一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构及施工方法与流程

1.本发明属于桥梁建设技术领域，具体涉及一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构及施工方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.在目前的桥梁工程中，单桩单柱且墩梁固结的下部结构广泛应用于中低抗震设防烈度的各种跨径桥梁当中。桥墩纵向钢筋下部伸入桩基内进行锚固，纵向钢筋上部伸入主梁进行锚固。后期运营过程中，承担竖向以及纵横向荷载的传递，当桥梁遭遇地震作用时，在地震动加速度以及近断层地震速度脉冲的作用下桥梁纵横向荷载短时间内急剧增大，而地震荷载主要由桥墩与桩基承担，桥墩与桩基的连接处通常位于地面上，根据规范规定，桥梁采用e1、e2两级抗震设防，e1地震作用为工程场地重现期较短的地震作用，对应于第一级设防水准，e2地震作用为工程场地重现期较长的地震作用，对应于第二级设防水准。规范规定桩基为能力保护构件，地震作用下不应产生塑性破坏，因此单桩单柱桥墩底部应产生塑性铰。在地震荷载作用下桥墩承受上部结构传递而来的水平向作用力，进而墩柱底部承受弯矩与水平剪力作用，从而形成塑性铰耗散能量。
4.(1)当同一联桥梁桥墩高度差距较大时，在地震往复荷载的作用下，较矮的桥墩底部将承受更大的荷载，在e1弹性阶段验算时，矮墩强度勉强可以通过，当进行e2弹塑性阶段验算时，墩顶位移以及墩底塑性铰抗剪强度很难通过。在遭遇地震时，实际情况中会产生横向剪切破坏等塑性破坏，失去承载能力。结构损坏严重，对后期修复运营造成严重影响，造成巨大经济。
5.(2)对于桥墩整体高度较小，且墩顶固接的桥墩，桥墩整体水平向刚度较大，在进行常规的温度应力验算和抗震验算时，由于高度偏小的桥墩水平刚度过大，且墩粱固结为超静定体系，在较小的位移情况下，高度偏小的墩柱将承受巨大的弯矩及剪力荷载，从而导致桥梁整体验算难以通过，并且额外增加桥墩配筋将很不经济。
6.综上，当桥梁跨越的地形有限制时，造成桥墩高度差距较大或者桥墩整体高度过小，都将达不到规范验算要求，严重影响了桥梁的运营安全和使用年限。


技术实现要素：

7.为解决单桩单柱且墩梁固结的桥墩在受地形限制墩高差距过大以及桥墩整体过矮的情况下不能满足规范验算要求的问题，本发明提出了一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构及施工方法，并通过如下的技术方案来解决：
8.一方面，本发明提供了一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构，包括隔离护筒、桩基以及设于桩基顶部的墩柱，桩基和墩柱的连接处深入地面以下，所述隔离护筒设置在桩基上，并向上延伸至地面以隔离周围土体，所述隔离护筒与所述墩柱之间留有空隙。
9.进一步地，所述隔离护筒底部与所述桩基搭接，两者浇筑在一起。
10.进一步地，所述隔离护筒周围填有级配砂砾。
11.进一步地，所述隔离护筒顶部与所述墩柱之间设有盖板，封闭所述空隙顶部。
12.进一步地，所述墩柱圆周上设有若干角钢，所述盖板设置在角钢上。
13.进一步地，所述盖板具有坡度，所述盖板靠近墩柱侧高于靠近隔离护筒侧。
14.进一步地，所述隔离护筒为金属波纹管。
15.另一方面，本发明提供了一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构的施工方法，包括以下步骤：
16.(a)根据整联桥梁计算结果，计算需要的墩柱长度，确定隔离护筒的长度，根据隔离护筒埋置深度，选择满足要求的隔离护筒结构；
17.(b)按照规定深度并参考施工过程确定墩柱周围土体开挖深度；
18.(c)浇筑桩基混凝土至墩柱钢筋插入桩基的底部位置；
19.(d)浇筑桩基顶段混凝土时以隔离护筒为模板与桩基混凝土一起浇筑；
20.(e)浇筑墩柱混凝土，所浇筑墩柱直径小于桩基直径；
