CN115897375A - 一种模块化多腔室圆端形桥墩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多腔室圆端形桥墩，基础的上方竖直装配有多个节段，每个节段包含多个模块，模块的顶部和底部均设有装配式横隔板，模块内竖直设有无粘结GFRP预应力筋，模块内横向设有精轧螺纹钢，模块与基础之间、相邻上下模块之间均设有钢管灌浆阻尼器装置；通过无粘结GFRP预应力筋连接各个节段，并提供强震下的自复位能力；上下节段之间通过装配式横隔板、尺寸匹配的剪力键与剪力槽保证桥墩整体的抗震能力；水平向各个模块之间通过精轧螺纹钢连接成为整体，且设置尺寸匹配的凹凸键以利于施工时的安装定位及外荷载作用下协同受力；耗能构件采用可更换的钢管灌浆阻尼器装置，以实现桥墩耐久性优良、强震下地震损伤可控和震后易修复的目的。

Description

一种模块化多腔室圆端形桥墩

技术领域

本发明涉及桥墩领域，特别是涉及一种模块化多腔室圆端形桥墩。

背景技术

圆端形桥墩是我国铁路桥梁中应用广泛的一种墩柱形式。此类墩柱在施工、抗震设计时的主要困难在于：第一，铁路桥墩截面尺寸较大，山区现场交通及施工条件不便，装配式桥墩吊装及安装困难，采用整体现浇或普通装配式桥墩难以满足快速施工、环境保护等要求。第二，21世纪以来发生的若干次强烈地震，都对高速铁路桥墩造成了破坏，凸显铁路桥墩的抗震薄弱性，严重影响了交通生命线工程的地震安全。第三，高速铁路桥墩可能因腐蚀、老化等原因造成耐久性损伤，严重影响桥墩的全寿命地震安全。

综合上述背景，传统的圆端形桥墩截面尺寸较大，设计和施工复杂，强震下桥墩的损伤难以控制，因此，亟需一种施工方便快捷、耐久性好、震后地震损伤可控、震后易于修复的新型高速铁路桥墩，以提高高速铁路多灾害下韧性水准，保证交通大动脉多灾害安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多腔室圆端形桥墩，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种模块化多腔室圆端形桥墩，包括基础，所述基础的上方竖直装配有多个节段，每个节段包含多个模块，所述模块的顶部和底部均设有装配式横隔板，所述模块内竖直设有无粘结GFRP预应力筋，所述模块内横向设有精轧螺纹钢，所述模块与所述基础之间、相邻上下所述模块之间均设有钢管灌浆阻尼器装置。

优选地，所述模块包括内层钢管和外层钢管，所述内层钢管和所述外层钢管之间填充有混凝土，所述混凝土内设有预应力筋孔洞，所述无粘结GFRP预应力筋穿设于所述预应力筋孔洞内，所述内层钢管内设有空腔。

优选地，所述内层钢管与所述混凝土之间、所述外层钢管与所述混凝土之间均设有栓钉。

优选地，所述外层钢管之间设有凹凸键，所述凹凸键为棱台形。

优选地，所述无粘结GFRP预应力筋的两端分别延伸至所述模块外和所述基础内，且两端均设有预应力筋锚具。

优选地，所述精轧螺纹钢的两端分别延伸至所述模块外，且两端均设有精轧螺纹钢锚具。

优选地，所述装配式横隔板的端面设有剪力键，所述剪力键装配于剪力槽内，所述剪力键和所述剪力槽均为棱台形。

优选地，所述钢管灌浆阻尼器装置包括钢管灌浆阻尼器，所述钢管灌浆阻尼器的顶部竖直设有钢板，所述钢板的外侧中部设有水平钢板，所述水平钢板通过阻尼器螺栓与所述钢管灌浆阻尼器连接，所述钢板通过高强螺栓与所述模块连接，所述钢管灌浆阻尼器的底部横向设有刚性垫板，所述刚性垫板通过高强螺栓与所述基础连接。

优选地，所述钢管灌浆阻尼器装置包括钢管灌浆阻尼器，所述钢管灌浆阻尼器的顶部和底部均竖直设有钢板，所述钢板的外侧中部设有水平钢板，所述水平钢板通过阻尼器螺栓与所述钢管灌浆阻尼器连接，所述钢板通过高强螺栓与所述模块连接。

