CN111021232A - 带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩，包括盖梁、墩柱和承台，所述的盖梁和所述的承台之间并列设置两根墩柱，所述的两个墩柱之间横向间隔设置至少一个可更换耗能波纹钢连梁，每个可更换耗能波纹钢连梁包括可更换的波纹耗能段和加强连接段，所述的波纹耗能段包括上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板，所述的上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板固定连接，可更换耗能波纹钢连梁与墩柱之间通过节点相连；盖梁、墩柱和承台预留有预应力管道，通过贯穿预应力管道的后张预应力钢筋将三者连接。本发明适用于地震区、施工便利、震后可快速修复。

Description

带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，具体涉及一种带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩及其施工方法。

背景技术

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震区分布广泛且分散，众多区域抗震设防烈度在7至8度以上。桥梁是交通生命线工程的重要枢纽，建设造价较高，一旦遭遇地震破坏，震后修复极其困难。历次地震震害调查和抗震救灾的经验和教训表明，由于地震区交通生命线工程的桥梁损毁，严重阻碍了救灾行动和震后恢复工作，所造成的经济损失和人员伤亡不可估量。因此，保证作为生命线工程的重要组成部分的桥梁结构的地震安全问题尤为重要，保障其抗震安全已经成为我国经济和社会发展的迫切需求。

目前桥梁抗震设计方法有延性抗震设计和减隔震抗震设计。延性抗震设计是依靠结构、构件自身具有的强度、延性、耗能能力来抗震，但延性抗震设计不可避免地会使桥墩发生损伤，尤其是在强震作用下桥墩塑性铰区域损伤将非常严重，并产生较大的残余位移，致使桥墩震后修复工作非常困难。减隔震设计是通过引入隔震装置改变结构在地震中的动力响应特征，但结构的位移很难与支座系统相协调，在可能出现的最大地震荷载作用下，尤其是近场地震特性比较显著的情况下，减隔震提供的设计位移非常大，可能发生落梁。近年来，对于自复位桥墩的研究越来越多，且开始应用于实际工程中。自复位桥墩的设计是不同于上述两种桥墩的抗震设计方式，自复位桥墩允许各部件在彼此接触处发生短暂的分离，由于预应力钢筋的恢复能力，可以产生恢复力，帮助结构重回初始位形，减小或者消除残余变形。并且自复位桥墩可采用节段拼装的方式，实现施工装配化，现场施工效率高。然而自复位桥墩在地震中仅依靠预应力筋的弹性变形来耗能，耗能能力不足，需要设置耗能部件来达到需求。基于上述背景，工程界亟待引入一种既有自复位能力又具有足够耗能能力的桥梁墩柱结构体系设计方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提出一种适用于地震区、施工便利、震后可快速修复的带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩极其施工方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式钢管混凝土桥墩，包括盖梁、墩柱和承台，所述的盖梁和所述的承台之间并列设置两根墩柱，其特征在于，所述的两个墩柱之间横向间隔设置至少一个可更换耗能波纹钢连梁，每个可更换耗能波纹钢连梁包括可更换的波纹耗能段和加强连接段，所述的波纹耗能段包括上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板，所述的上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板固定连接，可更换耗能波纹钢连梁与墩柱之间通过节点相连；盖梁、墩柱和承台预留有预应力管道，通过贯穿预应力管道的后张预应力钢筋将三者连接。

本发明同时给出上述桥墩的施工方法，包括下列步骤：

(1)钢管混凝土墩柱采用预制方式施工，预留预应力管道，在可更换耗能波纹钢连梁的钢管混凝土墩柱侧面位置焊接端板，用于连接可更换耗能波纹钢连梁。

(2)盖梁以及承台采用现浇或预制的方式施工，并预留预应力管道，之后分别在盖梁的上部以及承台的下部设置锚固区。

(3)可更换耗能波纹钢连梁在盖梁、承台和双柱式钢管混凝土墩柱施工完毕后进行安装，与端板通过连接板进行螺栓连接。

(4)将预应力钢筋穿过盖梁、桥墩、承台的预应力管道，之后施加预应力分别上下端分别锚固于盖梁上部预置锚固区，以及承台下部预置锚固区。

本发明的实质性特点是：

所述的加强连接段所选用的钢材强度和厚度大于所述的波纹耗能段所选用的钢材强度和厚度。地震时可实现可更换耗能波纹钢连梁的损伤和变形主要集中在波纹耗能段上，从而减轻对桥墩整体损伤和破坏。震后通过更换可更换耗能波纹钢连梁，该桥墩能够快速修复，减少桥墩恢复正常使用功能的时间，有效提高了救灾效率。