21.(f)墩柱圆周上安装盖板，封闭墩柱与隔离护筒之间的空隙；
22.(g)回填隔离护筒周围土体，回填土体采用级配砂砾；
23.(h)浇筑上部结构、安装桥面以及附属结构，附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构成桥。
24.进一步地，在步骤(d)中，为保证隔离护筒与桩基搭接段的连接稳固，以隔离护筒作为桩基浇筑的模板，继续浇筑桩基剩余的搭接段至设计高度。
25.进一步地，在步骤(a)中，根据抗震计算以及常规计算中的温度计算结果，确定矮墩的合理墩高，从而确定墩柱需要加高的长度，进而根据现状地形确定隔离的高度，根据周围土体重度以及确定的护筒高度，确定隔离护筒承受的土压力，根据土压力计算确定采用的隔离护筒的规格。
26.上述本发明的有益效果如下：
27.(1)本发明附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构通过向地面以下延伸墩柱克服了因地形限制不可改变墩柱整体长度的问题，有利于增加桥墩的整体长度，变相降低了水平面从而增加了桥墩的高度，进而可以保证一联当中的桥墩高度相差不大，在不大幅度增加工程造价的前提下，满足了规范的验算要求。
28.(2)本发明附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构适用于因地形限制的中小跨径桥梁，其构造和加工制作过程简单，施工操作方便，以较小的工程造价取得较大的工程效果，显著降低工程造价，具有良好的经济效益。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
30.图1为本发明附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构整联应用示意图；
31.图2为本发明附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构示意图；
32.图3为本发明图2中的桥墩的a
‑
a横截面示意图；
33.图4为本发明图2中的桥墩的b
‑
b横截面示意图；
34.图5为本发明附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构的隔离护筒回填示意图；
35.图6为本发明图2中c处局部放大图；
36.图7为本发明实验例中的水平向设计加速度反应谱图。
37.图中，1金属波纹管，2墩柱，3桩基，4上部结构，5盖板，6地面，7角钢，8镀锌膨胀螺栓，9镀锌普通a级螺栓，10氯汀橡胶片，11级配砂砾。
38.为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
39.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。需要说明的是，“高度”是指从地面或基准面到某处的距离，“长度”则为点到点的距离，本实施例中，墩柱高度是指以地面为基准面向上延伸至墩柱顶部的距离，墩柱长度则是指墩柱的底部与顶部之间的距离。
40.实施例1
41.如图1所示，附加隔离护筒的墩柱2位于一联三跨现浇箱梁桥梁的下部，桥墩采用混凝土浇注而成，墩柱2底部接桩基3，总体为单桩单柱形式，桥墩顶部固结箱粱的端部横梁，与桥梁的上部结构4整体浇筑在一起。根据纵断来看，由于地形限制，桥梁中间两个墩柱2高度相对于第一个墩柱2高度减小较多，在常规温度计算与抗震计算过程中，中间较矮墩柱计算不能满足规范要求同时也不满足抗震设计理念，通常的解决方式为加大墩柱2直径，增强墩柱2的极限承载能力，增大了桥墩的水平向刚度，而且增加了整体造价，效果不佳。或者增大开挖面积，降低地面线高程，从而增大墩柱2的高度，但是工程造价过大。综合现场地形具体情况，本发明提出的附加隔离护筒可以在不增加墩柱2尺寸、不增加挖方量的前提下，以很小的代价增加墩柱2的高度，减小墩柱2水平向高度差，从而使得墩柱2计算符合规范规定。
