CN113832840A - 一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点及建造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，从下至上依次设置有空心段、实心段、齿轮形盖板及支承在齿轮形盖板上的桥梁支座，空心段包括空心段复材管、空心段中空钢管以及混凝土夹层；实心段包括实心段复材管、实心段钢管、实心段混凝土夹层以及填充在实心段钢管内的钢内混凝土，且空心段中空钢管和实心段钢管的内部交界处设置有内隔钢板；齿轮形盖板上开设有通孔，齿轮形盖板的底部固定有锚栓的一端，锚栓的另一端锚入钢内混凝土中，且实心段钢管的外侧固定有加劲肋。本发明还提供了一种建造方法。本发明解决了双壁空心墩柱与钢桥、混凝土桥或组合结构桥梁上部结构连接的技术问题，具有连接可靠、传力明确、端部承载强、施工方便等优点。

Description

一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点及建造方法
技术领域
本发明涉及一种土木工程结构，具体涉及一种复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，还涉及复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶支座连接节点的建造方法。
背景技术
复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱由外部复材管、内部空心钢管及两管之间填充的混凝土组成，具有优越的耐腐蚀和抗震性能。复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱中的夹层混凝土受到复材管和钢管的双重约束，受力时处于三轴受压状态，承载力大幅度提高；同时，由于复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱内部设置了空心钢管，其自重显著降低，便于运输和安装。
桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件，其顶面支承桥梁上部结构，其底部架设在桥墩顶部，可以可靠地将上部结构传来的各种荷载传递给桥墩。桥梁支座底部的支承面应当平整，并具有足够的局部承载力。
对于复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱而言，由于其内部空心钢管的存在，并不具备直接架设支座的条件。因此，复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱顶部应采取一定的技术措施，以满足支座架设的要求。然而，目前还没有现有的复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶支座连接节点技术，限制了复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱在桥梁工程中的应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是：提供一种复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，以解决复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶架设支座的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，从下至上依次设置有空心段、实心段、齿轮形盖板及支承在齿轮形盖板上的桥梁支座；空心段包括位于外部的空心段复材管、位于空心段复材管内的空心段中空钢管以及位于空心段复材管和空心段中空钢管之间的混凝土夹层；
实心段包括位于外部的实心段复材管、位于实心段复材管内的实心段钢管、设置在实心段复材管和实心段钢管之间的实心段混凝土夹层以及填充在实心段钢管内的钢内混凝土，且空心段中空钢管和实心段钢管的内部交界处设置有内隔钢板；
齿轮形盖板上开设有用于浇筑混凝土的通孔且齿轮形盖板固定在实心段钢管的顶部，且齿轮形盖板的底部固定有锚栓的一端，锚栓的另一端锚入实心段钢管内的钢内混凝土中，且实心段钢管的外侧固定有加劲肋，加劲肋的顶部与齿轮形盖板固定连接；其中，齿轮形盖板上的通孔用于浇筑实心段钢管内混凝土，边缘的齿槽(齿间)空隙用于浇筑复材管与钢管夹层的混凝土，通过埋入实心段钢管内混凝土的锚栓提供附加锚固；
