一种带外置耗能器的预制桥墩结构的制作方法

1.本实用新型涉及桥梁工程领域，涉及一种带外置耗能器的预制桥墩结构。


背景技术：

2.我国位于世界两大地震带―环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块及菲律宾海板块的挤压碰撞，地震断裂带十分活跃。我国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。由此同时，我国多数桥梁所处环境非常恶劣，服役期内不可避免会发生外界侵蚀性介质腐蚀引起的耐久性损伤，进而引起桥梁抗震性能发生大幅退化。作为城市交通工程的枢纽，桥梁起着抢险救援和人员逃生的重要作用。桥墩作为桥梁的主要抗侧力和支撑构件，对桥梁整体结构的稳定性与安全至关重要。大量震害调查结果表明，钢筋混凝土桥墩在高轴压比和地震作用下，墩底塑性铰区域会出现纵筋屈曲及混凝土压碎剥落等现象，进而致使桥梁结构发生破坏或倒塌且难以修复，影响应急救援工作的开展。鉴于此，近年来国内外学者提出并发展了基于可恢复功能设计理念的新型抗震结构和体系，可恢复结构体系由装配式构件组成，施工快捷方便，且震后可修复性高。但与常规现浇桥墩相比，自复位桥墩在震后残余位移显著减小，具有良好的自复位能力，但自复位桥墩耗能能力较差。为此，可通过添加耗能构件和采用高性能材料来大幅提高其抗震性能。
3.ecc是以水泥、水泥加填料或粒径不大于5mm的细集料作为基体，用纤维做增强材料的水泥基复合材料。与普通混凝土相比，ecc由于受到内部纤维桥联作用，能将材料开裂区应力分散至周围未开裂区，有效降低材料裂缝处的应力水平，使得ecc在拉伸作用下表现出应变硬化和多缝开裂的特性。因此ecc材料可通过大变形、多缝开裂和应变硬化耗散地震能，其抗震性能好，具有强有力的耗能能力。
4.bfrp是将玄武岩纤维粗纱浸润树脂后通过特有的热成形模具在一定的牵引力下拉挤成型的纤维材料。与传统的工程材料(钢材、混凝土及木材等)相比，bfrp具有轻质高强、良好的耐久性、优越的耐疲劳性能及优良的可设计性等特点，其优异的力学性能使其在预应力结构中展现出巨大优势。另外，我国的玄武岩矿石资源丰富，取材广泛，为玄武岩纤维的大规模生产提供了原料保障。因此，玄武岩纤维在我国具有广阔的发展前景。


技术实现要素：

5.为了解决预制桥墩抗震性能和耐久性不足的问题，本实用新型提供一种带外置耗能器的预制桥墩结构，该桥墩结构兼有内置和外置耗能构件起到耗能作用，可大幅提高桥墩结构的抗震性能；且引入高性能材料ecc和bfrp，可有效防止外界腐蚀性介质对桥墩结构的侵蚀，大幅提高桥墩结构在腐蚀性环境下的耐久性和安全性。
6.为了达到上述技术目的，本实用新型提供了一种带外置耗能器的预制桥墩结构，其特征在于：所述桥墩结构包括桥墩主体、承台、内置不锈钢筋及外置软钢耗能器，所述桥墩主体包括上部的钢筋混凝土段和下部与承台咬合的ecc材料增强段，所述ecc材料增强段
与钢筋混凝土段通过bfrp筋连接为一体，并通过bfrp筋与承台连接，所述bfrp筋下端通过钢板锚固结构锚固在承台内，上端通过锚具锚固在钢筋混凝土段顶面，所述内置不锈钢筋布置在ecc材料增强段与承台连接处；所述外置软钢耗能器包括两组沿横桥向与承台成30
°
～60
°
