一种震后可快速修复的预制BRB桥墩塑性铰结构的制作方法

一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构
技术领域
1.本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构。


背景技术：

2.桥梁结构作为交通体系的重要组成部分，在震后往往是交通生命线的枢纽，如果在地震中遭受破坏，就可能会给救灾工作带来巨大困难，因而如何提高桥梁的抗震性能也就备受人们的重视。经过多年的研究和实践，当前的桥梁抗震设计基本能实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但近年来国内外大地震的灾害调查显示震后交通中断及重建时间较长所间接引起的人员伤亡和经济损失往往更为严重。这都表明有效控制桥梁结构在地震中的损伤程度，缩短其在受损后的恢复时间对震后交通生命线的通畅有着非常重要的意义。
3.桥墩是桥梁结构最重要的承重构件，在地震引起的各类桥梁损伤中，桥墩的损伤和失效将直接影响桥梁结构的安全性和功能性，并且是造成桥梁结构震后难以修复的主要原因。传统的桥墩一般被设计成通过自身塑性铰区的钢筋屈服和混凝土开裂来耗散地震能量。虽然依据现行规范所设计的桥梁在地震中不易发生倒塌，但震后桥墩塑性铰区的严重破坏会对整个线路或区域的震后恢复带来巨大阻碍。
4.为了最大程度的避免类似情况的发生，针对桥梁结构的震后功能可恢复设计，各国学者开展了广泛的研究，希望通过设计相应的牺牲构件耗散地震能量，从而保护主体构件的完整性，比如设置偏心支撑、在双柱墩或格构式桥墩中设置防屈曲支撑(brb)、设置容易出现塑性铰的弱梁、设计成摇摆桥墩体系、设计成基底可自由转动的钢支撑摇摆框架结构等，但这些设计存在受损构件难以更换、构造复杂、耗能性能较差、适用面窄或不能自复位的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构，以解决传统桥墩墩底塑性铰区域耗能能力差、可修复性差且不具备自复位功能的问题，从而保证桥梁结构在震后可快速恢复使用功能。
6.为达到上述目的，本发明技术方案为：
7.一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构，包括桥墩、以及设于桥墩底端的承台，所述的桥墩包括位于上部的非塑性铰区和位于下部且由塑性铰结构构成的塑性铰区，所述的塑性铰结构包括固定连接于非塑性铰区下端与承台上端之间的预制劲性骨架以及环绕预制劲性骨架设置的防屈曲支撑(brb)构造，所述的防屈曲支撑(brb)构造包括均匀分布于预制劲性骨架外周的若干预制支撑内芯、设置于相邻的预制支撑内芯之间的预制填充块以及环绕所有的预制支撑内芯和预制填充块的约束保护层。
8.优选的，所述的预制劲性骨架包括组合截面柱、以及分别固定设于组合截面柱顶
端和下部的钢板a及钢板b，所述的组合截面柱的底端贯穿钢板b，并延伸入承台内部，所述的钢板b嵌设于承台的上端面，且钢板b的上表面与承台的上端面齐平、下表面与承台内的纵向钢筋焊接；所述的非塑性铰区、组合截面柱、钢板a及钢板b同轴设置，所述的钢板a上下表面的形状尺寸与非塑性铰区的横截面的形状尺寸相同，且钢板a及钢板b的上下表面的面积均大于组合截面柱横截面的面积，所述的钢板a的上表面与非塑性铰区内的纵向钢筋焊接。