桥梁支座位于齿轮形盖板的顶部。
作为一种优选，所述节点的空心段及实心段，其复材管、钢管的截面轮廓形状均可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形或多边形中的一种；复材管、钢管的截面轮廓形状可以相同，也可以不同；钢管可以为1个，也可以为2个及以上，可以为单腔钢管，还可以由钢板分隔为多腔(腔数为2个及以上)钢管。
作为一种优选，所述内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段或实心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致。
作为一种优选，所述实心段钢管内部填充混凝土的高度为200mm-2000mm；混凝土浇筑面与齿轮形盖板顶部平齐。
作为一种优选，通孔开设在所述齿轮形盖板的中心处，通孔可以为圆孔或方孔，其直径或边长范围为50mm-500mm，且小于所述桥梁支座及钢管的内边缘(直径或边长)尺寸。
作为一种优选，所述齿轮形盖板齿顶外轮廓小于复材管内轮廓，且间隔不小于3mm(此规定是考虑到施工误差，若间隔过小，可能导致施工时复材管无法套入)，所述齿轮形盖板齿根轮廓大于所述钢管的外轮廓且外伸长度不小于5mm(考虑施工误差，确保齿根轮廓覆盖钢管外轮廓，同时便于盖板与钢管通过角焊缝连接)。
作为一种优选，所述齿轮形盖板的厚度不小于与盖板焊接的钢管厚度，轮齿个数不小于2。齿轮形盖板可以尽可能地增大浇筑混凝土的空间；齿数过多时，将导致齿槽的尺寸过小，从而减小了浇筑混凝土的空间，使施工困难；齿数过少时(如2个)，可能导致通过轮齿传递的荷载在混凝土层中分布不均匀；因此需综合考虑，选取合适的齿数。
所述齿轮形盖板的形状可以为圆形齿轮或异形齿轮。轮齿齿顶外轮廓的形状由复材管的轮廓形状确定，齿顶外轮廓须小于复材管的内轮廓；齿根轮廓的形状由实心段钢管的轮廓形状确定，齿根轮廓须能覆盖实心段钢管的外轮廓。
当齿轮形盖板的形状为圆形齿轮时，齿宽、全齿高最小尺寸均不小于20mm(该尺寸是为保证混凝土浇筑的空间)但不大于复材管与钢管之间的间隙宽度，齿槽宽不小于20mm但不大于齿根圆周长的1/3(齿槽宽的最小尺寸是为保证混凝土浇筑空间，限制其最大尺寸是为减少通过轮齿传递到混凝土层中的荷载的不均匀性)；当齿轮形盖板的形状为异形齿轮时，复材管内壁、轮齿、齿槽之间的空隙尺寸不小于20mm但不大于400mm(出于混凝土浇筑和均匀传力的考虑)。
作为一种优选，所述桥梁支座可以为简易支座、板式支座、盆式支座、弧形支座、球形支座、双曲形支座、辊轴式支座和铰轴式支座中的任一种。
本发明还提供一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点的建造方法，包括以下步骤：
第一步，在双壁空心墩柱的钢管上焊接固定内隔钢板；
第二步，将底部焊有锚栓的齿轮形盖板通过焊接固定到所述钢管顶部，并将加劲肋焊接固定到盖板的底部和钢管的外侧；
第三步，将复材管套入内钢管、定位并临时固定，浇筑复材管与内钢管之间的夹层混凝土及内钢管内部的混凝土，所述钢管内的混凝土也可以在浇筑所述夹层混凝土之前浇筑；第四步，安放桥梁支座及吊装桥梁上部结构。
上述步骤一、二、三可以在桥梁施工现场进行，也可以在实验室或工厂进行。
当然，固定的方式除了焊接外，也可采用栓接或铆接的连接方式。但这些连接方式需要设置连接板，施工较复杂，效率不高；焊接是施工最简便，可靠性也较好的连接方式。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.齿轮形盖板的设计兼具方便施工、分布受力及协调变形的功能。从施工角度来说，齿轮形盖板的齿槽可作为浇筑夹层混凝土的浇筑孔，其上开设的通孔可作为浇筑内填混凝土的浇筑孔。从受力角度来说，齿轮形盖板的轮齿可作为传力部件，将齿轮形盖板所受的力传递给墩柱的钢管、夹层混凝土及实心段混凝土内部。将齿轮形盖板布置在墩柱端部，并通过焊接、加劲肋及锚栓分别与钢管、钢管内、外混凝土(即复材管与钢管之间的夹层混凝土)嵌固在一起，可以起到协调上述三个部分变形、分布受力的作用，加强了复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱在节点范围内的整体性。
