可更换复合板内置防屈曲支撑的桥墩耗能与防压碎结构

摘要

本发明公开了一种可更换复合板内置防屈曲支撑的桥墩耗能与防压碎结构，利用可更换超高性能混凝土(Ultra？High？Performance？Concrete，UHPC)板内置防屈曲支撑来提高干接缝节段拼装桥墩在地震作用激励下的耗能能力和防止底节段压碎。该结构在干接缝节段拼装桥墩易损区即底节段四边各布置两块UHPC板，利用精轧螺纹钢筋施加预应力将UHPC板与底节段组合成整体，两块UHPC板之间预留管道，用于放置防屈曲支撑。本发明利用UHPC因掺入钢纤维而具有“裂而不碎”的性质来防止内部底节段在地震作用激励下被压碎，利用UHPC结构密实的性质来防止管道内的防屈曲支撑发生锈蚀，防屈曲支撑则用于提高干接缝节段拼装桥墩在地震作用激励下的耗能能力。

说明书

技术领域

本发明涉及中高烈度区桥梁快速施工技术和抗震设计方法，特别涉及节段拼装技 术、体外预应力技术和利用金属材料耗能的减震隔震技术，属于土木工程领域。

背景技术

干接缝节段拼装桥墩因具有快速施工的优势和自复位能力，在包括港珠澳大桥和 加拿大联邦大桥在内的一些跨江跨海大桥中得到了工程应用。这一形式的桥墩是将墩 身沿竖向分割成若干节段，纵向受力钢筋在节段接缝处断开，节段之间采用“干接缝” 连接，或是在接缝处填充环氧树脂来提高桥墩的耐久性，然后采用后张预应力的方式 将节段连接成整体。国内外学者通过试验和理论研究发现，干接缝节段拼装桥墩在地 震激励下耗能能力较差，并且容易在底节段发生压碎。

为提高干接缝节段拼装桥墩的耗能能力，目前在工程实践和科学研究中使用最多 的方法是在干接缝节段拼装桥墩中内置耗能钢筋。这一方法虽然可以提高桥墩的耗能 能力，但同时会导致震后桥墩的残余变形增加，同时内置的耗能钢筋在震后也不易更 换。

针对干接缝节段拼装桥墩在地震激励下底节段容易压碎的问题，工程中应用最多 的方法是对底节段混凝土增加约束来提高混凝土的变形能力，包括在底节段混凝土中 增加箍筋用量、使用钢管混凝土制作底节段或是在底节段混凝土外部包裹FRP，这一 方法确实能够减轻底节段在地震激励下的损伤程度，但损伤的混凝土也存在震后不易 更换的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可更换复合超高性能混凝土(UltraHigh PerformanceConcrete，UHPC)板内置防屈曲支撑的桥墩耗能与防压碎结构，利用可更 换UHPC板内置防屈曲支撑来提高干接缝节段拼装桥墩在地震作用激励下的耗能能 力和防止底节段压碎，使用该结构不仅可以提高干接缝节段拼装桥墩在地震激励下耗 能能力和防止底节段压碎，而且能够通过在震后更换受损的UHPC板和其中内置的防 屈曲支撑来快速修复受损桥墩，及时恢复桥梁的使用功能。

技术方案：本发明是一种可更换复合板内置防屈曲支撑的桥墩耗能与防压碎结 构，该结构在桥墩底节段四边外侧各布置两块相叠合的UHPC板，两块UHPC板之 间预留管道，管道内放置两块相叠合的约束钢板，在两约束钢板之间设置耗能芯板组 成防屈曲支撑；两约束钢板通过螺栓和螺母连接固定，预留管道的内尺寸略大于约束 钢板的外尺寸；精轧螺纹钢筋穿过桥墩底节段两侧的UHPC板，其两端通过高强螺母 和钢垫片锚固，UHPC板与桥墩底节段通过精轧螺纹钢筋施加预应力将两者组合成整 体；

