装钢管混凝土自复位桥墩结构，将地震激励下的墩身损伤集中于震损可更换构件；耗能限位装置在地震作用下只承受拉力，可有效避免耗能限位装置受压屈曲。使用这种方法不仅能使桥墩实现震后快速修复，且耗能限位装置能在不影响桥墩残余位移的情况下减小桥墩地震位移响应、增大桥墩耗能能力。技术方案如下：
一种带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，包括混凝土承台、上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段,其特征在于，还包括震损可更换构件、后张预应力筋和耗能限位装置，其中，
所述上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台通过后张预应力筋拼装成整体，预应力筋穿过桥墩节段孔道与承台孔道，将锚具分别锚固在混凝土承台底部与桥墩顶部；
所述震损可更换构件包括震损可更换构件外钢皮与震损可更换构件混凝土，震损可更换构件混凝土包覆在底部钢管混凝土预制节段靠下部位的外周，震损可更换构件外钢皮包覆在震损可更换构件混凝土的外周，所述耗能限位装置包括耗能限位钢筋，所述耗能限位钢筋的两端分别连接于混凝土承台顶面和底部钢管混凝土预制节段的外钢管上。
优选地，底部钢管混凝土预制节段在靠近混凝土承台顶面附近横截面直径缩小，直径缩小尺寸与震损可更换构件厚度一致，底部钢管混凝土预制节段横截面直径缩小区域高度为震损可更换构件高度。
震损可更换构件通过高强摩擦型螺栓和连接盖板固定于底部钢管混凝土预制节段横截面直径缩小区域。
所述震损可更换构件外钢皮内侧设有抗剪销栓。
耗能限位钢筋下部通过连接套筒与承台预埋钢筋连接，耗能限位钢筋上部穿过锚固块内孔道并通过螺帽固定于锚固钢块上部，锚固块固定于底部钢管混凝土预制节段的外钢管上。
所述的自复位桥墩的设计和施工方法包括下面的步骤：
(1)根据桥梁结构相关规范及实际工程构造要求计算出主体结构尺寸；震损可更换构件的高度为底部节段的1/2～1/3，且不应小于桥墩横截面直径，震损可更换构件厚度为桥墩横截面直径的1/6～1/5；
(2)现场拼装施工主要分为以下几个部分：通过后张预应力筋将上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台锚固；利用高强摩擦型螺栓和连接盖板将震损可更换构件与底部钢管混凝土预制节段连接形成整体；利用连接套筒将耗能限位钢筋下部与承台预埋钢筋连接，耗能限位钢筋上部穿过锚固块内孔道并通过螺帽固定于锚固块上部。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.该发明依据预制节段拼装桥墩分块拼装施工的便捷性，将地震激励下预制节段拼装钢管混凝土桥墩损伤集中区域与主体结构分离，保证主体结构安全，利用螺栓-盖板的连接方式将震损可更换构件与主体结构形成整体，这种连接方式便于施工，有利于实现桥墩的震后快速修复。
2.震损可更换构件由震损可更换构件外钢皮与震损可更换构件混凝土组合而成，可充分利用震损可更换构件外钢皮的受压屈服为桥墩提供耗能能力，由于震损可更换构件不产生复位抵抗矩，使得震损可更换构件在提供耗能能力的同时不增大桥墩残余位移。
3.耗能限位装置在地震作用下只承受拉力，可显著减小耗能限位装置受压屈曲对桥墩残余位移产生的不利影响，在保证桥墩复位能力的同时为桥墩提供有效的耗能能力。
4.本发明桥墩与传统预制节段拼装钢管混凝土桥墩相比施工工程量大致相当，且在相同含钢率下具有更好的耗能能力与延性性能，宜于在中高烈度区域推广。
附图说明
图1为本发明装置中的桥墩纵剖面图
图2为本发明装置中的桥墩立面图
图3为图1、图2的A-A横截面图
图4为图1、图2的B-B横截面图
图5为震损可更换构件与主体结构组装示意图
图6为耗能限位装置大样图
图中标号说明：
1-底部钢管混凝土预制节段混凝土、2-底部钢管混凝土预制节段外钢管、3-桥墩节段孔道、4-后张预应力筋、5-震损可更换构件外钢皮、6-抗剪销栓、7-震损可更换构件混凝土、8-锚固钢块、9-耗能限位钢筋、10-连接套筒、11-承台预埋钢筋、12-混凝土承台、13-锚具、14-螺帽、15-连接盖板、16-高强摩擦型螺栓、17-承台孔道、18-上部钢管混凝土预制节段混凝土、19-上部钢管混凝土预制节段外钢管。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述：
本发明通过将地震易损部位与主体结构分离来保证桥墩主体在地震激励下的完好，并通过耗能限位装置来限制桥墩的地震位移响应，其具体细部构造如图1～图6所示，主要包括底部钢管混凝土预制节段混凝土1、底部钢管混凝土预制节段外钢管2、桥墩节段孔道3、后张预应力筋4、震损可更换构件外钢皮5、抗剪销栓6、震损可更换构件混凝土7、锚固钢块8、耗能限位钢筋9、连接套筒10、承台预埋钢筋11、混凝土承台12、锚具13、螺帽14、连接盖板15、高强摩擦型螺栓16、承台孔道17、上部钢管混凝土预制节段混凝土18、上部钢管混凝土预制节段外钢管19。
本发明在具体设计使用时，需根据桥梁结构相关规范及实际工程构造要求计算出主体结构尺寸；震损可更换构件的高度不宜小于底部节段高度的1/2及桥墩横截面截面直径的最小值，震损可更换构件厚度为桥墩截面直径的1/6～1/5；耗能限位钢筋直径可根据桥墩地震位移限值要求确定；桥墩底部分区区域钢管混凝土预制桥墩节段底部横截面直径缩小处的受力状态应满足桥梁结构正常使用极限状态下的相关要求，桥墩整体的受力特性应满足现行桥梁结构抗震规范要求。
