一种配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩及施工方法

1.本发明涉及一种配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩及施工方法，属于钢筋混凝土桥墩领域。


背景技术：

2.桥梁在道路运输中有着重要作用，而桥墩作为主要受力构件，在地震作用下的力学性能研究显得极为重要，当发生桥墩失效时，桥梁发生连续性倒塌，将造成巨大的经济损失，给生活带来极大不便。大量的试验及地震灾害表明，由于钢筋混凝土桥墩的墩底缺少足够的变形能力及耗能能力，往往在底部产生塑性铰，导致底部混凝土挤压破碎严重，难以修复；而与墩底相比，墩身混凝土仅产生多道裂缝，损伤较小，导致墩身未充分发挥性能。
3.桥墩墩底受到的损伤远远大于墩身，导致桥墩整体过早失效，严重缩短桥梁的正常使用年限。此外，钢筋混凝土桥墩在震后易产生过大的残余位移，大大增加了修复难度，需要投入大量的时间与成本，传统钢筋混凝土的残余位移大、可修复性小、变形能力低等缺点有待改善。
4.因此，研发一种具有损伤可控功能、残余位移小、变形能力大的新型钢筋混凝土桥墩非常必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩及施工方法。
6.这种配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩，桥墩的钢筋结构包括起弯钢筋、纵向钢筋和箍筋，箍筋环向连接起弯钢筋和纵向钢筋；桥墩的钢筋结构中垂直于桥梁方向的两侧设有纵向钢筋，桥墩的钢筋结构中平行于桥梁方向的两侧设有起弯钢筋和纵向钢筋；
7.起弯钢筋包括直线段和起弯段，桥墩两侧起弯钢筋的起弯段高度错开；起弯段的两端均通过第一过渡段连接直线段；起弯段包括斜直线段和第二过渡段，两道斜直线段对称地连接两侧的第一过渡段，斜直线段的另一端通过第二过渡段相互连接；两道斜直线段偏离直线段一定角度形成等腰三角形凸起；
8.桥墩表面的混凝土保护层在设有起弯钢筋的两侧分别设有两道混凝土切缝，混凝土切缝的高度根据该侧起弯段的高度决定。
9.作为优选：桥墩的钢筋结构中，每一侧设有的纵向钢筋数量相同，设有起弯钢筋的两个侧面的钢筋间隔小于只设有纵向钢筋的两个侧面；在设有起弯钢筋的两侧，起弯钢筋设于该侧所有钢筋的中央。
10.作为优选：起弯钢筋的起弯段等腰三角形凸起朝向桥墩内侧。
11.作为优选：起弯钢筋的起弯段中斜直线段偏离直线段的角度小于等于60
°
，即等腰三角形凸起的底角小于等于60
°
。
12.作为优选：混凝土切缝水平，桥墩一侧两道混凝土切缝的高度分别为起弯段上端
的第一过渡段上方10cm和起弯段下端的第一过渡段下方10cm，混凝土切缝的深度为混凝土保护层的30％。
13.作为优选：在桥墩的同一侧中，起弯钢筋设于钢筋结构的中央，纵向钢筋设于钢筋结构的两侧；起弯钢筋的数量占桥墩的钢筋结构中钢筋总数的20％～35％。
14.作为优选：桥墩底部至起弯段上部一定范围内箍筋的设置间隔小于桥墩上部箍筋的设置间隔。
15.这种配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩的施工方法，包括以下步骤：
16.步骤一、将起弯钢筋、纵向钢筋和箍筋组搭，绑扎形成桥墩的钢筋笼后连接桥墩承台；
17.步骤二、浇筑桥墩混凝土并完成养护，设置混凝土保护层；
18.步骤三、在桥墩表面的混凝土保护层施工混凝土切缝。
19.本发明的有益效果是：
20.1)本发明通过在桥墩的钢筋结构中设置起弯钢筋，增强了钢筋混凝土桥墩的变形能力，起弯钢筋的起弯段在桥墩受力的不同阶段变形，承载力逐渐提升，钢筋混凝土桥墩墩底塑性铰的产生延后，避免墩底过早破坏失效。
21.2)本发明能够减小传统钢筋混凝土的残余位移，通过混凝土切缝和起弯钢筋影响桥墩塑性铰产生的位置，进一步提高截面的转动能力，对传统钢筋混凝土桥墩进行损伤控制，实现塑性铰的外移。
22.3)相比于传统钢筋混凝土桥墩，本发明能够增加桥墩受力时塑性铰的数量，增强桥墩塑性铰转动能力，提升桥墩的耗能能力。
附图说明
23.图1是配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩示意图；
24.图2是桥墩钢筋结构的起弯段部分结构示意图；
25.图3是起弯钢筋起弯段的结构示意图；
26.图4是起弯段受力变形示意图；
27.图5是新型桥墩截面配筋示意图；
28.图6是不同阶段下复合配筋形式的钢筋混凝土桥墩破坏机理图(其中图6a为初始阶段桥墩破坏机理图，图6b为屈服阶段桥墩破坏机理图，图6c为强化阶段桥墩破坏机理图，图6d为极限阶段桥墩破坏机理图)；
29.图7是配有起弯钢筋的钢筋混凝土桥墩与传统钢筋混凝土桥墩的滞回曲线对比图。
