CN112853933A - 一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩 - Google Patents

Abstract

一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，包括预制钢管混凝土节段和损伤元构件，损伤元构件包括两个耗能环，耗能环由开口相对的拱形部分和V形部分组成，两个耗能环的拱形部分分别固定在相邻的钢管节段上，两个耗能环的V形部分重叠并通过固定件固定在一起，重叠的V形部分之间还夹有软钢。本发明的节段预制拼装钢管混凝土桥墩通过在节段界面设置可拆卸的损伤元构件来提高接缝处的抗剪承载力，并且在预期地震作用下，各接缝处开口均匀分布桥墩节段保持弹性或有轻微塑性发展，损伤可集中于损伤元件，地震后通过更换损伤元件使结构恢复正常使用。通过耗能环与软钢之间的错层连接，达到一层一层破坏的需求，达到多层耗能的目的。

Description

一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，具体涉及一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩。

背景技术

随着我国经济发展和交通总量的增加，国内交通网络的高速建设，桥梁的应用越来越广泛。大量的跨海桥梁、深山里的峡谷高架桥、高速公路桥、轨道铁路桥以及市内交通的快速路高架桥和枢纽立交桥等已经在规划修建中，当前我国桥梁上部结构建造中已较多使用预制拼装技术，大大提高了现场施工效率和构件质量，但下部结构建造仍主要以人工绑扎、现场浇筑为主，暴露出一系列的弊端，如需要大量的劳动力、施工周期长，对既有道路交通影响大，社会影响面大，粉尘、泥浆、噪声、灯光等对环境干扰大，所以难以满足文明施工要求。另外，粗放型的施工模式导致行业整体能耗高等，对已经是建成区的城市造成了更大的压力。

相对于传统的现浇混凝土桥墩，预制桥墩体系有以下优势：解决临近营业线的施工干扰问题；墩柱节段工厂化预制，提高墩柱质量；缩短现场施工时间，节省工期；减小施工对桥下和周围环境或环境敏感地区的影响；减少对桥位处繁忙地带的交通干扰；保障在高空、海上、高速公路等危险地带施工作业人员安全；可降低桥梁的全寿命成本。

但是，由于此类技术的抗震性能的研究仍然亟需进展，预制拼装混凝土桥墩技术的应用都主要集中在非强震地区。对于节段拼装桥墩而言，当桥墩遭受地震作用时，由于节段接面在大偏压状态下允许受拉面接缝张开，一方面使结构失去了由钢筋受拉变形的能量耗散，使得桥墩节段极有可能被压碎的同时，其自身耗能能力不足；另一方面，若地震作用侧向力使得无粘结预应力节桥墩发生节段间的侧向位移，将使桥墩发生难以复原的剪切位移，并产生剪切破坏，两方面的情况使预制拼装桥墩的抗震能力受到了极大的影响。在此基础上，若用钢管束缚其横向位移，预制节段拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力和自复位能力都能够得到提升。

同时，除常规减震耗能构造(采用纤维混凝土，外置钢管以约束混凝土及设置纵向耗能钢筋)外，仍需研究能够同时提高桥墩抗侧剪力及耗能能力的外置耗能装置；从经济实用角度出发，此类耗能装置需安置简单且易更换、易检查。

发明内容

【技术问题】

现有节段拼装桥墩的抗震能力和自复位能力不足。

【技术方案】

本发明的目的是提出一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，采用可更换的新型外置多层耗能装置，在提高预制拼装桥墩的节段间剪力、防止节段间错动的同时，提高桥墩的自复位能力并改善桥墩的抗震性能。本发明的技术方案具体如下：

一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，包括若干预制钢管混凝土节段和损伤元构件，预制钢管混凝土节段由外部的钢管节段和内部的混凝土构成，损伤元构件包括两个耗能环，耗能环由开口相对的拱形部分和V形部分组成，两个耗能环的拱形部分分别固定在相邻的钢管节段上，两个耗能环的V形部分重叠并通过固定件固定在一起，重叠的V形部分之间还夹有软钢。

