一种自复位预制拼装桥墩

1.本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种自复位预制拼装桥墩。


背景技术：

2.预制拼装技术在桥梁建设中广泛应用，将工厂预制好的成品构件运输到施工现场拼装，在保证构件质量的基础上，最大程度加快了桥梁建设速度，有效减小现场施工对周边环境的影响。预制拼装桥墩具有缩减高空作业时间、建设效率高、质量有保证、施工周期短、环境污染小、养护及修复成本低、对既有交通干扰小等优点，已成为对桥梁建设技术又好又快发展要求的重要结构形式，已被越来越多地运用到桥梁建设中。
3.与传统现场浇筑桥墩相比，地震作用下预制拼装桥墩的节段连接构件通常需要承受较大的局部应力，较易发生损坏和劣化。预制拼装桥墩在地震作用下可以通过干接缝张开闭合而左右摇摆，并依靠预应力绞线的张拉力复位，因此具有良好的震后自复位能力，亦被称为摇摆-自复位桥墩。但由于该类桥墩整体约束较弱且在地震作用下的损伤主要集中在柱脚刚性转动处的拼接缝保护层混凝土，这虽然显著降低了墩身其他部位损伤，但也会使桥墩的耗能能力变差。如何有效减小节段拼装桥墩在地震作用下的损伤、提高结构整体延性和滞回耗能的能力是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的在于提供一种自复位预制拼装桥墩，以解决现有预制拼装桥墩的自复位功能和耗能功能不能同时兼顾的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种自复位预制拼装桥墩，包括：基础承台段；墩顶段；墩身，包括沿竖向布置的顶部预制节段、底部预制节段和设置在顶部预制节段与底部预制节段之间的至少一个中间预制节段，顶部预制节段与所述墩顶段连接，底部预制节段与所述基础承台段连接；耗能内芯，设置在底部预制节段内，耗能内芯的底端插入至所述基础承台段内，耗能内芯的顶端穿过底部预制节段并插入至与底部预制节段连接的中间预制节段内；预应力钢绞线，包括多根整体预应力钢绞线和多根局部预应力钢绞线，整体预应力钢绞线同时穿过墩顶段、顶部预制节段、各中间预制节段、底部预制节段以及基础承台段，整体预应力钢绞线的顶端锚固在墩顶段的顶部，整体预应力钢绞线的底端锚固在基础承台段的底部；局部预应力钢绞线同时穿过耗能内芯和基础承台段，局部预应力钢绞线的顶端锚固在耗能内芯的顶部，局部预应力钢绞线的底端锚固在基础承台段的底部；sma耗能筋，设置有多根并与各预应力钢绞线平行，sma耗能筋穿过底部预制节段，sma耗能筋的顶端锚固在与底部预制节段连接的中间预制节段内，sma耗能筋的底端锚固在
基础承台段内。
6.进一步的，所述墩身为空心结构，顶部预制节段、中间预制节段和底部预制节段上设有同轴上下相互贯通的空心孔，顶部预制节段、中间预制节段和底部预制节段上于空心孔两侧的位置设有上下一一对应贯通的供所述整体预应力钢绞线穿过的整体钢绞线孔道；耗能内芯设置在空心孔内，耗能内芯和基础承台段上设有上下一一对应贯通的供所述局部预应力钢绞线穿过的局部钢绞线孔道；底部预制节段、基础承台段和与底部预制节段连接的中间预制节段上于空心孔的左右两侧设有上下一一对应相通的sma筋孔道。
7.进一步的，位于空心孔同一侧的整体钢绞线孔道并排等间隔布置。
8.进一步的，sma筋孔道布置在相邻的两个整体钢绞线孔道之间。
9.进一步的，所述耗能内芯为变截面结构，包括与空心孔适配的大径段和与大径段同轴的小径段，小径段与所述基础承台段插接，大径段位于底部预制节段和与底部预制节段连接的中间预制节段之间，小径段以及大径段上与小径段对应的位置设有所述局部钢绞线孔道。
10.进一步的，所述基础承台段内对应sma耗能筋的位置预埋有l形钢筋，l形钢筋的竖直段上连接有套筒，所述sma耗能筋的底部通过套筒与l形钢筋连接。
11.进一步的，所述耗能内芯由新型混凝土材料ecc（工程水泥基复合材料）或uhpc（超高性能混凝土）浇筑而成。
12.本发明的自复位预制拼装桥墩的有益效果是：1、墩顶段、基础承台段以及墩身的各个预制节段之间整体贴合度高，有效连接成一个整体，抗侧刚度提高，有效减少了水平地震作用下各个节段间的横向错动。