所述的耗能芯板上、下端通过端部预留孔洞分别与上部节段和承台内的预埋钢棒 相连。

所述的桥墩底节段及UHPC板与上部节段之间需设置橡胶垫层，防止在地震作用 激励下由于桥墩底节段的碰撞造成上部节段发生损伤，上部节段在与桥墩底节段接缝 处要增加壁厚，向上壁厚逐渐减小。

所述的UHPC板需要使用掺入微细钢纤维的UHPC进行制作。

所述的耗能芯板端部设置加劲肋。

所述的预埋钢棒与预留孔洞连接段直径小于预留孔洞直径，其余段直径大于预留 孔洞直径。

有益效果：本发明对比已有技术具有以下优点：

1.该发明采用能力保护原理将易损区与受保护区进行分离，利用精轧螺纹钢筋施 加预应力将作为易损区的UHPC板与作为受保护区的内部底节段组合成整体，可在震 后通过精轧螺纹钢筋的放松和重新张拉，实现对受损UHPC板的快速更换。

2.易损区采用UHPC板，可以充分利用UHPC因掺入钢纤维而具有的“裂而不 碎”的性质以及因结构密实而具有的耐腐蚀的性质。

3.在桥墩底节段四边分别设置两块可更换UHPC板，用于放置防屈曲支撑的预 留管道设置在两块UHPC板之间，这样的做法既有利于震后对防屈曲支撑进行观察和 更换，也有利于防止防屈曲支撑锈蚀。

4.防屈曲支撑外部约束钢板尺寸要稍小于预留管道的尺寸，耗能芯板的上、下端 通过端部预留孔洞分别与上部节段和承台内的预埋钢筋相连，预埋钢棒与预留孔洞连 接段直径小于预留孔洞直径，其余部分直径大于预留孔洞直径，这样只需在外侧使用 螺母就能将耗能芯板端部固定，需要的施工空间小，既有利于震后对防屈曲支撑的更 换，也保证了耗能芯板在地震作用激励下可以自由变形。

5.干接缝节段拼装桥墩底节段及UHPC板与上部节段之间需设置橡胶垫层，防 止地震作用激励下由于底节段的碰撞造成上部节段发生损伤，这样就保证了桥墩可能 发生的损伤只集中在可更换的UHPC板，有利于震后及时恢复桥梁的使用功能，为抗 震救灾赢得时间。

附图说明

图1是本发明实施例构造剖面图；

图2是本发明实施例构造俯视图；

图3是本发明实施例中防屈曲支撑构造图。

图中标号说明：1-桥墩底节段、2-UHPC板、3-预留管道、4-耗能芯板、5-约束钢 板、6-螺栓、7-螺母、8-加劲肋、9-精轧螺纹钢筋、10-高强螺帽、11-钢垫片、12-耗 能芯板端部预留孔洞、13-上部节段、14-预埋钢棒、15-橡胶垫层。

具体实施方式

本发明是一种利用可更换UHPC板内置防屈曲支撑来提高干接缝节段拼装桥墩 在地震作用激励下的耗能能力和防压碎底节段压碎的结构，该结构需要使用可更换 UHPC板、耗能芯板、约束钢板、精轧螺纹钢筋、螺栓、螺母、高强螺母、钢垫片、 预埋钢棒和橡胶垫层。

所述的可更换UHPC板在桥墩底节段四边分别设置两块，两块UHPC板之间预 留管道，用于放置由耗能芯板和约束钢板组成的防屈曲支撑，耗能芯板和约束钢板通 过螺栓和螺母连接，将所述的管道以桥墩中心呈对称分布。

所述的可更换UHPC板与内部底节段通过精轧螺纹钢筋施加预应力组合成整体， 通过计算得到可更换UHPC板的厚度，利用UHPC因掺入钢纤维具有“裂而不碎” 的性质，保证震后可更换UHPC板仅发生局部损伤而不致发生大面积压碎，同时内部 底节段仍保持完好，足够支撑上部恒载和连接不同节段所施加预应力，通过震后更换 UHPC板可以快速恢复桥墩。

