CN114934438A - 预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩结构及其施工方法。桥墩结构包括基础承台、双层钢管混凝土立柱、盖梁、预应力筋；双层钢管混凝土立柱位于基础承台和盖梁之间，通过若干节预制双层钢管混凝土节段拼装而成；预制双层钢管混凝土节段包括外层钢管、内层钢管、加劲板和夹层混凝土；基础承台中设置承台预埋钢管连接件，盖梁中设置盖梁预埋钢管连接件，承台/盖梁预埋钢管连接件均包括预埋钢管、开孔加劲板和端板。本发明的桥墩结构具有轴向承载力高、抗侧能力强等优点，可实现全预制装配化施工，缩短建设工期，减小环境影响。本发明的桥墩结构还具有自复位功能，可显著减小或消除桥梁结构的震后残余变形，保证震后桥梁的正常使用。

Description

预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩结构及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种可以工厂标准化预制、现场装配化施工的预制节段拼装双层钢管混凝土组合桥墩结构及其施工方法。

背景技术

预制装配式桥梁符合绿色、环保、可持续发展理念，特别适合复杂交通条件下不宜长时间中断交通路段的城市桥梁施工，以及深切峡谷区等艰险环境下不宜长期现场施工地区的公路桥梁建设，是未来桥梁工程建设的重要发展方向。

预制节段拼装建造技术作为一种优越的快速施工方法，越来越受到业主、工程建设单位和科研院所的关注和重视。在当前预制节段拼装混凝土桥墩的工程实践中，为了保证桥墩的整体性，通常采用灌浆套筒、灌浆波纹管、承插式和现浇湿接缝等节段构件连接方式，对现场定位、作业有较高的要求。采用后张预应力筋的干连接方式，节段桥墩接缝间仅有预应力筋通过，抗侧和抗扭承载能力较差，耗能性能较差。另外，预制拼装混凝土桥墩对预制节段构件制作过程中的模板、预留孔等的定位精度要求高，使得钢筋绑扎、立模等施工过程较现浇混凝土桥墩更复杂。

近年来，钢-混凝土组合结构以其优越的力学性能在桥梁结构中得到了推广应用，但工程应用主要集中在桥梁上部结构中，在桥梁下部结构中的应用还很少。相比钢筋混凝土柱，钢管混凝土柱具有承载力高、塑性和韧性好、耗能能力强和耐火性能优越等优点，而且在施工过程中可以省去大量模板和支架搭设工作和费用，能够加快施工周期，经济效益好。双层钢管混凝土柱是钢管混凝土柱的衍生形式，相比钢管混凝土柱还具有自重更轻、抗弯刚度大、刚重比大等优点，具有广阔的工程应用前景。钢管混凝土柱作为承重柱在高层建筑和工业厂房中已经得到广泛应用，但目前在桥梁墩柱中的应用还很少见。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，充分发挥双层钢管混凝土柱性能优势和预制装配建造技术优点，本发明提供了一种预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩结构，可以克服现有后张预应力连接的预制装配式桥墩抗侧和抗扭性能差的缺点，易于实现预制节段的工厂标准化生产和现场机械化施工，减少现场拼装、定位作业量，加快施工进度，降低施工碳排放和施工过程对周围环境的影响。

技术方案：本发明的技术方案如下：

一种预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，包括基础承台、双层钢管混凝土立柱和盖梁，其中：双层钢管混凝土立柱的数量为M个，M≧1；所述双层钢管混凝土立柱位于基础承台和盖梁之间，由N个预制双层钢管混凝土节段拼装组成，并预埋有预应力筋，其中N>1；所述预制双层钢管混凝土节段包括外层钢管、内层钢管和夹层混凝土；所述内层钢管包括内层钢管一和内层钢管二，内层钢管一截面外缘尺寸与内层钢管二截面内缘尺寸互相匹配，内层钢管一的一端嵌套在内层钢管二的一端并焊接连接；所述内层钢管二的另一端与外层钢管的一端对齐，内层钢管一的另一端高出外层钢管的另一端；所述外层钢管与内层钢管之间浇筑夹层混凝土形成所述的预制双层钢管混凝土节段，浇筑的夹层混凝土的两端面与外层钢管的两端面齐平；

所述外层钢管、内层钢管、内层钢管一和内层钢管二的长度L1、L2、L3和L4以及内层钢管一与内层钢管二的嵌套搭接长度L5之间存在如下关系：L3+L4≧L2>L1，L4-L5≧L2-L1，L3≧L4；