9.优选的，所述的预制支撑内芯为“工”字形结构，包括一体成型的上翼板、腹板及下翼板，所述的钢板a及钢板b的相对面上分别设有与上翼板、下翼板相配的卡槽，所述的上翼板和下翼板分别卡接在相对应的卡槽内，并分别通过贯穿上翼板与钢板a或贯穿下翼板与钢板b的螺栓与钢板a或钢板b固定连接，所述的上翼板的下表面、钢板a的下表面以及连接二者的螺栓的下端面位于同一平面，所述的下翼板的上表面、钢板b的上表面以及连接二者的螺栓的上端面位于同一平面。
10.优选的，所述的预制填充块由多个拼装节段叠加而成，所述的拼装节段两侧端面分别与所对应的预制支撑内芯的腹板外表面相抵，且拼装节段朝向组合截面柱的一端与组合截面柱的外表面相抵，所述的预制填充块、预制支撑内芯和预制劲性骨架的组合结构的截面形状尺寸与非塑性铰区截面的形状尺寸相同。
11.优选的，所述的组合截面柱为圆柱形结构，所述的预制支撑内芯的腹板沿圆柱形结构的径向设置；或者，所述的组合截面柱为正棱柱形结构，所述的预制支撑内芯的腹板沿垂直于正棱柱形结构的侧端面的方向设置。
12.优选的，上下相邻的拼装节段的相对面之间、拼装节段朝向组合截面柱的端面与组合截面柱的外表面之间、顶端的拼装节段的上表面与钢板a的下表面之间、底端的拼装节段的下表面与钢板b的上表面之间、约束保护层的内表面与预制填充块的外表面之间、约束保护层的内表面与预制支撑内芯的外端面之间均采用环氧树脂胶黏剂固定连接，所述的预制填充块的侧端面与所对应的预制支撑内芯的腹板外表面之间无粘接。
13.优选的，所述的钢板a上表面和钢板b下表面分别均匀设置有若干剪力键。
14.优选的，所述的组合截面柱由钢管与普通混凝土或纤维增强混凝土材料制成；所述的预制支撑内芯由形状记忆合金或低碳钢材料制成；所述的预制填充块由普通混凝土或纤维增强混凝土材料制成；所述的约束保护层由纤维增强复合材料制成。
15.优选的，所述的钢板a、钢板b和预制支撑内芯的暴露面均进行防腐处理。
16.本发明一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构具有如下有益效果：
17.1.本发明构造简单，震后修复方便。当约束保护层、预制支撑内芯和预制填充块在震后需要修复时，可先取下受损的约束保护层和预制填充块，再松开预制支撑内芯翼板处的螺栓，更换受损的预制支撑内芯，最后重新安装拼接新的预制填充块和约束保护层，便可完成塑性铰区的修复，方便高效，安全可靠。
18.2.本发明耗能能力强、震后修复无需封闭交通。在桥梁正常运营时，约束保护层和预制填充块具有较好的耐久性和抗渗性，可防止预制支撑内芯及预制劲性骨架锈蚀，并可与预制支撑内芯和预制劲性骨架一起承担桥梁上部结构传递下来的荷载。在发生地震时，约束保护层、预制填充块和预制支撑内芯可形成brb构造，利用其自身材料高延性、耗能能力强的特点耗散地震能量，如果对预制支撑内芯施加预加力或预制支撑内芯采用形状记忆
合金材料制成，还具有自复位能力，可减轻或避免预制劲性骨架在地震中的损伤和变形。预制劲性骨架在震后仍可作为主要承载结构继续为桥梁结构提供必要的承载力，避免在修复约束保护层、预制填充块和预制支撑内芯的过程中封闭交通，从而保证桥墩在震后可不修复或经简单修复即可满足基本使用要求。
19.3.本发明适用范围广。塑性铰区制作简便、稳定性强、可靠性高，能应用于绝大部分公路桥梁、城市桥梁。
附图说明
20.图1、本发明的剖视结构示意图；
21.图2、本发明一种实施方式中a
‑
a向的剖视图；
22.图3、本发明一种实施方式中a
‑
a向的剖视图；
23.图4、本发明一种实施方式中a
‑
a向的剖视图；
24.图5、本发明一种实施方式中a
‑
a向的剖视图；
25.图6、本发明预制劲性骨架的结构示意图；
26.图7、本发明预制填充块的结构示意图；