优选地，所述钢管灌浆阻尼器包括螺纹钢棒，所述螺纹钢棒的中部设有耗能部分，所述耗能部分的外部套设有钢管，所述钢管与所述耗能部分之间灌注有高强砂浆。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明采用多个模块、多个节段、工厂预制、现场拼装等施工手段，解决了传统铁路桥梁圆端型桥墩截面尺寸大，采用装配式桥墩时现场拼装需大型设备等问题。

2、每个模块由双层钢管和混凝土组成，钢管的高度较节段高度略小，强震下钢管与装配式横隔板之间不发生接触。钢管的约束作用可显著提高内部混凝土的强度，配合干接缝位置采用超高性能混凝土制成的装配式横隔板，强震下桥墩基本不发生破坏，可有效减少桥墩的地震损伤。

3、装配式横隔板采用超高性能混凝土制成，是连结上下节段、桥墩与基础的重要组成部件，强震下装配式横隔板很难发生破坏；同时通过剪力键与剪力槽传递剪力与扭矩，确保上下节段、桥墩与基础间连结的可靠性。

4、采用无粘结GFRP预应力筋，与预应力筋钢绞线相比，具有低弹性模量、耐腐蚀性好、抗拉强度高等优点。强震下，GFRP筋应力增加缓慢，避免了出现预应力筋拉断带来的桥墩倒塌的风险。

5、各个节段接缝处的连接以及第一节段与基础接缝处采用若干外置可更换的钢管灌浆阻尼器装置，钢管灌浆阻尼器装置连接桥墩各个节段与基础部分。强震作用钢管灌浆阻尼器轴向变形耗能并且该装置为震后可更换构件，实现桥墩结构地震损伤可控和震后易修复的要求。

6、钢管灌浆阻尼器的螺纹钢棒、耗能部分和钢管均采用不锈钢材料，耐久性良好。钢管与高强砂浆可提供较大的抗弯刚度，防止耗能部分因受压屈曲而失效，提高了阻尼器的耗能能力。现场安置钢管灌浆阻尼器时，对阻尼器施加一定的预应力，可在一定程度上延缓钢管灌浆阻尼器的屈曲破坏，并增加钢管灌浆阻尼器的耗能能力。

7、钢管耗能阻尼器的高强砂浆与耗能部分之间设置防腐油脂与塑料管，可保证高强砂浆与钢管不参与受拉作用，受拉仅由内部的耗能部分承担。螺纹钢棒与耗能部分的连接处，其截面逐渐减少，耗能部分的截面面积为螺纹钢棒截面面积的50％，这些特殊的构造措施可控制钢管灌浆阻尼器的屈服耗能发生在耗能部分。在受拉时，钢管灌浆阻尼器仅耗能部分参与工作；受压时，耗能部分和部分高强砂浆承受压力，而钢管不直接参与受压，钢管仅提供对高强砂浆和耗能部分的约束作用。

本发明提供的模块化多腔室圆端形桥墩与传统预制拼装的铁路圆端形桥墩相比，具有以下6个突出优点：其一，采用装配式形式，且由于截面由若干模块组成，单个模块的重量显著减少，便于施工，不需要大型的吊装设备，施工方便快捷，对现场交通及环境影响小。其二，每个模块由双层钢管和混凝土组成，钢管的高度较节段高度略小，强震下钢管不发生挤压破坏。钢管的约束作用可显著提高内部混凝土的强度，配合干接缝位置采用超高性能混凝土制成的装配式横隔板，强震下桥墩基本不发生破坏，可有效减少桥墩的地震损伤。其三，装配式横隔板采用超高性能混凝土制成，是连结上下节段、桥墩与基础的重要组成部件，同时通过剪力键与剪力槽传递剪力与扭矩，确保上下节段、桥墩与基础间连结的可靠性。其四，采用无粘结GFRP预应力筋，与预应力筋钢绞线相比，具有低弹性模量、耐腐蚀性好、抗拉强度高等优点。强震下，GFRP筋应力增加缓慢，避免了出现预应力筋拉断带来的桥墩倒塌的风险。其五，桥墩耗能构件采用可更换的钢管灌浆阻尼器，与传统阻尼器相比提高了阻尼器的耗能能力并且钢管灌浆阻尼器为震后可更换耗能构件，实现桥墩地震损伤可控和震后易修复的要求。其六，对钢管灌浆阻尼器，高强砂浆与耗能部分设置防腐油脂与塑料管，可保证高强砂浆与钢管不参与受拉作用，受拉仅由内部的耗能部分承担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明桥墩的横截面示意图；