预应力筋依次穿过承台预埋钢管、双层钢管混凝土节段的内层钢管以及盖梁预埋钢管，施加相当于10%~40%预制双层钢管混凝土节段极限轴压承载力的张拉力，并再通过锚具分别与基础承台和盖梁锚固。

优选地，所述基础承台包括承台预埋钢管连接件，所述承台预埋钢管连接件包括承台预埋钢管、开孔加劲板和端部钢板，承台预埋钢管的截面尺寸与内层钢管一的截面尺寸一致，埋入基础承台的长度不小于直径的2倍，高出基础承台顶面的长度L6=L2-L1；沿承台预埋钢管的周向分布焊接若干开孔加劲板；在开孔加劲板靠近基础承台顶面的一端焊接端部钢板。

优选地，所述盖梁包括盖梁预埋钢管连接件；所述盖梁预埋钢管连接件包括盖梁预埋钢管、开孔加劲板和端部钢板，盖梁预埋钢管的截面尺寸与内层钢管二的截面尺寸一致，盖梁预埋钢管的长度L7≧L2-L1且不小于直径的2倍，埋入盖梁且一端与盖梁底面齐平；沿盖梁预埋钢管的周向分布焊接若干开孔加劲板；在开孔加劲板靠盖梁底面一端焊接端部端板。

优选地，所述外层钢管的截面形状为圆形、方形、矩形或多边形。

优选地，所述内层钢管一和内层钢管二的截面形状可以是圆形、方形、矩形或多边形。

优选地，内层钢管一上部一定长度和内层钢管二下部一定长度均沿周向分布设置若干成互相啮合的齿合键。

优选地，所述外层钢管两端部内侧、内层钢管二一端外侧以及内层钢管一距端部L2-L1处外侧延周向分布焊接若干加劲板。

优选地，所述预制双层钢管混凝土节段中浇筑的夹层混凝土在两端局部高度范围内采用超高性能混凝土，或全部采用超高性能混凝土。

优选地，在相邻预制双层钢管混凝土节段之间、以及双层钢管混凝土立柱与基础承台和盖梁之间的连接界面上采用环氧树脂胶接缝。

本发明的另一个技术目的是提供一种上述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩的施工方法，具有包括如下步骤：

步骤一、工厂预制

工厂制作预制双层钢管混凝土节段、承台预埋钢管连接件和盖梁预埋钢管连接件：

步骤二、现场拼装

步骤2.1，吊装N1号预制双层钢管混凝土节段，将N1号节段的内层钢管二端嵌套安装在基础承台的预埋钢管上，保持预埋钢管轴线方向与双层钢管混凝土节段的轴线方向对齐；

步骤2.2，吊装N2号预制双层钢管混凝土节段，保持N2号节段的轴线方向与N1号节段的轴线方向对齐；

步骤2.3，将N2号节段的内层钢管二嵌套叠放在N1号节段内层钢管一的伸出部分；

步骤2.4，采用同样的方式，依次吊装、定位和拼装其它预制双层钢管混凝土节段；

步骤2.5，吊装盖梁，将盖梁预埋钢管的轴线方向与双层钢管混凝土立柱的轴线方向对齐，并嵌套安装在双层钢管混凝土立柱顶部节段内层钢管一的伸出部分；

步骤2.6，张拉预应力筋并锚固。

有益效果：本发明与常规预制拼装混凝土桥墩相比，除了具有轴向承载力高、塑性韧性好、耐火性能优越等双层钢管混凝土柱的优点外，还具有以下优点：预制双层钢管混凝土节段构件的内/外层钢管可以充当模板，无需绑扎钢筋和额外搭设混凝土浇筑模具，易于工厂标准化预制，提高预制生产效率，且可以节省造价、提高经济效益；在现场装配施工中，双层钢管混凝土节段构件外伸的内层钢管可以起到定位作用，且没有其它的需要现场作业的连接构造，现场装配施工便捷，可以缩短桥墩建造工期、减少桥梁建造对周边交通和生态环境的不利影响，可以很好的适应深切峡谷山区等现场施工条件较差地区、城市主干道等不宜长时间中断交通路段的桥梁建造；连接部位的钢管嵌套连接构造可以提高节段拼装桥墩的初始抗弯刚度和抗剪能力，连接部位的齿合连接构造可以提高节段拼装桥墩的抗扭转性能，连接可靠性好、整体性好、抗侧和抗扭能力强。

