CN111733692A - 一种节段预压装配式混凝土桥墩结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节段预压装配式混凝土桥墩结构及其施工方法，装配式桥墩包括预制非塑性铰区段、含塑性铰区段、混凝土承台和预应力体系、预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道。所述预制非塑性铰区段、含塑性铰区段、混凝土承台从上至下依次首尾相接，预应力筋穿过预制非塑性铰区段、含塑性铰区段内部预留预应力孔道，张拉端设置于桥墩顶部，固定端设置于桥墩底部预估塑性铰区域上方。本发明公开的节段预压装配式混凝土桥墩结构具有施工简便、节段分段自由、耐久性能好、全寿命周期成本低等优点。同时，预应力筋下方固定端锚固位置高于墩底塑性铰区，可降低塑性铰区的轴压比，有效提升桥墩的抗震性能。

Description

一种节段预压装配式混凝土桥墩结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种节段预压装配式混凝土桥墩结构及其施工方法。

背景技术

现有的桥梁结构中，桥梁下部桥墩体系大多采用现浇施工方式，会造成桥梁建设工期冗长、桥位附近的生态及生活环境劣化等问题，与高效率、生态化的交通基础设施建造理念相悖。而预制拼装技术具有施工快、质量好、对环境影响小等优点，可有效应用于桥墩结构的建设过程中。

现有的预制装配桥墩多采用钢筋混凝土结构，墩身的预制节段间连接多采用灌浆套筒或灌浆波纹管等锚固连接方式。预留钢筋在预制构件上的外伸造成预制支模困难，运输吊装过程中还需小心操作避免碰撞所导致的钢筋变形，预留钢筋与连接套筒间的对接及灌浆耗时费力、工作效率低下、拼接质量不易得到保证。为减小拼接工作量，墩身多采用整体预制，由此对吊装设备提出了更高的要求，特别是大尺寸墩柱结构中吊装能力往往成为瓶颈问题。另一方面，钢筋混凝土装配式桥墩在吊装与使用过程中多存在开裂情况，影响结构的耐久性能，增加了结构全寿命周期成本。采用预应力装配式技术可以有效缓解甚至完全解决以上问题。预应力既是一种拼接手段，同时预应力筋可以作为受力主筋替代钢筋，预应力筋的高强特性可以节省材料的使用，同时其通长特性可以减少接缝普通钢筋的锚固连接数量甚至无需锚固连接。施工阶段预应力技术对接缝提供预压应力，可有效提升接缝的拼接质量。服役期预应力提供的压应力可以减少甚至避免结构使用期出现裂缝，提升结构的耐久性，减少服役期全寿命周期的成本。预应力装配式技术已经广泛应用于桥梁上部结构建设，桥梁墩柱结构特别是中小跨径特大桥墩柱结构中采用预应力装配式技术更能体现装配式结构的品质化和绿色化。

预应力装配式桥墩具有诸多优势，但在某些方面存在不足，预应力筋在提供预压荷载的同时会增加墩柱结构的轴压比。我国处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震断裂带发育显著，地震作为一种自然灾害，是土木工程结构物安全性能可能受到的最大威胁之一，其发生具有瞬时性与不确定性。近十余年中发生的多起强震已造成巨大的人员伤亡和经济损失，因此良好的抗震性能和抗震能力是工程结构必须具备的重要特性。历次地震灾害调查表明，地震作用引起的桥梁下部结构的破坏较为常见。在地震作用下，桥墩在承受上部结构传来的竖向荷载的同时，还要受到往复的水平荷载作用，墩底部位内力最大。地震时，桥墩底部容易形成塑性铰，利用其塑性性能耗散地震能量，即潜在的塑性铰区域为墩底位置。轴压比是影响结构抗震性能的重要指标，一般轴压比越大，桥墩塑性铰区域的转动能力越差，耗散地震能量的能力以及桥墩结构的抗震性能也就越差。