42.如图1
‑
2所示，本实施例提供了一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构，包括隔离护筒、桩基3以及设于桩基3顶部的墩柱2，本实施例中，隔离护筒优选为金属波纹管1，桩基3和墩柱2的连接处深入地面以下，金属波纹管1设置在桩基3上，并向上延伸至地面6以隔离周围土体，金属波纹管1与墩柱2之间留有空隙。
43.当桥梁跨越的地形受到限制，造成墩柱高度差距较大或者墩柱整体高度过小，桥墩抗震性能以及温度荷载作用下的次内力，都将达不到规范的验算要求，该结构通过向地面以下延伸墩柱克服了因地形限制不可改变墩柱整体长度的问题，有利于增加桥墩的整体长度，变相降低了水平面从而增加了桥墩的高度，进而可以保证一联当中的桥墩高度相差不大，从而可以减小温度计算下的附加内力以及抗震计算当中水平向刚度差距过大而水平力分配不均匀、墩顶位移过小的问题。
44.在桥梁运营过程中，墩柱主要承受荷载主要为：结构重力、汽车荷载、汽车制动力、温度作用、地震作用。结构重力与汽车荷载主要使墩柱承受轴向压力；汽车制动力、温度作用与地震作用使墩柱承受水平向弯矩作用。
45.桥梁在运营过程中墩柱通常承受压力，但在承受汽车刹车时产生的纵向制动力以及温度作用下主梁纵向长度增加而带来的水平向弯矩，会使墩柱的受力状态成为偏心受压。
46.常规验算下，墩柱构造尺寸及配筋应满足墩柱承载力与相应裂缝宽度的要求。但墩柱高度越小，墩柱刚度越大，温度作用产生的墩底附加弯矩将会越大，因此需要增加墩柱构造尺寸或者增加配筋，来满足承载力与裂缝宽度的要求，但会增大墩柱刚度，进而增大墩底附加弯矩，实际效果很差。若通过减小墩柱尺寸减小刚度，则可能出现墩柱承载力不足的情况。因此本发明可以方便增加墩柱长度，变相降低了水平面从而增加了桥墩的高度，进而解决相关问题。
47.在验算e1阶段地震作用时，e1阶段需要保证墩柱在弹性范围内，也就是地震荷载所产生的弯矩以及剪力不能超过墩柱承载力。但因跨中连续墩为固定墩，且高度小于边墩则刚度大于边墩，因此地震作用的水平力主要由墩高较小的固定墩承受，造成墩底弯矩过大，超出墩柱本身的承载力，则不满足e1阶段对于墩柱的要求，若增加矮墩截面尺寸便会增加造价，同时同一联桥梁墩柱尺寸不同也会影响造型美观。
48.在验算e2阶段地震作用时，e2阶段需要保证墩顶位移、墩底塑性铰抗剪强度满足要求。当墩柱截面相同时，墩柱高度越小，墩顶允许位移就越小，因此不能保证矮墩墩顶位移满足规范要求。当同一联桥墩截面以及配筋相同时，则墩底塑性铰抗剪强度相同，但矮墩承受较大的剪力，因此矮墩塑性铰抗剪强度也不易验算通过。
49.本发明可以在不大幅度增加工程造价的前提下，满足规范的验算要求。
50.墩柱2底部与桩基3一起浇筑，墩柱2与桩基3的纵向钢筋按规范连接，从而增加桩柱的整体性。上部结构4荷载通过墩梁固结处的箱粱横梁传递到墩柱2、桩基3。在地震水平加速度作用以及日常运营时汽车制动力作用下，桥墩底部主要承受轴向压力、弯矩以及剪力。
51.如图2所示，在本实施例中，金属波纹管1底部与桩基3搭接，两者浇筑在一起。金属波纹管1下部作为桩基3浇筑时的模板与桩基3整体浇筑，一般情况下金属波纹管1需要与桩基3搭接1m的距离，从而保证金属波纹管1的竖向承载力以及初始的定位。根据计算确定墩柱2的长度，然后确定金属波纹管1埋置的深度，根据埋置深度以及周围土体的重度确定金属波纹管1承受的土压力，从而确定金属波纹管1的波距、波高、薄厚等技术指标。同时应根据土体的腐蚀性指标确定金属波纹管1表面镀锌处理工艺。保证金属波纹管1的使用寿命，减少其在桥梁后期使用维护期间的更换次数。
52.如图2
‑
3所示，金属波纹管1顶部与墩柱2之间设有盖板5，封闭空隙顶部，防止人员跌落以及雨水等杂物的掉入,盖板5为镀锌钢板防止腐蚀。墩柱2圆周上设有若干角钢7，盖板5设置在角钢7上，角钢7为镀锌角钢。
