CN113389135A - 具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，由承台、下部桥墩、上部桥墩、纵向钢筋、灌浆套筒、立体马牙槎、纤维混凝土、低屈服点金属圆管、高强金属板、万向铰、加固层共同组成。具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩制作简单、安装方便，现场拼装时下部桥墩上顶面及上部桥墩下底面的立体马牙槎相互插接，并由纤维混凝土填充立体马牙槎周围空隙，有效增加粘结面积，同时在桥墩拼装截面位置处设置加固层，提高装配式桥墩的整体性能。在地震作用下，由布置于桥墩下部耗能支撑发挥减震效果，通过低屈服点金属圆管及其内部纤维混凝土的变形耗散外界能量，保证桥梁结构在震后的正常使用。

Description

具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩

技术领域

本发明涉及一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，该发明施工简单、现场安装方便、整体性能强，拼接截面位置远离塑性铰区域，在地震作用下通过布置于下部桥墩侧面及承台顶面间的耗能支撑耗散地震能量。本发明属于桥梁建造及抗震、减震技术领域。

背景技术

在桥梁建造过程中，要求在保证结构安全性和可靠性的前提下，最大限度提高施工速度、保证施工质量、降低环境污染、减小施工成本。传统的钢筋混凝土桥墩施工建造通常采用现场浇筑，具有施工周期长、湿作业多、对环境破坏严重、结构质量得不到保证等不足。因此，为满足桥梁建造的要求，预制装配式桥墩应运而生。

装配式桥墩施工技术将桥墩划分为多个组件由工厂进行预制，待组件的强度满足要求后运输到施工现场进行安装。装配式桥墩在整个施工过程中具有不需要架设模板，施工速度快、对环境影响小、对施工人员的需求量低等优势，在城市及山区高架桥、跨海大桥中得到了广泛应用。然而目前采用砂浆进行现场连接的装配式桥墩，接头多采用平面接缝形式，难以消除组件间可能发生的剪切错动，其整体性能不如现浇式桥墩。因此有必要对装配式桥墩中组件的连接形式进行改进，提高装配式桥墩的整体性能。

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。强烈的地震作用多次带来巨大的人员伤亡和经济损失。其中，由于桥梁受损导致交通中断、救援难以及时开展等造成的间接损失数额巨大。我国国家公路网规划强调将提高交通网络安全性、可靠性和应急保障能力作为发展要求，而桥梁作为交通网络中重要的节点，其抗震性能需要引起足够的重视。桥墩作为桥梁结构中的主要承重构件，其损伤程度直接决定桥梁是否能够正常运营。因此如何提升钢筋混凝土桥墩的抗震性能成为抗震研究的重点之一。普通混凝土抗弯、抗拉性能较差，材料本身为脆性破坏；而钢筋的截面配箍率、纵筋配筋率以及钢筋强度在多因素影响下具有上限，上述两方面限制了桥墩抗震性能的进一步提升。

在桥梁抗震设计中主要采用延性设计理念，允许桥梁进入塑性阶段，并通过塑性铰区域混凝土的开裂和破坏耗散地震能量。尽管该方法能够保证桥梁在地震中不易倒塌，但强震作用下，桥墩塑性铰区域破坏严重，产生较大残余变形。在震后严重影响了桥梁正常功能的使用，对交通功能恢复带来巨大阻碍。