角对称布置在桥墩主体两侧的软钢耗能器，每组软钢耗能器包括低屈服点软钢、自复位弹簧、钢板外壳及连接头，所述低屈服点软钢位于钢板外壳中部，自复位弹簧对称分布在低屈服点软钢的两侧，所述连接头分别设置在钢板外壳的两端；在桥墩主体侧面和承台上部对应设有耳板，所述软钢耗能器的两端连接头分别通过高强度螺栓与对应的耳板连接。
7.本实用新型较优的技术方案：所述ecc材料增强段与钢筋混凝土段为工厂预制，并通过bfrp筋进行连接，所述ecc材料增强段与承台之间通过凹凸结构连接，凹凸结构的截面尺寸可根据实际情况进行确定。
8.本实用新型较优的技术方案：所述桥墩主体和承台通过4根bfrp筋相连，每根bfrp筋相互间隔排列于桥墩墩柱中心，每个bfrp筋笔直无弯折的贯穿整个墩体主体，一端通过钢板锚固结构锚固于承台内，另一端通过夹片式锚具锚固在桥墩主体顶面。
9.本实用新型较优的技术方案：所述钢板锚固结构包括中心钢管、焊接在钢管上的2～4片圆形钢板，bfrp筋下端穿过中心钢管与底部圆形钢板固定连接。
10.本实用新型较优的技术方案：内置不锈钢筋上端布置在ecc材料增强段，每根距墩柱外表面距离为40～80mm，下端内置于承台深处200～500mm；且每根内置不锈钢筋下端弯折成90
°
角，弯折长度为500～1000mm。
11.本实用新型较优的技术方案：在钢板外壳的两端分别对称设有两个连接头，在ecc材料增强段两侧分别对称设有两个耳板，在桥墩主体两侧的承台上也分别设有两个耳板。
12.本实用新型中的预制桥墩结构，通过bfrp筋将其上部桥墩主体与下部承台结构连接起来，并具有两道耗能装置来消耗地震能量。在地震过程中，桥墩墩柱和承台产生分离，通过结构自重、自复位构件将结构回到原来形态，桥墩进入摇摆运动状态，隔离外部震动，减少损伤，该桥墩结构可不借助外力作用下，通过自复位构件提供恢复力，从而恢复到原来位置。并可通过两道耗能装置耗散地震能量，使得在震后桥墩不用修复或稍加修复就能够恢复使用，进而大幅提高桥墩结构的抗震性能，保证桥梁结构基本的运输功能。
13.本实用新型的有益效果：
14.(1)本实用新型中外置软钢耗能器作为第一道耗能防线，内置不锈钢筋作为第二道耗能防线；外置软钢耗能器采用低屈服点软钢，其屈服时间早于不锈钢筋，从而外置软钢耗能器对内置不锈钢筋起到一定保护作用，避免不锈钢筋过早屈服，有利于桥墩结构在地震作用下耗能能力的持续发挥，提高了桥墩结构的安全性能；外置软钢耗能器中的钢板外壳可隔绝外界环境中的空气和水，防止软钢及自复位弹簧发生锈蚀。自复位弹簧不起耗能作用，但可提供限制或复位功能，与bfrp筋一起为结构提供自复位能力，减少桥墩震后残余变形。且外置软钢耗能器震后易于更换，符合可恢复功能抗震结构理念。
15.(2)本实用新型通过引入高性能新材料ecc用于预制桥墩的塑性铰区，不仅可利用ecc材料的应变硬化、多缝开裂及高延性等特点来耗能地震能量，还可对混凝土保护层剥落及纵筋屈曲起到一定程度的抑制作用，且其优异的裂缝控制能力可大幅提高桥墩结构的耐久性。
16.(3)本实用新型中采用不锈钢筋作为内置耗能钢筋，因为内置耗能钢筋的性能关
乎结构整体的耗能能力，一旦内置耗能钢筋发生锈蚀，其耗能能力大幅缩减，进而起不到良好的耗能作用。本实用新型采用不锈钢筋可从本质上解决内置耗能钢筋锈蚀问题，且不锈钢筋的滞回曲线更加饱满、耗能能力优异，具有良好的延性，可避免地震过程中钢筋拉断以充分耗能，降低桥墩后期维护成本。