53.如图3和图6所示，盖板5由两片环形盖板焊接而成，盖板5根据墩柱2与桩基3直径的差值确定钢板的厚度，盖板5厚度通常为8mm～12mm厚。盖板5直径通常大于金属波纹管1直径，取值范围通常在15cm～20cm。盖板5内侧放置在角钢7上，角钢7尺寸采用l80
×
10镀锌角钢，墩柱2周围8块均布，8块角钢的总长度通常为墩柱2周长的60％，然后均匀分布在墩柱2周围，采用m14镀锌膨胀螺栓8固定于墩柱2上。盖板5与角钢7采用m10镀锌普通a级螺栓9连接。盖板5外侧放置与金属波纹管1之上，不设置连接方式。
54.盖板5与墩柱2连接处采用3mm
×
30cm氯汀橡胶片10环绕墩柱2一周，氯汀橡胶片10与盖板5和墩柱2的粘结长度均为8cm。m14镀锌膨胀螺栓8固定于角钢7翼缘的中间位置，距离端部4cm，固定角钢7与盖板5的m10镀锌普通a级螺栓9，设置在距离墩柱2表面4cm位置处，
盖板5具有坡度，盖板5靠近墩柱2侧高于靠近金属波纹管1侧，盖板5设置为中间高四周低的形式，坡度大约为0.5％左右，以利于其上的积水排除，盖板5与墩柱2之间设置1cm的空隙，方便盖板5的安装施工。
55.如图4所示，8块l80
×
10角钢7均匀分布在墩柱2周围，每块角钢7上设置的两个m14镀锌膨胀螺栓8，两个m14膨胀螺栓8的间距为角钢7长度的5/8。
56.如图5所示，金属波纹管1周围填有级配砂砾11，金属波纹管1外侧设置水平向厚度40cm的级配砂砾11回填。回填范围为墩柱2与桩基3连接处向上至地面，从而可以减少周围土体对于金属波纹管1的腐蚀，延长金属波纹管1的额使用寿命。
57.实施例2
58.本实施例提供了一种附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构的施工方法，本实施例中，金属波纹管为隔离护筒的优选结构。
59.包括以下步骤：
60.(a)根据整联桥梁计算结果，计算需要的墩柱长度，确定金属波纹管的长度，根据隔离护筒埋置深度，选择满足要求的金属波纹管；
61.(b)按照规定深度并参考施工过程确定墩柱周围土体开挖深度；
62.(c)浇筑桩基混凝土至墩柱钢筋插入桩基的底部位置；
63.(d)浇筑桩基顶段混凝土时以金属波纹管为模板与桩基混凝土一起浇筑；
64.(e)浇筑墩柱混凝土，所浇筑墩柱直径小于桩基直径；
65.(f)墩柱圆周上安装盖板，封闭墩柱与金属波纹管之间的空隙；
66.(g)回填金属波纹管周围土体，回填土体采用级配砂砾；
67.(h)浇筑上部结构、安装桥面以及附属结构，附加隔离护筒单桩单柱的延性抗震结构成桥。
68.在步骤(a)中，根据抗震计算以及常规计算中的温度计算结果，确定矮墩的合理墩高，从而确定墩柱需要加高的长度，进而根据现状地形确定金属波纹管的长度，根据周围土体重度以及确定的金属波纹管长度，确定金属波纹管承受的土压力，根据土压力计算确定采用的金属波纹管的规格(波距、波高、壁厚)，并应符合公路涵洞通道用金属波纹管(板)的要求，工厂根据构造要求，对成品金属波纹管进行处理，得到符合要求的金属波纹管。
69.进一步的，根据当地土体的环境类别，确定金属波纹管表面镀锌处理的厚度；根据桥梁设计使用年限、环境类别以及周围土体是否有腐蚀性，确定镀锌金属波纹管的耐腐蚀措施以及年限，例如波纹钢表面镀锌厚度等措施。
70.在步骤(c)中，因墩柱钢筋插入桩基一段距离，桩基混凝土浇筑分为两段，首先浇筑至墩柱钢筋的最底部，清理破桩头，确保桩基混凝土浇筑质量。
71.在步骤(d)中，为保证金属波纹管护筒与桩基搭接段的连接稳固，以波纹管作为桩基浇筑的模板，继续浇筑桩基剩余的搭接段至设计高度。
72.在步骤(g)中，采用级配砂砾回填波纹钢护筒周围土体，最小保证波纹管周围40cm内范围内为级配砂砾，采用级配砂砾的透水性，保证金属波纹管外表面不至于浸没在水中，提高金属波纹钢护筒的使用年限。
73.在步骤(f)中，盖板为镀锌钢盖板，根据墩柱直径以及桩柱直径确定镀锌钢盖板的构造；根据当地的环境类别，确定镀锌钢盖板表面镀锌处理的厚度。为了固定镀锌钢盖板在
墩柱上设置八块镀锌角钢，根据墩柱周长按比例确定八块镀锌角钢的总长度，并采用膨胀螺栓安装镀锌角钢。安装钢盖板，并采用镀锌普通a级螺栓与角钢连接，之后采用氯丁橡胶片密封墩柱与镀锌钢盖板之间的空隙，氯丁橡胶片的总长度要根据墩柱周长来确定。