针对装配式桥墩在施工和使用过程中存在的上述不足，本发明提出一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩。在现场拼装时，该发明通过下部桥墩顶部及上部桥墩底部的立体马牙槎的相互配合并借助填充纤维混凝土、在连接部位设置加固层等措施提高桥墩的整体性。在地震作用下，通过由低屈服点金属圆管以及纤维混凝土组成的耗能支撑耗散地震能量，保护桥墩塑性铰区域不发生破坏、不产生残余变形。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩及其相应的施工方法。它具有制作简单、拼装方便、整体性强、抗震性能高等优点。在拼装过程中，通过立体马牙槎、纤维混凝土以及加固层提高桥墩的整体性能。在地震作用下，通过布置在下部桥墩周围的低屈服点金属圆管以其内部的纤维混凝土耗散地震能量，防止桥墩塑性铰区域发生损伤，保证桥梁结构在强震作用下的安全性。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，该装配式多向耗能桥墩由承台(1)、下部桥墩(2)、上部桥墩(3)、纵向钢筋(4)、灌浆套筒(5)、橡胶管(6)、立体马牙槎(7)、纤维混凝土(8)、低屈服点金属圆管(9)、高强金属板(10)、万向铰(11)、加固层(12)组成。高强金属板(10)与万向铰(11)的一端焊接后固定于承台(1)以及下部桥墩(2)的钢筋笼内，灌浆套筒(5)的顶部与上部桥墩(3)钢筋笼内的纵向钢筋(4)连接，侧面的灌浆口均与橡胶管(6)相接。浇筑时承台(1)和下部桥墩(2)一体化浇筑，并借助模具使下部桥墩(2)上顶面以及上部桥墩(3)下底面的核心区内出现多个立体马牙槎(7)，同时利用橡胶管(6)在上部桥墩(3)的下侧沿高度方向预留两个通往核心区的孔道。现场安装时，下部桥墩(2)上表面伸出的纵向钢筋(4)穿过上部桥墩(3)下底面放置于灌浆套筒(5)腔内，下部桥墩(2)上表面与上部桥墩(3)下表面的核心区内的立体马牙槎(7)相互插接。从上部桥墩(3)底部的橡胶管(6)向灌浆套筒(5)以及核心区立体马牙槎(7)周围的空隙注入纤维混凝土(8)，直至上部橡胶管(6)中有纤维混凝土(8)流出为止。低屈服点金属圆管(9)内部注满纤维混凝土(8)后，其上端与下部桥墩(2)侧面上的万向铰(11)相连，其上端与承台(1)表面上的万向铰(11)相连。

立体马牙槎(7)的数量不少于3个，其截面形式可为圆形、矩形、多边形等任意形式，为提高桥墩安装完成之后的整体性能，立体马牙槎(7)具有多个高度，最小高度不得小于下部桥墩(2)上表面纵向钢筋(4)的伸出长度，下部桥墩(2)上表面与上部桥墩(3)下表面的立体马牙槎(7)之间留有一定空隙，保证现场安装时立体马牙槎(7)之间不会发生碰撞或挤压。

灌浆套筒(5)的灌浆口均朝向桥墩外侧，并通过橡胶管(6)与外界相通，用于桥墩拼装时的灌浆处理。纤维混凝土(8)的强度等级不得低于工厂浇筑承台(1)、下部桥墩(2)及上部桥墩(3)时所用混凝土强度等级，粗骨料的最大粒径不得超过10mm，纤维材料可为聚丙烯、聚乙烯醇等柔性材料，纤维的体积掺量在1％～2％之间，保证纤维混凝土(8)具有较好的流动性。

下部桥墩(2)和上部桥墩(3)的拼接位置比塑性铰区长度高出300mm以上，同时在拼接截面处具有一层长度至少为立体马牙槎(7)最小高度的4倍的加固层(12)，加固层(12)所用材料可为加密钢丝网、碳纤维布等。

耗能支撑由低屈服点金属圆管(9)和内部的纤维混凝土(8)共同组成，并通过万向铰(11)与下部桥墩(2)及承台(1)相连，低屈服点金属圆管(9)的内径不得小于60mm，其屈服强度不超过200Mpa，耗能支撑在桥墩的四个侧面上均匀布置，每个侧面上耗能支撑的数量不得少于2个，耗能支撑在桥墩侧面上的投影高度至少大于塑性铰长度的1.2倍。在地震作用下，由耗能支撑中低屈服点金属圆管(9)和纤维混凝土(8)的变形耗散地震输入能量，保证桥墩塑性铰区域在地震过程中不会产生较大损伤或变形，在震后也可对变形失效的耗能支撑进行快速替换。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明中一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，通过立体马牙槎的相互插接，改变了接缝形式，并通过设置加固层，提高了桥墩的整体性能。

2)本发明中一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，在现场拼装过程中，采用纤维混凝土实现灌浆连接，使连接区域具有更好的强度和韧性。