27.图8、本发明预制支撑内芯的结构示意图；
28.01
‑
非塑性铰区；02
‑
塑性铰区；1
‑
承台；2
‑
桥墩；3
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预制填充块；4
‑
预制支撑内芯；41
‑
上翼板；42
‑
下翼板；43
‑
腹板；5
‑
预制劲性骨架；51
‑
钢板a；52
‑
钢板b；53
‑
组合截面柱；6
‑
螺栓孔；7
‑
承台内的纵向钢筋；8
‑
非塑性铰区的纵向钢筋；9
‑
非塑性铰区的箍筋；10
‑
环氧树脂胶粘剂；11
‑
螺栓；12
‑
约束保护层；13
‑
剪力键。
具体实施方式
29.以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
30.本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.实施例1、
32.一种震后可快速修复的预制brb桥墩塑性铰结构，如图1所示，包括桥墩2、以及设于桥墩2底端的承台1，所述的桥墩2包括位于上部的非塑性铰区01和位于下部且由塑性铰结构构成的塑性铰区02，所述的塑性铰结构包括固定连接于非塑性铰区01下端与承台1上端之间的预制劲性骨架5以及环绕预制劲性骨架5设置的防屈曲支撑构造，所述的防屈曲支撑构造包括均匀分布于预制劲性骨架5外周的若干预制支撑内芯4、设置于相邻的预制支撑内芯4之间的预制填充块3以及环绕所有的预制支撑内芯4和预制填充块3的约束保护层12。
33.如图2
‑
5所示，本发明给出了多种预制劲性骨架5与预制支撑内芯4及预制填充块3的组合结构。
34.实施例2、
35.在实施例1的基础上，本实施例进一步改进为：
36.如图1、6所示，所述的预制劲性骨架5包括组合截面柱53、以及分别固定设于组合截面柱顶端和下部的钢板a51及钢板b52，所述的组合截面柱53的底端贯穿钢板b52，并延伸入承台1内部，所述的钢板b52嵌设于承台1的上端面，且钢板b52的上表面与承台1的上端面齐平、下表面与承台内的纵向钢筋7焊接；所述的非塑性铰区01、组合截面柱53、钢板a51及钢板b52同轴设置，所述的钢板a51上下表面的形状尺寸与非塑性铰区01的横截面的形状尺寸相同，且钢板a51及钢板b52的上下表面的面积均大于组合截面柱53横截面的面积，所述的钢板a51的上表面与非塑性铰区内的纵向钢筋8焊接。
37.实施例3、
38.在实施例2的基础上，本实施例进一步改进为：
39.如图1、8所示，所述的预制支撑内芯4为“工”字形结构，包括一体成型的上翼板41、腹板43及下翼板42，所述的钢板a51及钢板b52的相对面上分别设有与上翼板41、下翼板42相配的卡槽，所述的上翼板41和下翼板42分别卡接在相对应的卡槽内，并分别通过贯穿上翼板41与钢板a51或贯穿下翼板42与钢板b52的螺栓11与钢板a51或钢板b52固定连接，即上翼板41通过螺栓11与钢板a51固定连接，下翼板42通过螺栓11与钢板b52固定连接，所述的上翼板41的下表面、钢板a51的下表面以及连接二者的螺栓11的下端面位于同一平面，所述的下翼板42的上表面、钢板b52的上表面以及连接二者的螺栓11的上端面位于同一平面。
40.实施例4、
41.在实施例3的基础上，本实施例进一步改进为：
42.如图1、7所示，所述的预制填充块3由多个拼装节段叠加而成，所述的拼装节段两侧端面分别与所对应的预制支撑内芯4的腹板43外表面相抵，且拼装节段朝向组合截面柱53的一端与组合截面柱53的外表面相抵，所述的预制填充块3、预制支撑内芯4和预制劲性骨架5的组合结构的截面形状尺寸与非塑性铰区截面01的形状尺寸相同。