17.(4)本实用新型的桥墩主体与承台采用bfrp(玄武岩纤维增强复合材料)筋连接，通过对bfrp筋施加预应力，利用bfrp筋的回缩在结构中产生预应力，从而为结构提供自复位能力。相对于普通钢筋及钢绞线，bfrp筋强度高，弹性模量较低，使其由混凝土收缩徐变产生的预应力损失值明显较小；且bfrp材料的拉伸应力-应变关系接近线弹性，不存在塑性变形，更加有利于实现结构自复位和可修复性。另外，普通钢材在腐蚀环境下极易锈蚀，其较高的预应力水平会进一步加剧了腐蚀速率，而bfrp筋具有较强的耐腐蚀性能，可大幅提高混凝土结构的耐久性和安全性。
18.(5)本实用新型中bfrp筋采用钢板锚固结构，在无粘结预应力结构中，预应力筋张拉力的保持和对混凝土的传递完全依靠其预应力锚固端，该锚固结构一方面可以增大bfrp筋与混凝土的接触面积，增加bfrp筋的锚固力，从而防止地震作用下bfrp筋断落或滑脱。另一方面可减少锚固段应力集中现象，避免锚杆锚固端应力过大，导致承台局部混凝土发生开裂剥落，致使锚固失效。
19.本实用新型中的预制桥墩结构在地震过程中，通过结构自重、自复位构件将结构回到原始形态，桥墩进入摇摆运动状态，进而隔离外部震动，减少损伤，并兼有两道耗能装置消耗地震能量，保障桥墩结构安全，使其在震过后不会产生较大损坏，在简单地修复后即能快速恢复桥梁结构的使用功能。本桥墩结构的耗能能力高和自我恢复的特性，具有很强的推广应用价值。
附图说明
20.图1是本实用新型的桥墩结构示意图；
21.图2是图1中a-a截面剖面图；
22.图3是图1中b-b截面剖面图；
23.图4是本实用新型中的外置软钢耗能器的平面示意图；
24.图5是本实用新型中的外置软钢耗能器的结构示意图；
25.图6是本实用新型中的钢板锚固结构的示意图。
26.图中：1—钢筋混凝土段，2—bfrp筋，3—ecc材料增强段，4—耳板，5—承台，6—钢板锚固结构，6-1—圆形钢板，6-2—中心钢管，7—内置不锈钢筋，8—外置软钢耗能器，8-1—低屈服点软钢，8-2—自复位弹簧，8-3—钢板外壳，8-4—连接头，9—高强度螺栓，10—夹片式锚具，11—凹凸结构。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至6均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动
前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.实施例中提供的一种外置耗能器的预制桥墩结构，如图1至图3所示，所述桥墩结构包括桥墩主体、承台5、内置不锈钢筋7及外置软钢耗能器8，所述桥墩主体包括上部的钢筋混凝土段1和下部与承台5咬合的ecc材料增强段3，所述ecc材料增强段3与钢筋混凝土段1为工厂预制，并通过四根bfrp筋2进行连接，所述ecc材料增强段3与承台5之间通过凹凸结构11连接。桥墩主体通过bfrp筋2与承台5连接，所述bfrp筋2相互间隔排列于桥墩墩柱中心，每个bfrp筋2笔直无弯折的贯穿整个墩体主体，一端通过钢板锚固结构6锚固于承台5内，另一端通过夹片式锚具10锚固在钢筋混凝土段1顶面；如图4所示，所述钢板锚固结构6包括中心钢管6-2、焊接在钢管6-2上的2～4片圆形钢板6-1，bfrp筋2下端穿过中心钢管7与底部圆形钢板6-1固定连接。所述内置不锈钢筋7布置在ecc材料增强段3与承台5连接处，内置不锈钢筋7上端布置在ecc材料增强段3，每根距墩柱外表面距离为40～80mm，下端内置于承台5深处200～500mm；且每根内置不锈钢筋7下端弯折成90