附图说明

图1是本发明的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩的构造示意图；

图2a是本发明实施例中预制双层钢管混凝土节段构件的立面图，图2b是图2a中的A-A截面图；

图3a是本发明实施例中内层钢管一和内层钢管二的焊接连接示意图，图3b是图3a中I部分的放大结构示意图；

图4a是本发明实施例中预制双层钢管混凝土节段构件的加劲肋和齿合键布置示意图；图4b是图4a中的B-B截面图；图4c是图4a中的C-C截面图；

图5是本发明实施例中基础承台的构造示意图；图5b是图5a中的D-D截面图；

图6是本发明实施例中盖梁的构造示意图；图6b是图6a中的E-E截面图；

图7是本发明实施例中预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩的现场拼装施工流程图。

图中：1、预制双层钢管混凝土节段，2、基础承台，3、盖梁，11、内层钢管，12、外层钢管，13、加劲板，14、夹层混凝土，15、内层钢管一，16、内层钢管二，17、焊接构造，18、齿合键，21、承台预埋钢管连接件，22、承台预埋钢管，31、盖梁预埋钢管连接件，32、盖梁预埋钢管，40、开孔加劲板，50、端板，60、锚具，70、预应力筋。

具体实施方式

下面，结合附图1～7对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但并不限于一下实施例。

如图1所示，本发明所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，包括基础承台2、双层钢管混凝土立柱和盖梁3，其中：双层钢管混凝土立柱的数量为M个，M≧1；所述双层钢管混凝土立柱位于基础承台和盖梁之间，由N个预制双层钢管混凝土节段1拼装组成，并预埋有预应力筋70，其中N>1；所述预制双层钢管混凝土节段1如图2a、图2b所示，包括外层钢管12、内层钢管11和夹层混凝土14；所述内层钢管11包括内层钢管一15和内层钢管二16，内层钢管一15截面外缘尺寸与内层钢管二16截面内缘尺寸互相匹配，内层钢管一15的一端嵌套在内层钢管二16的一端并焊接连接，具体结构参照附图3a、3b；所述内层钢管二16的另一端与外层钢管12的一端对齐，内层钢管一15的另一端高出外层钢管12的另一端；所述外层钢管12与内层钢管11之间浇筑夹层混凝土14形成所述的预制双层钢管混凝土节段1，浇筑的夹层混凝土14的两端面与外层钢管12的两端面齐平；本发明中，所述外层钢管12的截面形状为圆形、方形、矩形或多边形。

所述外层钢管12、内层钢管11、内层钢管一15和内层钢管二16的长度L1、L2、L3和L4以及内层钢管一11与内层钢管二16的嵌套搭接长度L5之间存在如下关系：L3+L4≧L2>L1，L4-L5≧L2-L1，L3≧L4；

预应力筋70依次穿过承台预埋钢管22、双层钢管混凝土节段1的内层钢管11以及盖梁预埋钢管32，施加相当于10%~40%预制双层钢管混凝土节段极限轴压承载力的张拉力，并在通过锚具60锚固在基础承台2和盖梁3。

具体地，所述基础承台2，参照附图5a、5b，包括承台预埋钢管连接件21，所述承台预埋钢管连接件21包括承台预埋钢管22、开孔加劲板40和端部钢板50，承台预埋钢管22的截面尺寸与内层钢管一15的截面尺寸一致，埋入基础承台2的长度不小于直径的2倍，高出基础承台2顶面的长度L6=L2-L1；沿承台预埋钢管22的周向分布焊接若干开孔加劲板40；在开孔加劲板40靠近基础承台2顶面的一端焊接端部钢板50。而所述盖梁3，参照附图6a、6b，包括盖梁预埋钢管连接件31；所述盖梁预埋钢管连接件31包括盖梁预埋钢管32、开孔加劲板40和端部钢板50，盖梁预埋钢管32的截面尺寸与内层钢管二16的截面尺寸一致，盖梁预埋钢管31的长度L7≧L2-L1且不小于直径的2倍，埋入盖梁3且一端与盖梁3底面齐平；沿盖梁预埋钢管32的周向分布焊接若干开孔加劲板40；在开孔加劲板40靠盖梁3底面一端焊接端部端板50。本发明中，承盖梁预埋钢管周向分布焊接若干开孔加劲板的目的在于加强盖梁预埋钢管与盖梁的连接性能。而在开孔加劲板靠盖梁底面一端焊接一块端部端板的目的在于防止盖梁底面混凝土局部压碎。

本发明中，在所述外层钢管两端部内侧、内层钢管二底端外侧以及内层钢管一距顶端部L2-L1处外侧延周向分布焊接若干加劲肋板，目的是为了避免钢管在端部和连接部位发生局部屈曲，提高局部区域混凝土与钢管的界面粘结性能。而为了提高钢管、加劲肋与夹层混凝土粘结界面的抗剪切滑移性能，在加劲肋上开孔，浇筑混凝土后以形成混凝土销。