图2为本发明桥墩的纵截面示意图；

图3为模块部分结构示意图；

图4为装配式横隔板部分结构示意图；

图5为连接基础与底层模块的钢管灌浆阻尼器装置结构示意图；

图6为连接各个模块的钢管灌浆阻尼器装置结构示意图；

图7为钢管灌浆阻尼器纵截面示意图；

图8为钢管灌浆阻尼器横截面示意图；

图中：1—混凝土，2—外层钢管，3—内层钢管，4—基础，5—无粘结GFRP预应力筋，6—精轧螺纹钢，7—凹凸键，8—栓钉，9—钢管灌浆阻尼器装置，10—装配式横隔板，11—预应力筋锚具，12—内部空腔，13—剪力键，14—剪力槽，15—精轧螺纹钢锚具，5-1—预应力筋孔洞，9-1—钢板，9-2—高强螺栓，9-3—阻尼器螺栓，9-4—刚性垫板，9-5—钢管灌浆阻尼器，9-6—水平钢板，9-5-1—螺纹钢棒，9-5-2—耗能部分，9-5-3—高强砂浆，9-5-4—钢管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种模块化多腔室圆端形桥墩，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例提供一种模块化多腔室圆端形桥墩，如图1-8所示，由混凝土1、外层钢管2、内层钢管3、基础4、无粘结GFRP预应力筋5、精轧螺纹钢6、凹凸键7、栓钉8、钢管灌浆阻尼器装置9、装配式横隔板10、预应力筋锚具11、内部空腔12、剪力键13、剪力槽14、精轧螺纹钢锚具15等组成。

具体地，桥墩由若干双层钢管-混凝土模块装配组成，各个模块由内层钢管3、外层钢管2及填充于两者间的混凝土1组成，内层钢管3、外层钢管2与混凝土1接触面设置一系列的栓钉8，便于钢管与混凝土间的粘结，内层钢管3内部为空腔12。

其中，内部空腔12可根据实际需要及现场施工条件决定是否填充混凝土，设计时不考虑内层钢管3中内部空腔12填充混凝土的受力性能，可作为桥墩的安全储备。

进一步地，沿墩高方向设置若干个节段，上下节段之间通过装配式横隔板10设置为干接缝或胶接缝连接形式，装配式横隔板10采用超高性能混凝土(UHPC)制成，装配式横隔板10与上下节段之间，设置尺寸匹配的剪力键13与剪力槽14，装配式横隔板10截面与桥墩截面相同，但采用实心方式，并预留对应位置的预应力筋孔洞5-1。剪力键13与装配式横隔板10为一体，沿装配式横隔板10四周布置，在混凝土1中，与剪力键13位置相匹配处设置剪力槽14，剪力键13、剪力槽14均为棱台形。

为避免钢管的局部应力集中破坏，每个节段中，内层钢管3、外层钢管2的高度均较节段高度略小，即上下节段的钢管之间预留缝隙，避免强震下上层钢管与下层钢管之间的接触破坏。

进一步地，水平方向各个模块之间通过精轧螺纹钢6连接成为整体，精轧螺纹钢6沿水平方向设置，穿过桥墩截面，并在两端设置精轧螺纹钢锚具15，精轧螺纹钢6中施加一定的预应力，水平向模块与模块之间，设置尺寸匹配的凹凸键7以利于施工时的安装定位及外荷载作用下协同受力，凹凸键7设置于各个模块的外层钢管2，凹凸键7为棱台形，由凹形键和凸形键构成，凹形键和凸形键沿各个相互接触的外层钢管2交错布置。