进一步的，所述软钢上具有腰型槽，固定件由腰型槽穿过。

进一步的，所述腰型槽为两个，两个腰型槽对称分布于软钢上，所述腰型槽的开口方向平行于预制钢管混凝土节段，所述固定件为螺栓。

进一步的，所述若干预制钢管混凝土节段中具有若干贯通的中间孔道，中间孔道内具有预应力筋，预应力筋的两端固定在若干预制钢管混凝土节段中的顶部节段的顶端和底部节段的底端。

进一步的，所述若干预制钢管混凝土节段中的顶部节段的顶端和底部节段的底端具有锚具，所述预应力筋的两端固定在锚具上。

进一步的，所述中间孔道为五个，五个中间孔道分别位于所述预制钢管混凝土节段中的中部和四角。

进一步的，还包括预制承台，预制承台中部具有插入孔，所述底部节段下部插入插入孔中。

进一步的，所述底部节段下部与所述预制承台间具有具有凹凸面契合的剪力键。

进一步的，相邻的预制钢管混凝土节段节缝间具有凹凸面契合的剪力键。

本发明还提供了上述节段预制拼装钢管混凝土桥墩的施工方法，包括：

工厂制作预制钢管混凝土节段，底节段和顶节段分别设置一定长度的杯口连接段，用于放置后张预应力锚具。采用板材焊接的矩形钢管，其焊缝宜采用坡口熔透焊缝。按设计在钢管节段端部预留螺栓孔及预应力孔道预埋螺杆在预留螺栓孔处由钢管内向外穿出，与钢管节段内部进行点焊固定。浇筑混凝土振捣，进行养护。

各节段养护完成后，在预制工厂直接进行卧位拼装。首先将底节段固定在胎架上，然后依次拼接其他节段，待所有节段在胎架上准确定位后，从中间孔道内穿入后张预应力筋；根据需要选择单侧张拉或两侧张拉，施加预应力，并往所述预应力孔道内注浆封闭，封锚并浇筑支座垫石，使各节段连成整体；待两端锚具区封锚固结后，整体翻转使墩身竖直放置于堆放区。预应力孔道可采用波纹管或圆套管或抽拔管形成。

待所有预制构件制作完成后，将其运输至施工现场。在正式吊装预制墩身之前，需要将承台的插入孔孔壁和桥墩插入高度四周凿毛润湿，保证不留残渣浮尘，孔底无明显积水。

在承台插入孔底面设置垫块，并铺设一定厚度的砂浆垫层。然后利用起重设备将预制桥墩吊起插入承台，精确定位后，在承台与桥墩之间灌浆填缝。填缝时利用导管从底部向上排浆，使桥墩与插入孔之间的间隙被填实。

将损伤元构件通过高强螺栓帽和预埋螺杆固定在相邻钢管节段衔接处。最后完成节段预制桥墩的拼装。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、自复位能力强。本发明的采用钢管混凝土桥墩桥墩节段，以抗压和抗拉受力性能上的优势以及其施工便捷、焊接及高强螺栓连接方便可靠等特点为基础，通过无粘结预应力钢筋和节段干接缝提供桥墩自复位能力。

2、抗剪承载力提高。通过在节段界面设置可拆卸的损伤元构件来提高接缝处的抗剪承载力，并且在预期地震作用下，各接缝处开口均匀分布桥墩节段保持弹性或有轻微塑性发展，损伤可集中于损伤元，地震后通过更换损伤元使结构恢复正常使用。

3、耗能能力强。通过耗能环与软钢之间的错层连接，达到一层一层破坏的需求，达到多层耗能的目的。

4、可修复能力强。对于预制节段拼装桥墩而言，损伤元构件的安装能够在一定程度上承担节段接缝间的损伤，且损伤元构件的安装决定了其易更换的特点，这使其能够更好地在地震中保护桥墩主体，使其不发生较大的塑性破坏，在更换耗能环后能继续投入使用，这些都有利于节段拼装桥墩的震后抢救与修复。

5、低残余位移。对于整体现浇桥墩而言，安装了损伤元构件的预制节段拼装桥墩在改善传统的预制节段拼装桥墩耗能不足的基础上，最重要的是其仍然能维持预制节段拼装低残余位移的性能，免于陷入整体现浇桥墩震后残余位移过大的问题中。