74.进一步的，为方便钢盖板的安装，镀锌钢盖板内径应比墩柱直径大2cm，同时钢盖板外径应比金属波纹管护筒的波峰处的直径大30cm。
75.进一步的，墩柱周边环形均匀布置8块镀锌角钢，作为钢盖板内侧的支撑，角钢总长度为应为墩柱周长的40％左右，镀锌角钢所占比例可以做适当调整，单块角钢的长度不应过长，与墩柱外表面的距离不应过大，同时也不应过小，避免两根镀锌膨胀螺栓距离过近。
76.实验例1：
77.选取如附图1所示设置钢护筒的一联3x30m预应力混凝土连续箱梁。下部结构墩柱直径为1.3m，跨中墩柱为固接墩，桩基直径为2m，上部结构为宽度9m，高度1.7m的等高单箱双室预应力混凝土箱梁。1墩～4墩高度或长度依次为8.9m(地上8.9m)、8.5m(地上6m,地下2.5m)、8.4m(地上5m,地下3.4m)、8.2m(地上8.2m)。
78.1.桥墩墩顶刚度计算公式：
[0079][0080]
式中：k
i
——i号墩墩顶刚度；
[0081]
n——一个单排桩桥墩墩柱数；
[0082]
0.8e
h1
i
h1
——墩柱混凝土弹性模量与柱毛截面惯性矩乘积的0.8倍；
[0083]
δ
hm
、δ
hm
、δ
mh
、δ
mm
——用“m”法计算桩基时的有关系数；
[0084]
h——墩高(墩顶至桩顶)；
[0085]
2.桥梁结构周期：
[0086][0087]
式中：t——桥梁结构周期；
[0088]
k
l
——桥梁的刚度；
[0089]
m
t
——一联桥梁总质量，应包含梁体质量；
[0090]
3.水平向设计加速度反应谱值：
[0091]
根据水平向设计加速度反应谱，如图7所示，桥梁自振周期通常大于t
g
，位于加速度谱值下降段，因此所受地震力随周期的增大而减小。
[0092]
4.地震等效均布荷载p：
[0093][0094]
式中：p——地震等效静力荷载(kn/m)；
[0095]
s——根据结构周期t计算的反应谱值(kn/m)；
[0096]
l——一联桥梁总长(m)；
[0097]
5.桥墩地震力分配：
[0098][0099]
式中：p——地震等效静力荷载(kn/m)；
[0100]
p
i
——i号墩分配的地震等效静力荷载；
[0101]
k
i
——i号墩墩顶刚度；
[0102]
n——一联中墩柱个数；
[0103]
6.桥墩承载力计算：
[0104][0105]
α
t
＝1.25
‑
2α
[0106]
式中：a——圆形截面面积；
[0107]
a
s
——全部纵向钢筋截面面积；
[0108]
m——桥墩承受弯矩；
[0109]
m
ud
——正截面抗弯承载力设计值；
[0110]
r——圆形截面半径；
[0111]
r
s
——纵向普通钢筋重心所在圆周的半径；
[0112]
e0——轴向力对截面重心的偏心距；
[0113]
α——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值；
[0114]
α
t
——纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值当α大于0.625时，取α
t
为0；
[0115]
表1墩柱验算表格
[0116][0117][0118]
对比例：1
[0119]
选取如附图1所示不设置钢护筒的一联3x30m预应力混凝土连续箱梁。下部结构墩柱直径为1.3m，跨中墩柱为固接墩，桩基直径为2m，上部结构为宽度9m，高度1.7m的等高单箱双室预应力混凝土箱梁。1墩～4墩高度依次为8.9m、6m、5m、8.2m。
[0120]
表2墩柱验算表格
[0121][0122]
因此根据公式1
‑
6推导及表1、2可得：当对比例1不满足抗震验算要求时，实验例1则可以满足抗震验算。
[0123]
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。