所述的加强连接段上开设螺栓洞口。加强连接段采用工字钢梁，施工方便，传力明确可靠，可直接采购适合尺寸，提高施工效率。

所述的加强连接段和所述的端板通过所述的连接板由螺栓连接。螺栓连接便于可更换耗能波纹钢连梁的快速安装和更换，提高施工效率，减少震后该桥墩正常使用功能恢复时间。

所述的波纹耗能段包括上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板，所述的上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板通过焊接固定连接。耗能波纹钢腹板的设置，使得耗能波纹钢腹板具有更高的屈曲稳定性、平面外刚度以及侧向刚度，具有较高的抗剪承载力、面外稳定性和耗能能力，其全截面均可达到剪切屈服，材料利用率高。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

在盖梁7、墩柱1和承台16预留预应力管道5，盖梁7上部以及承台16下部设置锚固区，所述预应力钢筋6穿过预应力管道5，上下分别锚固于盖梁7上部以及承台16下部，在彼此交界处可发生张开和闭合以及有限的接触分离，代替传统桥墩固端塑性铰，可以产生良好的隔振、减振效果，如此构成整个桥墩的弹性复位组件，通过预应力钢筋6提供弹性复位力，墩柱借助弹性复位力在发生摇摆后自动恢复到初始位置，因此整个结构残余变形小，并具有可恢复性能，而又能实现预制装配，所以施工效率高。

在双肢墩柱1之间可更换地设置有至少一个可更换耗能波纹钢连梁2，此构件的抗剪承载力高、延性好、面外稳定性好及初始刚度大,能够显著提升双柱式钢管混凝土桥墩的整体耗能能力，并同时提高双柱式桥墩的强度和刚度，而且可更换耗能波纹钢连梁的“保险丝”作用能够吸收大部分地震能量，有效减少柱肢的损伤，震后只需对耗能波纹钢连梁进行更换，无需修复双柱式钢管混凝土桥墩主体结构，可快速恢复桥墩正常使用功能。

附图说明

图1是发明整体结构示意图。

图2是双柱墩横截面示意图。

图3是耗能波纹钢连梁与圆钢管混凝土墩柱节点示意图。

图4是可更换耗能波纹钢连梁示意图。

数字标记：钢管混凝土墩柱1，可更换耗能波纹钢连梁2，节点3，锚具4，预应力管道5，预应力钢筋6，盖梁7，端板8，连接板9，波纹耗能段10，加强连接段11，螺栓12，上翼缘13，下翼缘14，耗能波纹钢腹板15，承台16。

具体实施方式

结合实施例附图，对本发明进行详细说明：

如图1所示的带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩包括：盖梁7、墩柱1和承台16，盖梁7和承台16之间并列设置两根墩柱1，两个墩柱1之间横向间隔设置多个可更换耗能波纹钢连梁2。

如图1所示，在此具体实施例中，在盖梁7、墩柱1和承台16预留预应力管道5，盖梁7上部以及承台16下部设置锚固区，所述预应力钢筋6穿过预应力管道5，上下分别锚固于盖梁7上部以及承台16下部，在彼此交界处可发生张开和闭合，如此构成整个桥墩的弹性复位组件，通过预应力钢筋6提供弹性复位力，墩柱1借助弹性复位力在发生摇摆后自动恢复到初始位置，因此整个结构残余变形小，并具有可恢复性能，而又能实现预制装配，所以施工效率高。

如图1-3所示，在此具体实施例中，可更换耗能波纹钢连梁2与两墩柱1之间通过节点3相连。节点3包括端板8和连接板9，端板8为工字钢梁，端板8和连接板9上分别开设螺栓洞口。端板8与钢管混凝土桥墩1之间通过焊接固定连接。