为了提高预制装配双层钢管混凝土组合桥墩的抗扭性能，在双层钢管混凝土节段之间、双层钢管混凝土节段与基础承台和盖梁的连接部位延周向分布设置若干齿合键形成抗扭转构造，参照附图4a-c。

为了抑制双层钢管混凝土节段之间以及与基础承台和盖梁之间接缝处混凝土因转动变形过早发生局部破坏，达到更好的受力性能，在双层钢管混凝土节段夹层混凝土的两端一定高度范围采用超高性能混凝土浇筑，也可在整个节段均采用超高性能混凝土浇筑。

为了更好的连接预制装配双层钢管混凝土组合桥墩各构件，并减小桥墩结构在地震灾害后的残余变形，保证震后桥梁的正常使用，设置后张预应力筋，依次穿过承台预埋钢管、双层钢管混凝土节段的内层钢管以及盖梁预埋钢管，并施加相当于10%~40%双层钢管混凝土立柱轴压承载力的张拉力，并在通过锚具锚固在基础承台和盖梁。

为了减小双层钢管混凝土节段之间以及与基础承台和盖梁之间的接缝间隙，达到更好的连接效果和受力性能，在连接界面上涂覆环氧树脂胶。

实施例

上述预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，如图7所示，通过以下步骤制作和装配形成。

一、工厂制作预制双层钢管混凝土节段1、承台预埋钢管连接件21和盖梁预埋钢管连接件31：

1、预制双层钢管混凝土节段1：制作外层钢管12、内层钢管一15和内层钢管二16，将内层钢管一15和内层钢管二16焊接连接组成内层钢管11，将加劲板13焊接在外层钢管12和内层钢管11两端；将外层钢管12和内层钢管11固定在水平工作面上，无需搭设其它摸具，直接在其内部浇筑夹层混凝土，形成预制双层钢管混凝土节段1；

2、承台预埋钢管连接件21：制作承台预埋钢管22，沿承台预埋钢管22四周均布焊接开孔加劲板40，在开孔加劲板40上端焊接端板50；

3、盖梁预埋钢管连接件31：制作盖梁预埋钢管32，沿盖梁预埋钢管32四周均布焊接开孔加劲板40，在开孔加劲板40下端焊接端板50；

二、现场施工装配桥墩，施工流程如图7所示，包括以下步骤：

1、基础承台2施工：将承台预埋钢管连接件21埋入基础承台2并定位，将预先穿过基础承台2中预埋锚具60的预应力筋70穿过预埋钢管22，浇筑基础承台2混凝土；

2、盖梁3施工：将盖梁预埋钢管连接件31预埋入盖梁3定位，现场浇筑盖梁3混凝土；

3、吊装第一个预制双层钢管混凝土节段1，将双层钢管混凝土节段1的内层钢管二16端嵌套安装在基础承台的预埋钢管22上，保持预埋钢管22轴线方向与双层钢管混凝土节段1的轴线方向对齐；

4、吊装第二个预制双层钢管混凝土节段1，保持第二节段的轴线方向与第一节段的轴线方向对齐，将第二节段内层钢管二16嵌套安装在第一节段内层钢管一15的伸出部分；

5、采用步骤4同样的方式，依次吊装、定位和拼装余下预制双层钢管混凝土节段1；

6、吊装盖梁3：将现场浇筑的盖梁3通过预埋钢管32嵌套安装在最顶部双层钢管混凝土节段1的内层钢管一15的上端伸出部分，保持盖梁预埋钢管32的轴线方向与预制双层钢管混凝土节段1的轴线方向对齐；

7、在上述施工过程中，吊装预制双层钢管混凝土节段1和盖梁3的同时，依次将预应力筋70穿过所吊装节段构件内层钢管11和盖梁预埋钢管32，在全部构件装配完成后，在盖梁顶部张拉预应力筋70并用锚具60锚固。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，包括基础承台（2）、双层钢管混凝土立柱和盖梁（3），其中：双层钢管混凝土立柱的数量为M个，M≧1；其特征在于：所述双层钢管混凝土立柱位于基础承台和盖梁之间，由N个预制双层钢管混凝土节段（1）拼装组成，并预埋有预应力筋（70），其中N>1；所述预制双层钢管混凝土节段（1）包括外层钢管（12）、内层钢管（11）和夹层混凝土（14）；所述内层钢管（11）包括内层钢管一（15）和内层钢管二（16），内层钢管一（15）截面外缘尺寸与内层钢管二（16）截面内缘尺寸互相匹配，内层钢管一（15）的一端嵌套在内层钢管二（16）的一端并焊接连接；所述内层钢管二（16）的另一端与外层钢管（12）的一端对齐，内层钢管一（15）的另一端高出外层钢管（12）的另一端；所述外层钢管（12）与内层钢管（11）之间浇筑夹层混凝土（14）形成所述的预制双层钢管混凝土节段（1），浇筑的夹层混凝土（14）的两端面与外层钢管（12）的两端面齐平；