2.施工方便。齿轮形盖板的外轮廓略小于复材管的内轮廓，使得复材管可以直接套入，并利用齿槽浇筑混凝土，省去了套管之后的焊接工序，避免焊接高温对复材管的不利影响。
3.端部满足支座的架设要求。本发明通过设置齿轮形盖板、加劲肋、内填混凝土，为墩柱顶面提供了足够的刚度和局部承载力，可以满足桥梁支座的架设要求。
附图说明
图1为一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点的结构示意图。
图2a-2d为实施例一(墩柱截面为外圆内圆)的剖面图。其中，图2a为A-A剖面图，图2b为B-B剖面图，图2c为C-C剖面图，图2d为D-D剖面图。
图3a-3d为实施例二(墩柱截面为外圆内方)的剖面图。其中，图3a为A-A剖面图，图3b为B-B剖面图，图3c为C-C剖面图，图3d为D-D剖面图。
图4a-4d为实施例三(墩柱截面为外方内方)的剖面图。其中，图4a为A-A剖面图，图4b为B-B剖面图，图4c为C-C剖面图，图4d为D-D剖面图。
图5a-5d为实施例四(墩柱截面为外方内圆)的剖面图。其中，图5a为A-A剖面图，图5b为B-B剖面图，图5c为C-C剖面图，图5d为D-D剖面图。
图6为两种不同形状的内隔板的立体示意图。
图7为加劲肋的立体示意图。
图8a-8d为齿轮形盖板的立体示意图。其中，图8a为实施例一的齿轮形盖板，图8b为实施例二的齿轮形盖板，图8c为实施例三的齿轮形盖板，图8d为实施例四的齿轮形盖板。
其中，1为复材管，2为混凝土，3为钢管，4为空腔，5为内隔钢板，6为加劲肋，7为齿轮形盖板，71为齿轮形盖板的轮齿，72为齿轮形盖板的通孔，8为锚栓，9为桥梁支座，10为桥梁上部结构。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图及具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。本发明提供的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，从下至上依次设置有空心段、实心段、齿轮形盖板及支承在齿轮形盖板上的桥梁支座，空心段包括位于外部的空心段复材管、位于空心段复材管内的空心段中空钢管以及位于空心段复材管和空心段中空钢管之间的混凝土夹层；实心段包括位于外部的实心段复材管、位于实心段复材管内的实心段钢管、设置在实心段复材管和实心段钢管之间的实心段混凝土夹层以及填充在实心段钢管内的钢内混凝土，且空心段中空钢管和实心段钢管的内部交界处设置有内隔钢板；齿轮形盖板上开设有用于浇筑混凝土的通孔且齿轮形盖板固定在实心段钢管的顶部，且齿轮形盖板的底部固定有锚栓的一端，锚栓的另一端锚入实心段钢管内的钢内混凝土中，且实心段钢管的外侧固定有加劲肋，加劲肋的顶部与齿轮形盖板固定连接；桥梁支座位于齿轮形盖板的顶部。
以下通过具体的实施例对本发明做具体的介绍。
实施例一
参阅附图2a、2b、2c、2d。其中，图2a为A-A剖面图，图2b为B-B剖面图，图2c为C-C剖面图，图2d为D-D剖面图。
本实施例中，复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱柱顶支座连接节点包括从下至上设置的空心段、实心段、齿轮形盖板及支承在齿轮形盖板上的桥梁支座；空心段由从外至内的复材管、混凝土夹层、中空钢管组成，空心段的中空钢管内部为空腔；所述实心段由从外至内的复材管、混凝土夹层、钢管及钢管内填混凝土组成；所述空心段与所述实心段由内隔钢板隔开；所述齿轮形盖板在中心开通孔用于浇筑实心段钢管内混凝土，边缘的齿槽(齿间)空隙用于浇筑复材管与钢管夹层的混凝土，通过焊接方式与实心段钢管顶部焊接，通过埋入实心段钢管内混凝土的锚栓提供附加锚固，通过纵向的加劲肋与实心段钢管外壁侧面连接；加劲肋的侧面及顶部分别与实心段钢管的外侧及齿轮形盖板外伸轮齿部分焊接。
本实施例中，节点的空心段及实心段，其位于外部的复材管的截面轮廓形状均为圆形，其内直径为800mm，厚度为12mm；其位于内部的钢管均为单个单腔钢管，截面轮廓形状为圆形，其直径为610mm，厚度为16mm。
本实施例中，内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致，为圆形(见图6中的圆形内隔钢板)，其直径为578mm，厚度为16mm。
本实施例中，实心段钢管内部填充混凝土的高度为800mm；混凝土浇筑面与齿轮形盖板顶部平齐。