°
角，弯折长度为500～1000mm。
30.实施例中提供的一种外置耗能器的预制桥墩结构，如图1至图3所示，所述外置软钢耗能器8包括两组沿横桥向与承台5成30
°
～60
°
角对称布置在桥墩主体两侧的软钢耗能器，如图5所示，每组软钢耗能器包括低屈服点软钢8-1、自复位弹簧8-2、钢板外壳8-3及连接头8-4，所述低屈服点软钢8-1位于钢板外壳8-3中部，自复位弹簧8-2对称分布在低屈服点软钢8-1的两侧，所述连接头8-4分别设置在钢板外壳8-3的两端；在桥墩主体侧面和承台5上部对应设有耳板4，所述软钢耗能器两端的连接头8-4分别通过高强度螺栓9与对应的耳板4连接。在钢板外壳8-3的两端分别对称设有两个连接头8-4，在ecc材料增强段3两侧分别对称设有两个耳板4，在桥墩主体两侧的承台5上也分别设有两个耳板4。
31.实施例中的ecc配合比的选用和制备参照学术论文“高延性混凝土加固钢筋混凝土梁抗震性能试验研究”进行制备。水泥：粉煤灰：河砂：水：减水剂＝1：1：0.72：0.58：0.01。pva纤维体积掺量为试件体积的2％，pva纤维力学性能为：长度为12mm、直径0.39mm、抗拉强度1600mpa、弹性模量40gpa、伸长率7％。
32.下面结合具体施工过程对本实用新型进一步说明，所述新型预制桥墩结构的施工过程具体包括以下步骤：
33.步骤一：预制ecc材料增强段3与钢筋混凝土段1。根据设计图纸进行桥墩体钢筋下料及绑扎工作，完成各段桥墩墩身钢筋笼制作。根据各段截面尺寸加工及安装木模板，使用pvc管预留节段墩身bfrp筋2和不锈钢筋7孔道，并使用木模板对预留孔道的pvc管进行固定，同时在ecc材料增强段3预埋耳板4。最后对各段桥墩构件进行混凝土和ecc材料浇筑，振捣密实并洒水养护，养护时长可根据实际情况进行调整，但不得小于14d。
34.步骤二：承台施工。平整场地，测量放线，根据施工方案进行基坑开挖，开挖至设计深度后，凿除桥墩桩头并进行桩体质量检测。然后绑扎承台5钢筋，加工及制作承台5木模板，同时预埋bfrp筋2的钢板锚固结构6、耳板4及内置不锈钢筋7，架设bfrp筋2，最后浇筑混
凝土并振捣密实，洒水养护成型。
35.步骤三：预制桥墩拼装。桥墩主体与承台养护至设计强度后，通过bfrp筋2进行拼装。在拼装之前，对ecc材料增强段3与钢筋混凝土段1的接触面进行人工打磨，保证表面无突起和毛刺，并对节段间接触面的浮尘进行清理。ecc材料增强段3与钢筋混凝土段1接缝部位均匀涂布2mm～5mm的水泥浆或环氧树脂胶，以去除因为两节段接触面制作误差产生的晃动或起到防水作用。
36.步骤四：bfrp筋张拉。桥墩bfrp筋2的张拉采用后张法，张拉方式为通过一端进行张拉，试件承台5底部为钢板锚固结构6，墩顶位置为张拉端，选用夹片式锚具10锚固，对桥墩体进行对称张拉。
37.步骤五：安装外置软钢耗能器8。外置软钢耗能器8通过高强度螺栓9与设置在ecc材料增强段3侧面和承台5上部的耳板4相接，沿横桥向与承台成30
°
～60
°
角对称布置在桥墩侧边的中间位置。至此完成桥墩的施工。
38.上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。