13.2、采用一种混合体系的预制拼装桥墩，耗能内芯承插进入基础承台段中，使得塑性铰上移，混凝土损伤得到有效缓解，结构整体抗震性能也有所改善，即使在地震作用下，耗能内芯损坏，但由于耗能内芯是通过预应力钢绞线与基础承台段进行装配，损坏后能够及时更换达到快速修复的效果。耗能内芯可使用新型混凝土材料如ecc、uhpc等，增强耗能内芯的耗能能力，整体提升桥墩的抗震性能。相较于普通混凝土，ecc的变形性能更强，重量较轻，抗震性能较好，耗能内芯使用ecc能够充分发生形变增加耗能能力；uhpc的抗压强度很高，同时韧性和耐久性能极为优越，多次循环荷载仍能保持完好无损的状态，地震来临时能够抵御反复荷载作用不容易开裂，从而充分耗能。因此使用这两种材料可以更加体现耗能内芯的耗能作用。
14.3、sma耗能筋伸入基础承台段的部分通过套筒与基础承台段内预埋的l形钢筋连接，sma耗能筋沿长边方向经过一定次数的拉伸压缩训练，产生常温状态下马氏体-奥氏体相变超弹性，结构在地震作用下使底部预制拼装段发生摇摆时，sma耗能筋同整体预应力钢绞线拉应力共同作用，形成较好的自复位驱动力。在多遇地震烈度的地震作用下，sma耗能筋和耗能内芯中的局部预应力钢绞线可以提供额外的抗侧刚度并参与耗能；在设防烈度或罕遇烈度的地震作用下，利用sma耗能筋和预应力钢绞线拉应力的共同作用，可以降低结构残余位移，实现震后自修复。
15.4、预制拼装桥墩采用摇摆结构形式，塑性铰区设置sma耗能筋和整体预应力钢绞线，底部预制节段与基础承台段连接处设置耗能内芯，协同工作共同耗能，在遭受设防或罕遇烈度的地震影响时，通过摇摆及耗能系统耗散地震能量，能够使结构在设防或罕遇烈度
地震影响下仍不丧失其使用功能。
16.5、自复位预制拼装桥墩充分利用形状记忆合金筋材的超弹性和形状记忆性，提高预制拼装桥墩的耗能能力和实现功能可恢复，减小残余位移，并实现快速复位。耗能内芯及其中的局部预应力钢绞线的设置充分连接了基础承台段与上部墩身节段，使得基础承台段与上部墩身之间的整体性更强，提高预制拼装桥墩的抗侧刚度和耗能能力，缓解此处的应力集中，在地震作用下有效减少在基础承台段和墩身底部预制节段处的破坏。
17.6、耗能内芯、墩身、墩顶段均可以采用工厂预制、现场拼装方式的方式进行装配，预应力钢绞线通过锚具进行张拉固定，sma耗能筋通过套筒和锚具固定。整体构造简单，施工方便快捷，适用范围广。
附图说明
18.图1是本发明的自复位预制拼装桥墩的整体结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是图2的a-a剖面视图；图4是图2的b-b剖面视图；图5是本发明的自复位预制拼装桥墩的结构分解示意图；图6是本发明的自复位预制拼装桥墩中底部预制节段的截面示意图；图7是本发明的自复位预制拼装桥墩的中间预制节段的顶部截面示意图；图8是本发明的自复位预制拼装桥墩的耗能内芯的结构示意图。
19.附图标记说明：1-墩顶段，2-基础承台段，3-墩身，4-顶部预制节段，5-底部预制节段，6-中间预制节段，7-耗能内芯，8-大径段，9-小径段，10-sma耗能筋，11-整体预应力钢绞线，12-局部预应力钢绞线，13-锚具，14-整体钢绞线孔道，15-sma筋孔道，16-空心孔，17-l形钢筋，18-套筒。
具体实施方式
20.下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
21.本发明的自复位预制拼装桥墩的具体实施例：如图1、图2和图5所示，自复位预制拼装桥墩包括基础承台段2、墩顶段1、墩身3、耗能内芯7、预应力钢绞线以及sma耗能筋10。