3)本发明中一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，由纤维混凝土及低屈服点金属圆筒组成的耗能支撑通过预埋在桥墩侧面以及承台顶面的万向铰实现完全铰接。在地震作用下，通过低屈服点金属圆筒及其内部纤维混凝土的变形破坏耗散地震能量，避免桥墩塑性铰区域产生较大变形或损伤，保障桥梁结构在地震后能够正常使用。同时在震后能够对破坏的耗能支撑进行快速替换。

4)本发明中一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，通过在桥墩四个侧面上均匀布置耗能支撑，使其能够在地震下发挥多向耗能减震的目的。

5)本发明中一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，制作简单、现场拼装方便，能够极大提高施工速度，降低环境污染，减少施工成本。

附图说明

图1是一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩的三维图。

图2是下部桥墩平面投影图。

图3是万向铰详图。

图4是灌浆套筒详图。

图5是一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩的上部桥墩详图。

图6是上部桥墩平面图。

图7是耗能支撑详图。

图8是耗能支撑剖面图。

图9是一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩布置完成后的整体效果图。

图中：1—承台、2—下部桥墩、3—上部桥墩、4—纵向钢筋、5—灌浆套筒、6—橡胶管、7—立体马牙槎、8—纤维混凝土、9—低屈服点金属圆管、10—高强金属板、11—万向铰、12—加固层。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩的实施例。其主要包括：承台1、下部桥墩2、上部桥墩3、纵向钢筋4、灌浆套筒5、橡胶管6、立体马牙槎7、纤维混凝土8、低屈服点金属圆管9、高强金属板10、万向铰11、加固层12。

具体实施步骤如下：

1)根据桥墩设计图纸，绑扎承台及下部桥墩的钢筋笼，32个高强金属板分别与32个如图3所示的万向铰的一端焊接后固定于承台及下部桥墩的钢筋笼内。

2)绑扎上部桥墩的钢筋笼，将纵向钢筋的底端与如图4所示的灌浆套筒相连。灌浆套筒的注浆口朝向桥墩外侧，并用橡胶软管使其与外界相通。

3)在上部桥墩钢筋笼下端高度分别为40mm、300mm的位置布置两根橡胶管，使钢筋笼核心区与外界相通，为现场拼装时向立体马牙槎周围空隙注浆预留孔道。

4)在工厂完成承台及下部桥墩、上部桥墩的浇筑工作，并借助模板在下部桥墩顶面浇筑出5个截面形式为六边形，高度不等(最小高度100mm，最大高度300mm)的立体马牙槎，在上部桥墩下顶面浇筑出4个截面形式为六边形的立体马牙槎。浇筑完成后的上部桥墩如图5、6所示。

5)待预制构件养护期满后，运至施工现场进行拼装。将下部桥墩上顶面伸出的纵向钢筋插入上部桥墩下端的灌浆套筒腔内，并使下部桥墩上顶面和上部桥墩下底面的立体马牙槎相互插接。

6)通过低处的橡胶管向灌浆套筒腔内以及桥墩拼接部位核心区的立体马牙槎周围空隙注入聚丙烯纤维体积掺量为1％的纤维混凝土，直至高出的橡胶管中有纤维混凝土流出时停止注浆。

7)向32个低屈服点金属圆筒内灌满纤维混凝土，随后将低屈服点金属圆筒的两端与下部桥墩侧面以及承台顶面的万向铰相连。

8)拔出布置于桥墩侧面上的橡胶管，在上部桥墩及下部桥墩的拼接部位粘贴两层宽度为400mm的纤维布。至此具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩布置完成。

在本实例中，具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩通过下部桥墩上顶面和上部桥墩下底面的立体式马牙槎的相互插接，改变了装配式桥墩的拼接形式，并通过向马牙槎周围空隙注入纤维混凝土增大了粘结面积，使桥墩具有更好的整体性能。在此基础上在拼接位置处，设置加固层，进一步提高桥墩的性能。通过设置在桥墩四周的多个耗能支撑实现多向耗能建筑的目的。在强震作用下，由低屈服点金属圆筒及其内部的纤维混凝土通过变形耗散地震能量，减小桥墩塑性铰区域的变形，防止塑性铰区域产生较大损伤，保证桥梁在震后的正常使用。通过数值模拟证明，在相同荷载作用下，本发明的具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩的变形量与普通装配式桥墩相比降低37.3％。