现有的常规思路中，为提高预应力装配式桥墩底部的抗震性能，可采取多种方法，如对墩底节段采用钢管约束或包裹FRP纤维布、在墩底混凝土中添加纤维增强水泥基复合材料等进行加强，如在墩底侧面额外设置耗能组件吸收地震能量等，这些手段可起到良好的损伤控制效果，但同时也增加了设计和施工的复杂程度，对经济性不利。

现有的预应力节段装配式桥墩，通过张拉预应力筋产生的预应力效应将整个结构连成一体，除部分未明确预应力筋底部锚固端的具体位置外，其余预应力筋均穿过墩底塑性铰区域锚固在混凝土承台底部。

已公开的几项专利中，中国发明专利CN 102493335 A公开了一种预制预应力钢管混凝土桥墩，将桥墩整体分成一定长度的预制段，在工厂预制完成后并运输到现场吊装、组装，利用预应力钢束施加预应力来加强各桥墩预制段之间的连接，但该发明未指明预应力钢束底部锚固端的具体高度要求。

中国发明专利CN 110565533 A公开了分节预制拼装桥墩及其施工方法，虽采用预应力筋将各预制节段连为一体，但该发明同样未强调预应力钢束底部锚固端的具体高度要求。

中国实用新型专利CN 209227365 U公开了一种可更换附加软钢的自复位装配式桥墩，使用无粘结预应力钢筋将预制桥墩节段和混凝土承台连为一体，并在桥墩底部用螺栓锚具将附加软钢与桥墩纵筋和混凝土承台纵筋连接，依靠附加软钢在一定程度上减少结构残余变形、消耗地震能量，无粘结预应力钢筋下端的固定端锚具埋设在预制混凝土承台底部。

现有预应力装配式墩柱结构中预应力筋穿过底部塑性铰区域，下端均锚固于混凝土承台底部，这是工程实践中的长期经验和惯用做法导致的。预应力技术的主要功能在于控制结构裂缝开展，在早期的混凝土梁板结构中使用预应力技术时，通常使预应力筋贯通构件全长，锚固装置设置在构件两端，可以很好地防止梁体开裂。因此预应力装配式技术引入桥梁墩柱结构后，传统的观点是将桥墩视作悬臂柱，其与预应力混凝土梁板结构中的悬臂梁具有一定的共性，对于悬臂式结构而言，剪力引起的根部弯矩最大，是结构裂缝控制的关键部位。传统做法中将过去预应力悬臂梁结构的技术特征迁移至预压装配桥墩结构，锚固装置也设置在桥墩两端，同样有利于控制桥墩底部（根部）的裂缝。这种做法客观上还能起到改善桥墩自复位效果等有利作用。然而，对于桥梁墩柱结构而言，正常使用荷载工况及小震下桥墩底部以承受轴向压力为主，仅在强烈地震下水平力会引起较大的墩底弯矩，该处的裂缝控制并不是其受力过程中面临的主要问题，相反地，在桥墩底部设置预应力筋会造成此区域轴压比增加，降低墩柱结构的抗震耗能能力，对结构的抗震性能不利。而预应力作为有效的拼接手段，非塑性铰区段希望通过其提供足够的压应力来保证桥墩的整体性。墩柱结构中不同位置对预应力的需求不一致，现有预应力装配式桥墩结构中预应力的优势与墩柱的抗震性能是一个矛盾体，两者不可兼得。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种节段预压装配式混凝土桥墩结构及其施工方法，旨在解决现有拼缝处锚固连接的装配式桥墩施工复杂、耐久性能差、分段受限等问题和现有预应力装配式桥墩中预应力影响结构抗震性能的问题。使用预应力筋将混凝土墩柱非塑性铰区段相连，预应力筋下方固定端设置于墩底塑性铰区域的上方，用于减小塑性铰区域的轴压比、保证结构具有优异的耗能能力及抗震性能。此新型结构形式可有效提升施工效率，减少施工现场工作量。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，包括：