6、提高抗腐蚀能力，与空气直接连通的预应力筋均采用高耐久性材料，增加结构寿命。

7、节段接缝采用剪力键形式，可有效增强墩身整体性，提高抗剪能力，在预应力损失等极端情况下避免接缝的剪切破坏。

8、张拉工序在工厂完成，避免了现场吊装时大量的高空作业，能够有效保证了构件拼接质量。

附图说明

图1为预制钢管混凝土节段结构示意图。

图2为节段预制拼装钢管混凝土桥墩剖面图。

图3为损伤元构件结构示意图。

图4为软钢结构示意图。

图5为预制节段的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

如图1-5所示，一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，包括若干预制钢管混凝土节段2和损伤元构件3，相邻的预制钢管混凝土节段2节缝间具有凹凸面契合的剪力键4。预制钢管混凝土节段2由外部的钢管节段和内部的混凝土5构成，损伤元构件3包括两个耗能环10，耗能环10由开口相对的拱形部分和V形部分组成，两个耗能环10的拱形部分分别固定在相邻的钢管节段上，两个耗能环10的V形部分重叠并通过固定件固定在一起，重叠的V形部分之间还夹有软钢12。软钢12上具有腰型槽13，固定件由腰型槽13穿过。腰型槽13为两个，两个腰型槽13对称分布于软钢12上，所述腰型槽13的开口方向平行于预制钢管混凝土节段2，所述固定件为螺栓。

各预制钢管混凝土节段2中具有五个贯通的中间孔道14，五个中间孔道14分别位于预制钢管混凝土节段2中的中部和四角。中间孔道14内具有预应力筋1，预制钢管混凝土节段2中的顶部节段的顶端和底部节段的底端具有锚具7，所述预应力筋1的两端固定在锚具7上。

桥墩底部还具有预制承台8，预制承台8中部具有插入孔，底部节段下部插入插入孔中。底部节段下部与所述预制承台8间具有具有凹凸面契合的剪力键6。

节段预制拼装钢管混凝土桥墩的施工方法，包括：

工厂制作预制钢管混凝土节段2，底节段和顶节段分别设置一定长度的杯口连接段，用于放置后张预应力锚具7。采用板材焊接的矩形钢管，其焊缝宜采用坡口熔透焊缝。按设计在钢管节段端部预留螺栓孔及预应力孔道14预埋螺杆9在预留螺栓孔处由钢管内向外穿出，与钢管节段内部进行点焊固定。浇筑混凝土振捣，进行养护。

各节段养护完成后，在预制工厂直接进行卧位拼装。首先将底节段固定在胎架上，然后依次拼接其他节段，待所有节段在胎架上准确定位后，从中间孔道14内穿入后张预应力筋1；根据需要选择单侧张拉或两侧张拉，施加预应力，并往所述预应力孔道14内注浆封闭，封锚并浇筑支座垫石，使各节段连成整体；待两端锚具7区封锚固结后，整体翻转使墩身竖直放置于堆放区。预应力孔道可采用波纹管或圆套管或抽拔管形成。

待所有预制构件制作完成后，将其运输至施工现场。在正式吊装预制墩身之前，需要将承台8的插入孔孔壁和桥墩插入高度四周凿毛润湿，保证不留残渣浮尘，孔底无明显积水。

在预制承台8插入孔底面设置垫块，并铺设一定厚度的砂浆垫层。然后利用起重设备将预制桥墩吊起插入预制承台8，精确定位后，在预制承台8与桥墩之间灌浆填缝。填缝时利用导管从底部向上排浆，使桥墩与插入孔之间的间隙被填实。

将损伤元构件3通过高强螺栓帽和预埋螺杆9固定在相邻钢管节段衔接处。最后完成节段预制桥墩的拼装。

本发明的节段预制拼装钢管混凝土桥墩通过在节段界面设置可拆卸的损伤元构件来提高接缝处的抗剪承载力，并且在预期地震作用下，各接缝处开口均匀分布桥墩节段保持弹性或有轻微塑性发展，损伤可集中于损伤元件，地震后通过更换损伤元件使结构恢复正常使用。通过耗能环与软钢之间的错层连接，达到一层一层破坏的需求，达到多层耗能的目的。