本实施例中，齿轮形盖板为圆形齿轮，其立体示意图见图8a，其厚度为24mm，轮齿个数为6个；齿轮形盖板中心开设的通孔为圆形的，其直径为100mm；齿轮形盖板齿顶外轮廓小于所述复材管内轮廓，且间隔为10mm，齿轮形盖板齿根轮廓大于钢管的外轮廓且外伸长度为10mm。
本实施例中，齿轮形盖板底部锚入实心段钢管内混凝土的锚栓直径为12mm，其锚固长度为746mm。
本实施例中，沿实心段钢管外侧均匀布置6道加劲肋，参阅图7，加劲肋尺寸s1为85mm，s2为300mm，s3为30mm，s4为50mm，厚度ts为16mm。
本实施例中，所述桥梁支座为板式橡胶支座。
本实施例的建造方法如下：第一步，在复材管-混凝土-钢管双壁空心墩柱的钢管上焊接固定内隔钢板；第二步，将底部焊有锚栓的齿轮形盖板通过焊接固定到所述钢管顶部，并将加劲肋焊接固定到盖板的底部和钢管的外侧；第三步，将复材管套入内钢管、定位并临时固定，浇筑复材管与内钢管之间的夹层混凝土及内钢管内部的混凝土，所述钢管内的混凝土也可以在浇筑所述夹层混凝土之前浇筑；第四步，待桥墩基础部分完成施工后(混凝土养护需要满足施工要求)，安放桥梁支座及吊装桥梁上部结构。本实施例中，第一、二、三步在预制构件厂及实验室进行，第四步在施工现场进行。
实施例二
参阅附图3a、3b、3c、3d。其中，图3a为A-A剖面图，图3b为B-B剖面图，图3c为C-C剖面图，图3d为D-D剖面图。
本实施例中，节点的空心段及实心段，其复材管的截面轮廓形状为圆形，其内直径为800mm，厚度为12mm；其钢管为单个单腔钢管，截面轮廓形状为正方形，其外边长为420mm，厚度为20mm；
本实施例中，内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致，为正方形(见图6中的方形内隔钢板)，其边长为380mm，厚度为24mm。
本实施例中，实心段钢管内部填充混凝土的高度为1000mm；混凝土浇筑面与齿轮形盖板顶部平齐。
本实施例中，齿轮形盖板为异形齿轮，其立体示意图见图8b，其厚度为24mm，轮齿个数为4；齿轮形盖板中心开有圆孔，其直径为100mm；齿轮形盖板齿顶外轮廓小于所述复材管内轮廓，且间隔为10mm，齿轮形盖板齿根轮廓大于钢管的外轮廓且外伸长度为10mm。
本实施例中，齿轮形盖板底部锚入实心段钢管内混凝土的锚栓直径为12mm，其锚固长度为800mm。
本实施例中，沿实心段钢管外侧均匀布置4道加劲肋，参阅图7，加劲肋尺寸s1为180mm，s2为400mm，s3为55mm，s4为50mm，厚度ts为16mm。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
参阅附图4a、4b、4c、4d。其中，图4a为A-A剖面图，图4b为B-B剖面图，图4c为C-C剖面图，图4d为D-D剖面图。
本实施例中，节点的空心段及实心段，其复材管的截面轮廓形状为正方形，其内边长为700mm，厚度为12mm；其钢管为单个单腔钢管，截面轮廓形状为正方形，其外边长为420mm，厚度为20mm；
本实施例中，内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致，为正方形(见图6中的方形内隔钢板)，其边长为380mm，厚度为24mm。
本实施例中，齿轮形盖板为异形齿轮，其立体示意图见图8c，其厚度为24mm，轮齿个数为4；齿轮形盖板中心开有圆孔，其直径为100mm；齿轮形盖板齿顶外轮廓小于所述复材管内轮廓，且间隔为10mm，齿轮形盖板齿根轮廓大于钢管的外轮廓且外伸长度为10mm。
本实施例中，沿实心段钢管外侧均匀布置4道加劲肋，参阅图7，加劲肋尺寸s1为120mm，s2为300mm，s3为55mm，s4为50mm，厚度ts为16mm。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例四
参阅附图5a、5b、5c、5d。其中，图5a为A-A剖面图，图5b为B-B剖面图，图5c为C-C剖面图，图5d为D-D剖面图。
本实施例中，节点的空心段及实心段，其复材管的截面轮廓形状为正方形，其内边长为800mm，厚度为12mm；其钢管为单个单腔钢管，截面轮廓形状为圆形，其外直径为610mm，厚度为20mm；
本实施例中，内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致，为圆形(见图6中的圆形内隔钢板)，其直径为570mm，厚度为24mm。