预制非塑性铰区段，为整体预制节段或由多个预制非塑性铰区节段由上至下依次连接组合而成；

底部混凝土承台，设置在混凝土桥墩的最底部；

含塑性铰区段，设置在所述预制非塑性铰区段和底部混凝土承台之间；

预应力筋，贯穿所述预制非塑性铰区段和所述含塑性铰区段设置，其上端穿过所述预制非塑性铰区段的顶部后通过张拉端锚固装置与所述预制非塑性铰区段顶部固定连接；其下端通过固定端锚固装置固定在所述含塑性铰区段内，并与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接；

预应力筋张拉后，节段预压装配式混凝土桥墩成为整体；

所述固定端锚固装置处于所述含塑性铰区段内预估塑性铰区的上部。

所述预估塑性铰区的高度为含塑性铰区段内箍筋加密区的长度。

所述预制非塑性铰区段和含塑性铰区段中设有供所述预应力筋穿过的孔道。

所述底部混凝土承台与含塑性铰区段整体浇筑成型。

所述含塑性铰区段和混凝土承台分别预制，含塑性铰区段的纵向钢筋需在交界面处预留一段外伸长度，混凝土承台对应位置的纵向锚固钢筋上端预埋钢筋连接件，含塑性铰区段的纵向钢筋与混凝土承台的纵向锚固钢筋通过钢筋连接件相连。

所述预制非塑性铰区段上部设置预制盖梁。

一种所述节段预压装配式混凝土桥墩结构的施工方法，包括以下几个步骤：

第一步，制作预制非塑性铰区段、含塑性铰区段和混凝土承台，准备预应力筋；其中，预制非塑性铰区段和含塑性铰区段中分别预设有供预应力筋穿过的孔道；所述固定端锚固装置处于所述含塑性铰区段内预估塑性铰区的上部，并与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接；

第二步，将预制非塑性铰区段和含塑性铰区段依次吊装到位，保证预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道上、下对齐；

第三步，将预应力筋从上向下依次穿过预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道，当预应力筋下端插入预埋于含塑性铰区段内的固定端锚固装置后形成有效锚固；

第四步，将张拉端锚固装置固定于预制非塑性铰区段的最上部，并将预应力筋上端穿入其中，张拉预应力筋形成锚固。

第五步，在预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道内灌注水泥砂浆。

多个所述预制非塑性铰区节段之间、预制非塑性铰区段与含塑性铰区段之间均可根据水平抗剪承载力需求选择设置或不设置抗剪键齿。

当所述含塑性铰区段和混凝土承台分别预制时，所述含塑性铰区段与混凝土承台之间可根据水平抗剪承载力需求选择设置或不设置抗剪键齿。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）塑性铰区段配置普通钢筋，有效保证结构的耗能能力。预应力筋不穿过塑性铰区，可以减小塑性铰区的轴压比，提升结构抗震性能；

（2）预应力筋是非塑性铰区的主要受力钢筋，可减少普通钢筋的使用量。同时利用预应力钢筋的通长连接，避免非塑性铰区拼缝处普通钢筋复杂的锚固连接；

（3）由于避免了拼缝处普通纵向钢筋的连接，预制桥墩节段可以根据运输和吊装需要确定节段高度，适应各种条件尤其是复杂运输条件下的工程项目建设。

附图说明

图1为本发明桥墩底部含塑性铰区段与混凝土承台整体浇筑的结构形式图；

图2为本发明桥墩底部含塑性铰区段按“等同现浇”设计理论设计成预制节段的结构形式图。

其中，1、预制非塑性铰区段；2、含塑性铰区段；3、混凝土承台；4、预应力体系；41、预应力筋；42、张拉端锚固装置；43、固定端锚固装置；51、预制非塑性铰区段孔道；52、含塑性铰区段孔道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，当桥墩底部含塑性铰区段2与混凝土承台3整体浇筑时，整体预制或分节段预制而成的实心/空心截面预制非塑性铰区段1位于含塑性铰区段2的上方，含塑性铰区段2与混凝土承台3整体浇筑成型，且含塑性铰区段2的纵向钢筋与混凝土承台3的纵向锚固钢筋竖向贯通。