如图4所示，在此具体实施例中，可更换耗能波纹钢连梁2包括可更换的波纹耗能段10，波纹耗能段10的两端分别设置有加强连接段11，通过两端的两个加强连接段11实现可更换耗能波纹钢连梁2与两个墩柱1的固定连接，加强连接段11起到连接和加强支承的作用。波纹耗能段10与加强连接段11之间通过焊接固定连接，施工简单，传力明确可靠。加强连接段11所选用的钢材强度和厚度大于波纹耗能段10所选用的钢材强度和厚度。地震时可实现可更换耗能波纹钢连梁2的损伤和变形主要集中在耗能段上，从而减轻对桥墩整体损伤和破坏。震后通过更换可更换耗能波纹钢连梁，该桥墩能够快速修复，减少桥墩恢复正常使用功能的时间，有效提高了救灾效率。

如图4所示，在此具体实施例中，加强连接段11为工字钢梁，加强连接段11上开设螺栓洞口。加强连接段11采用工字钢梁，施工方便，传力明确可靠，可直接采购适合尺寸，节省施工成本，提高施工效率。

如图3所示，在此具体实施例中，加强连接段11和端板8通过连接板9由螺栓12连接。螺栓12连接便于可更换耗能波纹钢连梁2的快速安装和更换，提高施工效率，减少该桥墩正常使用功能恢复时间。

如图4所示，在此具体实施例中，波纹耗能段包括上翼缘13、下翼缘14和耗能波纹钢腹板15，上翼缘13、下翼缘14和耗能波纹钢腹板15通过焊接固定连接。耗能波纹钢腹板15具有较高的屈曲稳定性、平面外刚度以及侧向刚度，具有较高的抗剪承载力、面外稳定性和耗能能力，其全截面均可达到剪切屈服，材料利用率高。

本发明带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩的具体施工步骤如下：

(1)钢管混凝土墩柱1可采用预制方式施工，预留预应力管道5，在设计安装可更换耗能波纹钢连梁2的钢管混凝土墩柱1侧面位置焊接端板8，用于连接可更换耗能波纹钢连梁2。

(2)盖梁7以及承台16可采用现浇或预制的方式施工，并预留预应力管道5。之后分别在盖梁7的上部以及承台16的下部设置锚固区。

(3)可更换耗能波纹钢连梁2在盖梁7、承台16和双柱式钢管混凝土墩柱1施工完毕后进行安装，与端板8通过连接板9进行螺栓12连接。

(4)将预应力钢筋6穿过盖梁7、桥墩1、承台16的预应力管道5，之后施加预应力分别上下端分别锚固于盖梁6上部预置锚固区，以及承台7下部预置锚固区。

Claims (5)

1.一种带可更换耗能波纹钢连梁的双柱式自复位钢管混凝土桥墩，包括盖梁、墩柱和承台，所述的盖梁和所述的承台之间并列设置两根墩柱，其特征在于，所述的两个墩柱之间横向间隔设置至少一个可更换耗能波纹钢连梁，每个可更换耗能波纹钢连梁包括可更换的波纹耗能段和加强连接段，所述的波纹耗能段包括上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板，所述的上翼缘、下翼缘和耗能波纹钢腹板固定连接，可更换耗能波纹钢连梁与墩柱之间通过节点相连；盖梁、墩柱和承台预留有预应力管道，通过贯穿预应力管道的后张预应力钢筋将三者连接。

2.根据权利要求1所述的双柱式钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述的加强连接段为工字钢梁。

3.根据权利要求1所述的双柱式钢管混凝土桥墩，其特征在于，加强连接段设置在波纹耗能段的两端。

4.根据权利要求1所述的双柱式钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述的钢管混凝土墩柱底部双面角焊多个加劲肋，所述的钢管混凝土墩柱与所述的承台之间用高强螺栓连接。

5.权利要求1所述的桥墩的施工方法，包括下列步骤：

(1)钢管混凝土墩柱采用预制方式施工，预留预应力管道，在可更换耗能波纹钢连梁的钢管混凝土墩柱侧面位置焊接端板，用于连接可更换耗能波纹钢连梁。

(2)盖梁以及承台采用现浇或预制的方式施工，并预留预应力管道，之后分别在盖梁的上部以及承台的下部设置锚固区。

(3)可更换耗能波纹钢连梁在盖梁、承台和双柱式钢管混凝土墩柱施工完毕后进行安装，与端板通过连接板进行螺栓连接。

(4)将预应力钢筋穿过盖梁、桥墩、承台的预应力管道，之后施加预应力分别上下端分别锚固于盖梁上部预置锚固区，以及承台下部预置锚固区。

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