进一步地，在模块式桥墩截面中设置无粘结GFRP预应力筋5，在桥墩墩顶和基础4位置设置预应力筋锚具11，无粘结GFRP预应力筋5连接上下节段并贯穿桥墩。

进一步地，沿截面四周外置钢管灌浆阻尼器装置9，连接桥墩的上下节段、以及底层节段与基础4。当连接底层节段与基础4时，钢管灌浆阻尼器装置9由钢板9-1、高强螺栓9-2、阻尼器螺栓9-3、刚性垫板9-4、两个钢管灌浆阻尼器9-5以及水平钢板9-6组成。钢板9-1与桥墩外层钢管2的连接处以及刚性垫板9-4与桥墩基础部位的连接处均设置高强螺栓9-2，刚性垫板9-4可防止在地震动作用下造成阻尼器装置与基础连接位置的局部破坏；钢管灌浆阻尼器9-5连接桥墩底层节段与基础，在地震动作用下充当可更换的耗能构件。

钢管灌浆阻尼器9-5由螺纹钢棒9-5-1、耗能部分9-5-2、钢管9-5-4和高强砂浆9-5-3组成，螺纹钢棒9-5-1、耗能部分9-5-2和钢管9-5-4均采用不锈钢材料，螺纹钢棒9-5-1、耗能部分9-5-2均为圆形截面。钢管9-5-4和高强砂浆9-5-3均为环形截面。钢管9-5-4与耗能部分9-5-2之间填充高强砂浆9-5-3，高强砂浆9-5-3与耗能部分9-5-2之间设置防腐油脂与塑料管，以防钢管灌浆阻尼器9-5在受拉变形过程中造成砂浆局部拉裂。螺纹钢棒9-5-1与耗能部分9-5-2的连接处，其截面逐渐减少。耗能部分9-5-2的截面面积为螺纹钢棒9-5-1截面面积的50％。螺纹钢棒9-5-1与水平钢板9-6之间通过阻尼器螺栓9-3进行连接。通过拧紧阻尼器螺栓9-3对钢管灌浆阻尼器9-5施加预应力。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：包括基础，所述基础的上方竖直装配有多个节段，每个节段包含多个模块，所述模块的顶部和底部均设有装配式横隔板，所述模块内竖直设有无粘结GFRP预应力筋，所述模块内横向设有精轧螺纹钢，所述模块与所述基础之间、相邻上下所述模块之间均设有钢管灌浆阻尼器装置。

2.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述模块包括内层钢管和外层钢管，所述内层钢管和所述外层钢管之间填充有混凝土，所述混凝土内设有预应力筋孔洞，所述无粘结GFRP预应力筋穿设于所述预应力筋孔洞内，所述内层钢管内设有空腔。

3.根据权利要求2所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述内层钢管与所述混凝土之间、所述外层钢管与所述混凝土之间均设有栓钉。

4.根据权利要求2所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述外层钢管之间设有凹凸键，所述凹凸键为棱台形。

5.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述无粘结GFRP预应力筋的两端分别延伸至所述模块外和所述基础内，且两端均设有预应力筋锚具。

6.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述精轧螺纹钢的两端分别延伸至所述模块外，且两端均设有精轧螺纹钢锚具。

7.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述装配式横隔板的端面设有剪力键，所述剪力键装配于剪力槽内，所述剪力键和所述剪力槽均为棱台形。

8.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述钢管灌浆阻尼器装置包括钢管灌浆阻尼器，所述钢管灌浆阻尼器的顶部竖直设有钢板，所述钢板的外侧中部设有水平钢板，所述水平钢板通过阻尼器螺栓与所述钢管灌浆阻尼器连接，所述钢板通过高强螺栓与所述模块连接，所述钢管灌浆阻尼器的底部横向设有刚性垫板，所述刚性垫板通过高强螺栓与所述基础连接。

9.根据权利要求1所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述钢管灌浆阻尼器装置包括钢管灌浆阻尼器，所述钢管灌浆阻尼器的顶部和底部均竖直设有钢板，所述钢板的外侧中部设有水平钢板，所述水平钢板通过阻尼器螺栓与所述钢管灌浆阻尼器连接，所述钢板通过高强螺栓与所述模块连接。

10.根据权利要求8或9所述的模块化多腔室圆端形桥墩，其特征在于：所述钢管灌浆阻尼器包括螺纹钢棒，所述螺纹钢棒的中部设有耗能部分，所述耗能部分的外部套设有钢管，所述钢管与所述耗能部分之间灌注有高强砂浆。

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