所述的预留管道尺寸略大于约束钢板的尺寸，其中耗能芯板上、下端通过预留孔 洞分别与上部节段和承台内的预埋钢棒相连，预埋钢棒端部直径略小于耗能芯板端部 的预留孔洞直径，其余部分直径则大于预留孔洞直径，预埋钢棒穿过预留孔洞，则耗 能芯板端部一侧抵住预埋钢棒直径增加段，另一侧使用螺母将耗能芯板固定。干接缝 节段拼装桥墩在地震作用激励下会在水平方向发生摇摆，使得耗能芯板受到反复拉压 而发生弹塑性变形，达到耗能的目的，其中防屈曲支撑中的约束钢板起到防止耗能芯 板发生屈曲破坏的作用，耗能芯板与约束钢板之间留有微小孔隙，保证耗能芯板在受 压时具有一定的膨胀空间。

所述的可更换UHPC板中的管道及防屈曲支撑均为8个。

干接缝节段拼装桥墩底节段及UHPC板与上部节段之间需设置橡胶垫层，防止地 震作用激励下由于底节段的碰撞造成上部节段发生损伤。上部节段在与底节段接缝处 要增加壁厚，向上壁厚逐渐减小，这样可以保证震后依次更换UHPC板时，桥墩仍能 有效地将上部恒载和预应力传递给承台。

本发明提供了一种通过利用可更换UHPC板内置防屈曲支撑来提高干接缝节段 拼装桥墩在地震作用激励下的耗能能力和防压碎底节段压碎的结构(如图1)，该结构 涉及桥墩底节段1、UHPC板2、预留管道3、耗能芯板4、约束钢板5、螺栓6、螺 母7、加劲肋8、精轧螺纹钢筋9、高强螺母10、钢垫片11、耗能芯板端部预留孔洞 12、上部节段13、预埋钢棒14和橡胶垫层15。所述的可更换UHPC板中的管道及防 屈曲支撑均为8个。

本发明具体实施的过程如下：

步骤1：将干接缝节段拼装桥墩各节段从预制厂运至施工现场，各节段在承台上 沿竖向按顺序放置无误后，上部节段13底面已经粘结好橡胶垫层(15)，通过后张预 应力将各节段连接成整体；

步骤2：在底节段1四边依次放置一块UHPC板2(如图2)；

步骤3：将由耗能芯板4和约束钢板5通过螺栓6和螺母7组成的防屈曲支撑放 置在UHPC板的凹槽处，并通过端部预留孔洞12和螺母7分别与上部节段13和承台 内的预埋钢棒14相连；

步骤4：在底节段1四边依次放置另一块UHPC板2(如图2)，两块UHPC板2 在预留管道3处对齐，此时防屈曲支撑刚好处在预留管道3内；

步骤5：将精轧螺纹钢筋9穿过预留在底节段1和UHPC板2上的孔道，按照《公 路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50-2011)中关于张拉精轧螺纹钢筋9的规定，利用相 关设备对精轧螺纹钢筋9施加预应力，并使用高强螺母10和钢垫片11对其锚固。

在本实施例中，步骤2所述的UHPC板2由掺入微细钢纤维的UHPC制作而成， UHPC板2厚度由计算得到，以保证内部底节段1不发生损伤为计算原则。

在本实施例中，步骤3所述的UHPC板2中预留管道3及防屈曲支撑均为8个， 预留管道3内尺寸略大于防屈曲支撑的外尺寸，当干接缝节段拼装桥墩在地震作用激 励下发生水平变形时，整个防屈曲支撑能够自由变形，充分发挥耗能能力。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释 为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下， 可对其在形式上和细节上做出各种变化。