所述外层钢管（12）、内层钢管（11）、内层钢管一（15）和内层钢管二（16）的长度L1、L2、L3和L4以及内层钢管一（11）与内层钢管二（16）的嵌套搭接长度L5之间存在如下关系：L3+L4≧L2>L1，L4-L5≧L2-L1，L3≧L4；

预应力筋（70）依次穿过承台预埋钢管（22）、双层钢管混凝土节段（1）的内层钢管（11）以及盖梁预埋钢管（32），施加相当于10%~40%预制双层钢管混凝土节段极限轴压承载力的张拉力，并再通过锚具（60）分别与基础承台（2）和盖梁（3）锚固。

2.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述基础承台（2）包括承台预埋钢管连接件（21），所述承台预埋钢管连接件（21）包括承台预埋钢管（22）、开孔加劲板（40）和端部钢板（50），承台预埋钢管（22）的截面尺寸与内层钢管一（15）的截面尺寸一致，埋入基础承台（2）的长度不小于直径的2倍，高出基础承台（2）顶面的长度L6=L2-L1；沿承台预埋钢管（22）的周向分布焊接若干开孔加劲板（40）；在开孔加劲板（40）靠近基础承台（2）顶面的一端焊接端部钢板（50）。

3.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述盖梁（3）包括盖梁预埋钢管连接件（31）；所述盖梁预埋钢管连接件（31）包括盖梁预埋钢管（32）、开孔加劲板（40）和端部钢板（50），盖梁预埋钢管（32）的截面尺寸与内层钢管二（16）的截面尺寸一致，盖梁预埋钢管（31）的长度L7≧L2-L1且不小于直径的2倍，埋入盖梁（3）且一端与盖梁（3）底面齐平；沿盖梁预埋钢管（32）的周向分布焊接若干开孔加劲板（40）；在开孔加劲板（40）靠盖梁（3）底面一端焊接端部端板（50）。

4.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述外层钢管（12）的截面形状为圆形、方形、矩形或多边形。

5.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述内层钢管一（15）和内层钢管二（16）的截面形状可以是圆形、方形、矩形或多边形。

6.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：内层钢管一（15）上部一定长度和内层钢管二（16）下部一定长度均沿周向分布设置若干成互相啮合的齿合键（18）。

7.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述外层钢管（12）两端部内侧、内层钢管二（16）一端外侧以及内层钢管一（15）距端部L2-L1处外侧延周向分布焊接若干加劲板（13）。

8.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：所述预制双层钢管混凝土节段（1）中浇筑的夹层混凝土（14）在两端局部高度范围内采用超高性能混凝土，或全部采用超高性能混凝土。

9.根据权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩，其特征在于：在相邻预制双层钢管混凝土节段（1）之间、以及双层钢管混凝土立柱与基础承台（2）和盖梁（3）之间的连接界面上采用环氧树脂胶接缝。

10.一种权利要求1所述的预制装配式双层钢管混凝土组合桥墩的施工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一、工厂预制

工厂制作预制双层钢管混凝土节段（1）、承台预埋钢管连接件（21）和盖梁预埋钢管连接件（31）；

步骤二、现场拼装

步骤2.1，吊装N1号预制双层钢管混凝土节段，将N1号节段的内层钢管二端嵌套安装在基础承台的预埋钢管上，保持预埋钢管轴线方向与双层钢管混凝土节段的轴线方向对齐；

步骤2.2，吊装N2号预制双层钢管混凝土节段，保持N2号节段的轴线方向与N1号节段的轴线方向对齐；

步骤2.3，将N2号节段的内层钢管二嵌套叠放在N1号节段内层钢管一的伸出部分；

步骤2.4，采用同样的方式，依次吊装、定位和拼装其它预制双层钢管混凝土节段；

步骤2.5，吊装盖梁，将盖梁预埋钢管的轴线方向与双层钢管混凝土立柱的轴线方向对齐，并嵌套安装在双层钢管混凝土立柱顶部节段内层钢管一的伸出部分；

步骤2.6，张拉预应力筋并锚固。

Images