30.附图标记说明：混凝土切缝100、起弯钢筋200、起弯段210、第一过渡段211、斜直线段212、第二过渡段213、直线段220、纵向钢筋300、箍筋400。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
32.实施例一
33.作为一种实施例，如图1至图5所示，复合配筋形式的新型钢筋混凝土桥墩，其钢筋结构包括起弯钢筋200、纵向钢筋300和箍筋400，箍筋400环向连接起弯钢筋200和纵向钢筋300。桥墩的钢筋结构中垂直于桥梁方向的两侧设有纵向钢筋300，桥墩的钢筋结构中平行于桥梁方向的两侧在原有桥墩的纵向钢筋300基础上增加了起弯钢筋200，增加桥墩的耗能能力，而不降低桥墩原始承载力。起弯钢筋200设于该侧所有钢筋的中央。起弯钢筋200的数量占桥墩的钢筋结构中钢筋总数的20％～35％。
34.如图5所示，设有起弯钢筋200的两个侧面的钢筋间隔小于只设有纵向钢筋300的两个侧面，桥墩的钢筋结构中每一侧设有的纵向钢筋300数量相同，但两个侧面相比其它侧面在中央添加了两道起弯钢筋200。
35.如图3所示，起弯钢筋200包括直线段220和起弯段210，桥墩两侧起弯钢筋200的起弯段210高度错开；起弯段210的两端均通过第一过渡段211连接直线段220；起弯段210包括斜直线段212和第二过渡段213，两道斜直线段212对称地连接两侧的第一过渡段211，斜直线段212的另一端通过第二过渡段213相互连接；两道斜直线段212偏离直线段220的角度为60
°
，起弯段210的三角形凸起朝向桥墩内侧，向内起弯不仅能抑制核心混凝土向外膨胀，增加对核心混凝土的约束效应，也能使起弯段210的起弯高度不受混凝土保护层厚度限制，而向外起弯会使得混凝土保护层过早剥落。
36.如图2所示，桥墩一侧起弯段210中心位置距离承台顶面距离100mm，则另一侧起弯段210距离承台顶面为300mm，两侧起弯段210的高度差为200mm；防止起弯段210布置在同一高度处使得混凝土过度压碎，形成贯通裂缝，导致桥墩失稳破坏。
37.如图1所示，桥墩表面的混凝土保护层在设有起弯钢筋200的两侧分别设有两道水平的混凝土切缝100，桥墩一侧两道混凝土切缝100的高度分别为起弯段210上端的第一过渡段211上方10cm和起弯段210下端的第一过渡段211下方10cm，混凝土切缝100的深度为混凝土保护层的30％。
38.如图4所示，在受到较大外力时起，混凝土切缝100能够使直线段220先受力，起弯钢筋200的变形首先发生在起弯段210，斜直线段212和直线段220的角度逐渐减小，随着外力的增大，斜直线段211和直线段220的角度逐渐减小到0，也就是起弯段210被拉直。在起弯段210完全被拉直后，再发生与传统纵向钢筋相似的变形形式，充分发挥起弯钢筋200变形能力强的特点。因此在钢筋强度相同的情况下，该新型桥墩有较强的变形能力，能够有效地防止桥梁的连续倒塌。
39.桥墩底部至起弯段210上部一定范围内箍筋400的设置间隔为桥墩上部箍筋400的设置间隔的二分之一。
40.这种复合配筋形式的新型钢筋混凝土桥墩的施工方法，包括以下步骤：
41.步骤一、将起弯钢筋200、纵向钢筋300和箍筋400组搭，绑扎形成桥墩的钢筋笼后连接桥墩承台；
42.步骤二、浇筑桥墩混凝土并完成养护，设置混凝土保护层；
43.步骤三、在桥墩表面的混凝土保护层施工混凝土切缝100。
44.如图6a至图6d所示，当桥墩受到外力，如地震作用下，复合配筋形式的新型钢筋混凝土桥墩的起弯钢筋200起弯段210由于切缝处理，从初始阶段到屈服阶段，如图6a和图6b
所示，起弯钢筋200的承载力较低，对应位置先产生裂缝形成塑性铰区域，纵向钢筋300屈服后，起弯段210开始受力变形，裂缝逐渐开展。
45.从屈服阶段到强化阶段，如图6b和图6c所示，随着起弯段210渐渐拉直，该截面处承载力逐渐提高，随着荷载弯矩不断增大，起弯段210截面处承载力也在不段增大，裂缝加速开展，混凝土开始破碎剥落；直到达到极限阶段，如图6d所示，起弯段210充分拉直并达到极限抗拉强度，起弯段210与纵向钢筋300共同发挥作用，承担荷载，直至墩底达到最大截面承载力，墩底混凝土开始剥落，墩底再出现塑性铰，最终形成“双塑性铰破坏”。
46.相比传统钢筋混凝土桥墩，起弯钢筋200在能够提升桥墩的变形能力和耗能能力，能够增加塑性铰的数量，影响桥墩塑性铰产生的位置，进一步提高截面的转动能力，对桥墩进行损伤控制，延缓墩底塑性铰产生，减少墩底破坏的危害
47.对比例一
48.通过有限元数值分析软件abaqus，将传统钢筋混凝土桥墩与实施例一中的新型桥墩进行对比。
49.如图7所示，通过滞回曲线可知，传统钢筋混凝土桥墩在达到峰值荷载后始终呈下降趋势，而配有起弯钢筋的新型钢筋混凝土桥墩的残余位移较小，变形能力增强，且有着明显的二次刚度，即新型桥墩达到峰值承载力下降后又缓慢上升，这是由于起弯段210渐渐拉直，使承载力逐渐提高。
50.根据对比例一与实施例一的对比结果得出，本发明能够有效提升钢筋混凝土桥墩的强度和变形能力。