预制非塑性铰区段1内留设有预制非塑性铰区段孔道51，含塑性铰区段2内留设有含塑性铰区段孔道52，两者上下对齐。

预应力体系4中包含连续布置的预应力筋41、张拉端锚固装置42和固定端锚固装置43。预应力筋41从上向下依次穿过预制非塑性铰区段孔道51和含塑性铰区段孔道52，其上端穿入张拉端锚固装置42有效固定，其下端插入固定端锚固装置43有效固定。张拉端锚固装置42固定于预制非塑性铰区段1的上部。

固定端锚固装置43预埋于含塑性铰区段2中预估塑性铰区的上部，其底部距混凝土承台3顶面的高度应大于预估塑性铰区高度，并与含塑性铰区段2的纵向钢筋可靠连接。

如图2所示，作为本发明的一种改进，当桥墩底部含塑性铰区段按“等同现浇”设计理论单独预制时，含塑性铰区段2与混凝土承台3之间存在拼接交界面。含塑性铰区段2的纵向钢筋需在交界面处预留一段外伸长度，混凝土承台3对应位置的纵向锚固钢筋上端预埋钢筋连接件，含塑性铰区段2的纵向钢筋与混凝土承台3的纵向锚固钢筋通过钢筋连接件相连。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，现将本发明的设计和施工安装过程进行说明：

（1）根据桥墩的截面尺寸、高度、配筋等相关设计参数，依据相关规范估算出桥墩底部的塑性铰区高度，同时根据现场吊装能力等条件划分预制非塑性铰区节段长度。

桥墩底部的塑性铰区高度是指墩底实际会发生严重塑性破坏的区域范围。下面以将本发明提出的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构应用于国内公路桥梁之中为例进行说明。

中华人民共和国行业性推荐标准《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020，以下简称“《规范》”）第3.4.2条给出了连续梁、简支梁柱墩底部的潜在塑性铰区域示意图，但未明确给出潜在塑性铰区域范围的计算公式。

《规范》第8.2.1条指出抗震设防烈度较高的地区内常规桥梁墩柱潜在塑性铰区应采取箍筋加密的延性构造细节设计，并对箍筋加密区的长度选取方法进行了规定。

《规范》第8.2.3条指出墩柱潜在塑性铰加密区外箍筋的配箍率应逐渐减小。考虑到该处箍筋的主要作用之一是约束墩底塑性铰区域内的混凝土，而《规范》在确定墩底箍筋加密区长度时已偏保守地使其包含全部潜在塑性铰区域范围，故可近似将墩底箍筋加密区长度作为塑性铰区高度。当本发明应用于其他类型桥梁结构中时，亦可采取类似的方法来近似确定墩底塑性铰区高度。

（2）在构件厂按设计尺寸加工制作预制非塑性铰区段。

当采用含塑性铰区段与混凝土承台整体浇筑方式时，应整体绑扎混凝土承台和含塑性铰区段的钢筋，将固定端锚固装置预埋于含塑性铰区段中预估塑性铰区的上部，固定端锚固装置与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接，整体浇筑非塑性铰区段和混凝土承台混凝土；

当采用含塑性铰区段单独预制方式时，在构件厂预制含塑性铰区段，在现场浇筑混凝土承台，含塑性铰区段的纵向钢筋下端需预留一段外伸长度，混凝土承台对应位置的纵向锚固钢筋上端预埋钢筋连接件，固定端锚固装置预埋于含塑性铰区段内指定位置并与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接。