43.实施例5、
44.在实施例4的基础上，本实施例进一步改进为：
45.如图2
‑
5所示，所述的组合截面柱53为圆柱形结构，所述的腹板43沿圆柱形结构的径向设置；或者，所述的组合截面柱53为正棱柱形结构，所述的腹板43沿垂直于正棱柱形结构的侧端面的方向设置。
46.实施例6、
47.在实施例5的基础上，本实施例进一步改进为：
48.如图1所示，上下相邻的拼装节段的相对面之间、拼装节段朝向组合截面柱53的端面与组合截面柱53的外表面之间、顶端的拼装节段的上表面与钢板a51的下表面之间、底端的拼装节段的下表面与钢板b52的上表面之间、约束保护层12的内表面与预制填充块3的外表面之间、约束保护层12的内表面与预制支撑内芯4的外端面之间均采用环氧树脂胶黏剂固定连接，所述的预制填充块3的侧端面与所对应的腹板43外表面之间无粘接。
49.实施例7、
50.在实施例6的基础上，本实施例进一步改进为：
51.如图1、6所示，所述的钢板a51上表面和钢板b52下表面分别均匀设置有若干剪力键13。
52.综上，本发明中，所述的组合截面柱53由钢管与普通混凝土或纤维增强混凝土材料制成；所述的预制支撑内芯4由形状记忆合金或低碳钢材料制成；所述的预制填充块3由普通混凝土或纤维增强混凝土材料制成；约束保护层12由纤维增强复合材料制成。
53.进一步的，所述的钢板a51、钢板b52和预制支撑内芯4的暴露面均进行防腐处理。
54.本发明的工作原理：
55.在桥梁结构正常运营时，约束保护层和预制填充块具有较好的耐久性和抗渗性，可防止预制支撑内芯及预制劲性骨架锈蚀，并可与预制支撑内芯及预制劲性骨架一起承担桥梁上部结构传递下来的荷载。在发生地震时，约束保护层、预制填充块和预制支撑内芯可形成brb构造，利用其自身材料高延性、耗能能力强的特点耗散地震能量，如果对预制支撑内芯施加预加力或预制支撑内芯采用形状记忆合金材料制成，还可通过预制支撑内芯来恢复桥墩的变形，从而减轻或避免预制劲性骨架在地震中发生损伤和不可恢复的变形。预制劲性骨架在震后仍可作为主要承载结构继续为桥梁结构提供必要的竖向承载力，避免在修复约束保护层、预制填充块和预制支撑内芯的过程中封闭交通，从而保证桥墩在震后可不修复或经简单修复即可满足基本使用要求。
56.当约束保护层、预制填充块和预制支撑内芯在震后需要修复时，可先取下受损的约束保护层和预制填充块，再松开预制支撑内芯上下翼板处的螺栓，更换受损的预制支撑内芯，最后重新安装拼接新的约束保护层和预制填充块，便可完成塑性铰区的修复，方便高效，安全可靠。
57.预制劲性骨架由组合截面柱和上、下两块连接钢板(即钢板a和钢板b)组成，若预制劲性骨架尺寸较小，则可以在工厂内整体制作完成后，再运输到施工现场使用；若预制劲性骨架尺寸较大，则可以将组合截面柱和连接钢板分别在工厂内预制并运输到施工现场，在现场将钢板焊接到组合截面柱上，再投入使用。
58.需要注意的是，预制劲性骨架的竖向截面承载力不低于桥墩非塑性铰区的竖向截面承载力，并按照此原则来设计组合截面柱的尺寸；塑性铰区的截面刚度不超过桥墩非塑性铰区的截面刚度，保证塑性铰的位置不会发生转移；螺栓数量及预制填充块的层数可根据实际情况调整；组合截面柱和钢板截面形状、尺寸大小不受约束，可根据实际情况确定；预制填充块的形状应随着预制劲性骨架的形状和所设置的预制支撑内芯的个数进行调整，使得预制填充块的外表面与预制劲性骨架以及预制支撑内芯的外表面充分贴合，三者构成的截面尺寸与形状与非塑性铰区截面的尺寸和形状相同。