Claims (8)

1.一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：该装配式多向耗能桥墩包括承台(1)、下部桥墩(2)、上部桥墩(3)、纵向钢筋(4)、灌浆套筒(5)、橡胶管(6)、立体马牙槎(7)、纤维混凝土(8)、低屈服点金属圆管(9)、高强金属板(10)、万向铰(11)、加固层(12)；高强金属板(10)与万向铰(11)的一端焊接后固定于承台(1)以及下部桥墩(2)的钢筋笼内，灌浆套筒(5)的顶部与上部桥墩(3)钢筋笼内的纵向钢筋(4)连接，侧面的灌浆口与橡胶管(6)相接；浇筑时承台(1)和下部桥墩(2)一体化浇筑，并借助模具使下部桥墩(2)上表面以及上部桥墩(3)下表面的核心区内具有多个立体马牙槎(7)，同时利用橡胶管(6)在上部桥墩(3)的下侧预留通往核心区的孔道；现场拼装时，下部桥墩(2)上表面伸出的纵向钢筋(4)穿过上部桥墩(3)下表面放置于灌浆套筒(5)腔内，下部桥墩(2)上表面与上部桥墩(3)下表面的核心区内的立体马牙槎(7)相互插接；从上部桥墩(3)底部的橡胶管(6)向灌浆套筒(5)以及核心区立体马牙槎(7)周围的空隙注入纤维混凝土(8)，直至上部橡胶管(6)中有纤维混凝土(8)流出为止；低屈服点金属圆管(9)内部注满纤维混凝土(8)，其上端与下部桥墩(2)侧面上的万向铰(11)相连，其上端与承台(1)表面上的万向铰(11)相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：立体马牙槎(7)的数量≥3，其截面形式为圆形、矩形；，立体马牙槎(7)具有多个高度，最小高度不得小于下部桥墩(2)上表面纵向钢筋(4)的伸出长度，下部桥墩(2)上表面与上部桥墩(3)下表面的立体马牙槎(7)之间留有一定空隙，保证现场安装时立体马牙槎(7)之间不会发生碰撞或挤压。

3.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：灌浆套筒(5)的灌浆口均朝向桥墩外侧，并通过橡胶管(6)与外界相通，用于桥墩拼装时的灌浆处理。

4.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：上部桥墩(3)及承台(1)和下部桥墩(2)由工厂批量浇筑，现场组装过程中采用纤维混凝土(8)填充桥墩连接部位的核心区空隙以及灌浆套筒(5)。

5.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：纤维混凝土(8)的强度等级不得低于工厂浇筑承台(1)、下部桥墩(2)及上部桥墩(3)时所用混凝土强度等级，粗骨料的最大粒径不得超过10mm，纤维材料为聚丙烯、聚乙烯醇柔性材料，纤维的体积掺量在1％～2％之间，保证纤维混凝土(8)具有较好的流动性。

6.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：下部桥墩(2)和上部桥墩(3)的拼接位置比塑性铰区长度高出300mm以上，同时在拼接截面处具有一层长度至少为立体马牙槎(7)最小高度的4倍的加固层(12)，加固层(12)所用材料为加密钢丝网、碳纤维布。

7.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：耗能支撑由低屈服点金属圆管(9)和内部的纤维混凝土(8)共同组成，并通过万向铰(11)与下部桥墩(2)及承台(1)相连，低屈服点金属圆管(9)的内径不得小于60mm，其屈服强度不超过200Mpa，耗能支撑在桥墩的四个侧面上均匀布置，每个侧面上耗能支撑的数量不得少于2个，耗能支撑在桥墩侧面上的投影高度至少大于塑性铰长度的1.2倍。

8.根据权利要求1所述的一种具有立体马牙槎和纤维混凝土灌浆的装配式多向耗能桥墩，其特征在于：在地震作用下，由耗能支撑中低屈服点金属圆管(9)和纤维混凝土(8)的变形耗散地震输入能量，保证桥墩塑性铰区域在地震过程中不会发生破坏或产生较大变形，在震后也可对变形失效的耗能支撑进行快速替换。

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