本实施例中，齿轮形盖板为异形齿轮，其立体示意图见图8c，其厚度为24mm，轮齿个数为4；齿轮形盖板中心开有圆孔，其直径为100mm；齿轮形盖板齿顶外轮廓小于所述复材管内轮廓，且间隔为10mm，齿轮形盖板齿根轮廓大于钢管的外轮廓且外伸长度为10mm。
本实施例中，沿实心段钢管外侧均匀布置4道加劲肋，参阅图7，加劲肋尺寸s1为85mm，s2为300mm，s3为30mm，s4为50mm，厚度ts为16mm。
本实施例未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：从下至上依次设置有空心段、实心段、齿轮形盖板及支承在齿轮形盖板上的桥梁支座；
空心段包括位于外部的空心段复材管、位于空心段复材管内的空心段中空钢管以及位于空心段复材管和空心段中空钢管之间的混凝土夹层；
实心段包括位于外部的实心段复材管、位于实心段复材管内的实心段钢管、设置在实心段复材管和实心段钢管之间的实心段混凝土夹层以及填充在实心段钢管内的钢内混凝土，且空心段中空钢管和实心段钢管的内部交界处设置有内隔钢板；
齿轮形盖板上开设有用于浇筑混凝土的通孔且齿轮形盖板固定在实心段钢管的顶部，且齿轮形盖板的底部固定有锚栓的一端，锚栓的另一端锚入实心段钢管内的钢内混凝土中，且实心段钢管的外侧固定有加劲肋，加劲肋的顶部与齿轮形盖板固定连接；
桥梁支座位于齿轮形盖板的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：空心段复材管、空心段钢管、实心段复材管和实心段钢管的截面轮廓形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形或多边形中的任一种，且空心段复材管和空心段钢管的截面轮廓形状、实心段复材管和实心段钢管的截面轮廓形状相同或不相同。
3.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：空心段中空钢管和实心段钢管设置有1个或至少两个；空心段中空钢管和实心段钢管是单腔钢管或由钢板分隔成多腔钢管。
4.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：内隔钢板的截面外轮廓形状及尺寸与空心段或实心段中的钢管截面内轮廓形状及尺寸一致。
5.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：实心段钢管内的钢内混凝土的高度为200mm-2000mm。
6.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：齿轮形盖板上的通孔为圆孔或方孔，其直径或边长范围为50mm-500mm，且小于所述桥梁支座及实心段钢管的内边缘尺寸。
7.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：齿轮形盖板齿顶外轮廓小于复材管内轮廓，齿轮形盖板齿根轮廓大于实心段钢管的外轮廓；齿轮形盖板的厚度不小于实心段钢管的厚度。
8.根据权利要求1所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：桥梁支座为简易支座、板式支座、盆式支座、弧形支座、球形支座、双曲形支座、辊轴式支座和铰轴式支座中的任一种。
9.根据权利要求1-8所述的一种双壁空心墩柱柱顶支座连接节点，其特征在于：齿轮形盖板的形状为圆形齿轮或异形齿轮；当齿轮形盖板的形状为圆形齿轮时，齿宽、全齿高最小尺寸不小于20mm但不大于复材管与钢管之间的间隙宽度，齿槽宽不小于20mm但不大于齿根圆周长的1/3；当齿轮形盖板的形状为异形齿轮时，复材管内壁、轮齿、齿槽之间的空隙尺寸不小于20mm但不大于400mm。
10.一种权利要求1-9任一所述的双壁空心墩柱柱顶支座连接节点的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在双壁空心墩柱的钢管上固定内隔钢板；
将底部固定有锚栓的齿轮形盖板固定到钢管的顶部，并将加劲肋固定到齿轮形盖板的底部和钢管的外侧；
将复材管套入钢管、定位并临时固定，浇筑复材管与钢管之间的夹层混凝土及钢管内部位于内隔板上方的混凝土，钢管内的混凝土也可以在浇筑所述夹层混凝土之前浇筑；
安放桥梁支座及吊装桥梁上部结构。
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