22.具体的，如图1和图5所示，基础承台段2在现场浇筑而成，墩顶段1、墩身3和耗能内芯7均在工厂预制。其中，墩身3为空心结构，在保证支撑强度的情况下，有效减小混凝土的使用量。墩身3包括沿竖向布置的顶部预制节段4、底部预制节段5和设置在顶部预制节段4与底部预制节段5之间的中间预制节段6。顶部预制节段4、底部预制节段5和中间预制节段6的形状和尺寸均相同，截面均呈箱型。顶部预制节段4与墩顶段1和中间预制节段6之间、底部预制节段5与基础承台段2和中间预制节段6之间均通过剪力键和钢槽的插接连接在一起，这种连接方式为现有技术，因此在图中并未显示。如图3所示，顶部预制节段4、底部预制节段5和中间预制节段6上均设有同轴且上下相互贯通的空心孔16。为保证连接牢靠性，相邻预制节段之间涂刷有胶凝材料进行粘结，如环氧树脂，增加了相邻预制节段截面间的接触面积，使各预制节段之间的连接整体性更好。采用插接连接的方式可以保证各个节段之
间的拼装精度，提高各个节段之间的拼装效率。
23.耗能内芯7由新型混凝土材料ecc浇筑成型，当然，在其他实施例中，耗能内芯7也可以采用uhpc浇筑成型。如图8所示，耗能内芯7为变截面结构，包括与空心孔16适配的大径段8和与大径段8同轴的小径段9。如果将耗能内芯7按照上部的大径段的尺寸设计成恒截面，则基础承台上部的孔洞尺寸较大，受荷时受力面积较小，容易发生破坏；如果按照耗能内芯7下部的小径段尺寸设计成恒截面，则空心孔的内径尺寸较小，需要在受力较小的内部截面增加材料，付出了额外的成本。因此采用变截面形式兼顾了安全性和经济性。如图3和图4所示，耗能内芯7设置在底部预制节段5内，本实施例中，耗能内芯7的大径段8部分位于底部预制节段5的空心孔内，部分插入到中间预制节段6的空心孔内；耗能内芯7的小径段9部分位于底部预制节段5的空心孔内，且该部分与底部预制节段5的内壁之间有孔隙，部分与基础承台段2插接。在实际施工中，耗能内芯7与底部预制节段5和中间预制节段6之间只装配即可，不需要填充间隙，允许存在间隙，给予一定的活动度，使底部预制节段5处发生适当的摇摆耗能。
24.如图5所示，预应力钢绞线包括多根整体预应力钢绞线11和多根局部预应力钢绞线12，如图6和图7所示，顶部预制节段4、中间预制节段6和底部预制节段5上于空心孔16左右两侧的位置设有三个上下一一对应贯通的供整体预应力钢绞线11穿过的整体钢绞线孔道14，墩顶段1和基础承台段2上设有六个对应的整体钢绞线孔道14。本实施例中，位于空心孔16同一侧的整体钢绞线孔道14并排等间隔布置。各根整体预应力钢绞线14均同时穿过墩顶段1、顶部预制节段4、各中间预制节段6、底部预制节段5以及基础承台段2；整体预应力钢绞线11的顶端通过锚具13锚固在墩顶段1的顶部，整体预应力钢绞线11的底端通过锚具13锚固在基础承台段2的底部。
25.如图3、图4和图8所示，耗能内芯7的小径段9的中心位置、大径段8的中心位置以及基础承台段2上设有上下一一对应贯通的供局部预应力钢绞线12穿过的局部钢绞线孔道（图中未显示）。各根局部预应力钢绞线12通过局部钢绞线孔道同时穿过耗能内芯7和基础承台段2，局部预应力钢绞线12的顶端通过锚具13锚固在耗能内芯大径段8的顶部，局部预应力钢绞线12的底端通过锚具13锚固在基础承台段2的底部。本实施例中，各个锚具13的结构相同，且均为现有技术，再次不再详细赘述结构。
26.如图5和图6所示，本实施例中，sma耗能筋10设有四根，并与各预应力钢绞线平行。sma耗能筋由形状记忆合金材料制成，可以采用铜锰铝合金。如图所示，底部预制节段5、基础承台段2和中间预制节段6上于空心孔16的左右两侧各设有两个上下一一对应相通的sma筋孔道15，sma筋孔道15布置在相邻的两个整体钢绞线孔道14之间，并与整体钢绞线孔道14位于一排，呈交替分布。任意相邻的sma筋孔道15与整体钢绞线孔道14之间的间距相等。底部预制节段5上的sma筋孔道15为通孔，基础承台段2和中间预制节段6上的sma筋孔道15为盲孔。sma耗能筋10的顶端通过锚具13锚固在中间预制节段6内，sma耗能筋10的底端则穿过底部预制节段5并锚固在基础承台段2内。
27.如图5所示，基础承台段2内对应sma耗能筋10的位置预埋有l形钢筋17，l形钢筋17的竖直段上连接有套筒18，sma耗能筋10的底部与套筒18连接。sma耗能筋10在施工时，先浇筑基础承台段2，在基础承台段2中提前布置好l形钢筋17，l形钢筋17上部通过套筒18连接sma耗能筋10，然后安装模板进行浇筑，待强度达到要求后拆模，然后拼装底部预制节段5安