（4）将各个预制组件按顺序进行组装，保证各组件内预留预应力孔道截面中心竖向对齐。如采用含塑性铰区段单独预制方式时，需将含塑性铰区段的纵向钢筋可靠锚固于混凝土承台内。

（5）将预应力筋依次穿入预留的孔道，预应力筋下端插入预埋于含塑性铰区段内的固定端锚固装置中并形成有效固定。

（6）在预应力筋上端穿入张拉端锚固装置，张拉预应力筋使混凝土桥墩形成结构。如果顶部设有盖梁，可将盖梁一起采用预应力筋进行连接。

Claims (9)

1.一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，包括：

预制非塑性铰区段，为整体预制节段或由多个预制非塑性铰区节段由上至下依次连接组合而成；

底部混凝土承台，设置在混凝土桥墩的最底部；

含塑性铰区段，设置在所述预制非塑性铰区段和底部混凝土承台之间；

预应力筋，贯穿所述预制非塑性铰区段和所述含塑性铰区段设置，其上端穿过所述预制非塑性铰区段的顶部后通过张拉端锚固装置与所述预制非塑性铰区段顶部固定连接；其下端通过固定端锚固装置固定在所述含塑性铰区段内，并与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接；

预应力筋张拉后，节段预压装配式混凝土桥墩成为整体；

其特征在于，所述固定端锚固装置处于所述含塑性铰区段内预估塑性铰区的上部。

2.根据权利要求1所述的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，其特征在于，所述预估塑性铰区的高度为含塑性铰区段内箍筋加密区的长度。

3.根据权利要求1所述的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，其特征在于，

所述预制非塑性铰区段和含塑性铰区段中设有供所述预应力筋穿过的孔道。

4.根据权利要求1所述的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，其特征在于，所述底部混凝土承台与含塑性铰区段整体浇筑成型。

5.根据权利要求1所述的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，其特征在于，所述含塑性铰区段和混凝土承台分别预制，含塑性铰区段的纵向钢筋需在交界面处预留一段外伸长度，混凝土承台对应位置的纵向锚固钢筋上端预埋钢筋连接件，含塑性铰区段的纵向钢筋与混凝土承台的纵向锚固钢筋通过钢筋连接件相连。

6.根据权利要求1所述的一种节段预压装配式混凝土桥墩结构，其特征在于，所述预制非塑性铰区段上部设置预制盖梁。

7.一种如权利要求1至6中任一所述节段预压装配式混凝土桥墩结构的施工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

第一步，制作预制非塑性铰区段、含塑性铰区段和混凝土承台，准备预应力筋；其中，预制非塑性铰区段和含塑性铰区段中分别预设有供预应力筋穿过的孔道；所述固定端锚固装置处于所述含塑性铰区段内预估塑性铰区的上部，并与含塑性铰区段的纵向钢筋可靠连接；

第二步，将预制非塑性铰区段和含塑性铰区段依次吊装到位，保证预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道上、下对齐；

第三步，将预应力筋从上向下依次穿过预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道，当预应力筋下端插入预埋于含塑性铰区段内的固定端锚固装置后形成有效锚固；

第四步，将张拉端锚固装置固定于预制非塑性铰区段的最上部，并将预应力筋上端穿入其中，张拉预应力筋形成锚固；

第五步，在预制非塑性铰区段孔道和含塑性铰区段孔道内灌注水泥砂浆。

8.根据权利要求7所述节段预压装配式混凝土桥墩结构的施工方法，其特征在于，多个所述预制非塑性铰区节段之间、预制非塑性铰区段与含塑性铰区段之间均根据水平抗剪承载力需求选择设置或不设置抗剪键齿。

9.根据权利要求7所述节段预压装配式混凝土桥墩结构的施工方法，其特征在于，当所述含塑性铰区段和混凝土承台分别预制时，所述含塑性铰区段与混凝土承台之间根据水平抗剪承载力需求选择设置或不设置抗剪键齿。

Images