桥墩底部钢管混凝土预制节段2、上部钢管混凝土预制节段外钢管19及震损可更换构件外钢皮5可充当部分施工模板，便于混凝土的浇筑施工，在浇筑底部钢管混凝土预制节段混凝土1及上部钢管混凝土预制节段混凝土18时需留设预应力孔道3；混凝土承台12可通过传统的支模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土进行工厂预制，混凝土承台12在浇筑时需留设承台孔道12及锚固区域，承台预埋钢筋11直径不应小于耗能限位钢筋9直径，且承台预埋钢筋11的锚固长度应满足《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的相关要求。
本发明的现场拼装施工主要分为以下几个部分：首先将各个钢管混凝土预制节段依次放置于混凝土承台12上，通过后张预应力筋4施加预应力使上部钢管混凝土预制节段和底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台12拼装成整体；其次依据图5所示，利用高强摩擦型螺栓16和连接盖板15将震损可更换构件与钢管混凝土预制桥墩节段连接形成整体；最后利用连接套筒10将耗能限位钢筋9下部与承台预埋钢筋11连接，耗能限位钢筋9上部穿过锚固钢块8内孔道并通过螺帽14固定于锚固钢块8上部。
通过前期合理设计桥墩预应力度及耗能限位钢筋用量，使桥墩在小震及正常使用状态下桥墩底部与承台顶部之间的交界面不张开；在大震作用下桥墩底部与承台顶部之间的交界面张开，桥墩耗能限位钢筋用量可根据大震作用下的地震位移响应限值要求进行调整，直至桥墩地震位移响应及耗能能力满足相关规范要求。震损可更换构件主要承担桥墩地震作用下的竖向荷载，将损伤集中于震损可更换构件，保障钢管混凝土桥墩主体结构基本完好，且震损可更换构件及耗能限位装置便于快速替换，能够实现桥梁结构的震后快速修复，为震后抢险救灾提供有利保障。
应当指出，上述对实施例的相关描述仅为便于本领域的技术人员理解和应用本发明的工作原理，但其不得解释为对本发明自身的限制。因此，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，对本发明做出的改进和润色均应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，包括混凝土承台、上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段,其特征在于，还包括震损可更换构件、后张预应力筋和耗能限位装置，其中，
所述上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台通过后张预应力筋拼装成整体，预应力筋穿过桥墩节段孔道与承台孔道，将锚具分别锚固在混凝土承台底部与桥墩顶部；
所述震损可更换构件包括震损可更换构件外钢皮与震损可更换构件混凝土，震损可更换构件混凝土包覆在底部钢管混凝土预制节段靠下部位的外周，震损可更换构件外钢皮包覆在震损可更换构件混凝土的外周，所述耗能限位装置包括耗能限位钢筋，所述耗能限位钢筋的两端分别连接于混凝土承台顶面和底部钢管混凝土预制节段的外钢管上。
2.根据权利要求1所述的带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，其特征在于：底部钢管混凝土预制节段在靠近混凝土承台顶面附近横截面直径缩小，直径缩小尺寸与震损可更换构件厚度一致，底部钢管混凝土预制节段横截面直径缩小区域高度为震损可更换构件高度。
3.根据权利要求2所述的带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，其特征在于：震损可更换构件通过高强摩擦型螺栓和连接盖板固定于底部钢管混凝土预制节段横截面直径缩小区域。
4.根据权利要求1所述的带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，其特征在于：所述震损可更换构件外钢皮内侧设有抗剪销栓。
5.根据权利要求1所述的带有震损可更换构件的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，其特征在于：耗能限位钢筋下部通过连接套筒与承台预埋钢筋连接，耗能限位钢筋上部穿过锚固块内孔道并通过螺帽固定于锚固钢块上部，锚固块固定于底部钢管混凝土预制节段的外钢管上。
6.权利要求1所述的自复位桥墩的施工方法，其特征在于，包括下面的步骤：
(1)根据桥梁结构相关规范及实际工程构造要求计算出主体结构尺寸；震损可更换构件的高度为底部节段的1/2～1/3，且不应小于桥墩横截面直径，震损可更换构件厚度为桥墩横截面直径的1/6～1/5；
(2)现场拼装施工主要分为以下几个部分：通过后张预应力筋将上部钢管混凝土预制节段、底部钢管混凝土预制节段与混凝土承台锚固；利用高强摩擦型螺栓和连接盖板将震损可更换构件与底部钢管混凝土预制节段连接形成整体；利用连接套筒将耗能限位钢筋下部与承台预埋钢筋连接，耗能限位钢筋上部穿过锚固块内孔道并通过螺帽固定于锚固块上部；
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，桥墩底部分区区域钢管混凝土预制桥墩节段底部横截面直径缩小区域的受力状态满足桥梁结构正常使用极限状态下的相关要求。
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