装sma耗能筋10，并在底部预制节段5顶部穿入锚具13夹紧，按要求固定好，sma耗能筋10与sma筋孔道15之间现浇微膨胀自流平水泥浆。
28.本实施例中，对预应力钢绞线进行张拉时可采用两种方案，一种是一侧张拉，另一种是两端对称张拉，张拉的对象为整体预应力钢绞线和局部预应力钢绞线。
29.其中，一侧张拉方案分两个步骤：第一步张拉耗能内芯7中的局部预应力钢绞线12，第二步张拉通长布置的整体预应力钢绞线11。具体的，第一步：先将耗能内芯7承插入基础承台段2顶部的矩形孔洞中，在基础承台段2预留中心孔穿束好耗能内芯7中的局部预应力钢绞线12，将基础承台段2底部张拉一侧预留矩形孔洞中的局部预应力钢绞线12穿入锚具13中夹紧，按设计要求固定好，在耗能内芯7顶部布置张拉机械，一侧张拉。第二步：在基础承台段2的整体钢绞线孔道14中穿束好通常布置的整体预应力钢绞线11，基础承台段2张拉一侧预留的贯穿孔洞中整体预应力钢绞线11穿入锚具13夹紧，按要求固定好，竖向放置，依次放置中间预制节段6、顶部预制节段4和墩顶段1，待墩顶段1放置好，在墩顶段1张拉一侧预留的孔洞中整体预应力钢绞线11穿入锚具13中夹紧，在墩顶段1布置张拉机械，一侧张拉。
30.两端对称张拉方案，分两个步骤：第一步张拉耗能内芯7与基础承台段2中的局部预应力钢绞线12，第二步张拉通长布置的整体预应力钢绞线11。第一步：先将耗能内芯7承插入基础承台段2顶部的矩形孔洞中，平放于垫层上，在基础承台段2预留中心孔穿束好耗能内芯7中的局部预应力钢绞线12，并在基础承台段2底部和耗能内芯7顶部使用锚具固定，两端对称张拉。第二步：将张拉好的耗能内芯7、底部预制节段5、基础承台段2和其他构件平放于垫层上，穿束通长布置的整体预应力钢绞线11，在基础承台段2底部预留的贯穿孔洞和墩顶段1顶部使用锚具固定，两端对称张拉，然后采用起吊设备将桥墩结构整体吊起放置好。
31.本发明的自复位预制拼装桥墩的受力分析说明：1. 该自复位预制拼装桥墩以抵抗水平向横桥向地震作用分析，顺桥向抗震可按照横桥向结构形式进行布置，当结构受到横桥向地震作用时，作用力沿基础自下向上传递，可简化为沿桥墩的墩柱顶面施加往复水平力作用；2. 采用全节段预制拼装技术，相较传统浇筑手段，提高了施工效率，沿墩柱两侧在底部预制节段布置sma耗能筋以及自上至下通长布置的整体预应力钢绞线，桥墩整体的耗能能力大幅提高；3. 结构在小震作用下，传递至桥墩结构的作用力较小时，塑性铰区节段未出现张开裂缝，墩柱一侧sma耗能筋受拉，一侧sma耗能筋受压，塑性铰区混凝土承受剪应力，整体处于弹性状态；4. 当地震作用力持续增大，塑性铰区底部预制节段与基础承台段之间出现张开裂缝和应力集中区，在底部预制节段、中间预制节段与基础承台段之间增设耗能内芯，耗能内芯压缩变形耗能，有效缓解塑性铰区混凝土压碎破坏，而且耗能内芯采用局部预应力钢绞线进行装配，不仅提升耗能内芯的耗能能力，也使得耗能内芯具有自复位效果，减少内芯的损伤；5. 结构在中震及大震作用下，塑性铰区底部预制节段与基础承台段之间出现张开裂缝，形成摇摆结构，耗能内芯承插在基础承台中并与底部预制节段、中间预制节段的内
部截面贴合，有效控制张开裂缝的宽度，底部预制节段和中间预制节段内的竖向sma耗能筋、两部分中的整体预应力钢绞线压缩变形耗能和共同作用，为结构提供更好的耗能能力，降低结构地震响应；6. 在地震往复作用下，地震作用传递至桥墩结构，使墩节段间发生摇摆，当外部激烈减小或消散时，在通长布置的整体预应力钢绞线和耗能内芯中的局部预应力钢绞线的拉伸力、两侧sma耗能筋拉伸力的共同作用下提供更好的回复力作用，恢复至平衡状态，且sma耗能筋会利用材料的形状记忆效应，震后实现自复位，减小塑性铰区的残余变形。
32.本发明的自复位预制拼装桥墩能够同时兼顾自复位功能和耗能功能，有效提高桥梁的抗震性能。
33.在其他实施例中，可根据墩身的高度来选择合适数量的中间预制节段。
34.以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的权利要求保护范围之内。