对于预制节段拼装桥墩而言，损伤元构件的安装能够在一定程度上承担节段接缝间的损伤，且损伤元构件的安装决定了其易更换的特点，这使其能够更好地在地震中保护桥墩主体，使其不发生较大的塑性破坏，在更换耗能环后能继续投入使用，这些都有利于节段拼装桥墩的震后抢救与修复。

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，包括若干预制钢管混凝土节段(2)和损伤元构件(3)，预制钢管混凝土节段(2)由外部的钢管节段和内部的混凝土(5)构成，损伤元构件(3)包括两个耗能环(10)，耗能环(10)由开口相对的拱形部分和V形部分组成，两个耗能环(10)的拱形部分分别固定在相邻的钢管节段上，两个耗能环(10)的V形部分重叠并通过固定件固定在一起，重叠的V形部分之间还夹有软钢(12)。

2.根据权利要求1所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述软钢(12)上具有腰型槽(13)，固定件由腰型槽(13)穿过。

3.根据权利要求1所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述腰型槽(13)为两个，两个腰型槽(13)对称分布于软钢(12)上，所述腰型槽(13)的开口方向平行于预制钢管混凝土节段(2)，所述固定件为螺栓。

4.根据权利要求1所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述若干预制钢管混凝土节段(2)中具有若干贯通的中间孔道(14)，中间孔道(14)内具有预应力筋(1)，预应力筋(1)的两端固定在若干预制钢管混凝土节段(2)中的顶部节段的顶端和底部节段的底端。

5.根据权利要求4所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述若干预制钢管混凝土节段(2)中的顶部节段的顶端和底部节段的底端具有锚具(7)，所述预应力筋(1)的两端固定在锚具(7)上。

6.根据权利要求4所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述中间孔道(14)为五个，五个中间孔道(14)分别位于所述预制钢管混凝土节段(2)中的中部和四角。

7.根据权利要求4所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，还包括预制承台(8)，预制承台(8)中部具有插入孔，所述底部节段下部插入插入孔中。

8.根据权利要求7所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述底部节段下部与所述预制承台(8)间具有具有凹凸面契合的剪力键(6)。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种具有可恢复功能的节段预制拼装钢管混凝土桥墩，其特征在于，其特征在于，相邻的预制钢管混凝土节段(2)节缝间具有凹凸面契合的剪力键(4)。

10.权利要求9中节段预制拼装钢管混凝土桥墩的施工方法，其特征在于，包括：

S1：制作预制钢管混凝土节段，底部节段和顶部节段分别设置一定长度的杯口连接段，用于放置后张预应力锚具；焊接的矩形钢管，并在钢管节段端部预留螺栓孔和预应力孔道，预埋螺杆在预留螺栓孔处由钢管内向外穿出，与钢管节段内部进行点焊固定；之后，浇筑混凝土振捣，进行养护；

S2：在预制工厂直接进行卧位拼装；首先将底节段固定在胎架上，然后依次拼接其他节段，待所有节段在胎架上准确定位后，从中间孔道内穿入后张预应力筋；根据需要选择单侧张拉或两侧张拉，施加预应力，并往所述预应力孔道内注浆封闭，封锚并浇筑支座垫石，使各节段连成整体；待两端锚具区封锚固结后，整体翻转使墩身竖直放置于堆放区；预应力孔道可采用波纹管或圆套管或抽拔管形成；

S3：待所有预制构件制作完成后，将其运输至施工现场；在承台插入孔底面设置垫块，并铺设一定厚度的砂浆垫层；然后利用起重设备将预制桥墩吊起插入承台，精确定位后，在承台与桥墩之间灌浆填缝；填缝时利用导管从底部向上排浆，使桥墩与插入孔之间的间隙被填实；

S4：将损伤元构件通过高强螺栓帽和预埋螺杆固定在相邻钢管节段衔接处，完成节段预制桥墩的拼装。

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