内置防屈曲支撑和粘弹性材料层的桥墩耗能与防压碎结构

摘要

本发明公开了一种内置防屈曲支撑和粘弹性材料层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)板内置防屈曲支撑和粘弹性材料层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的方法。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，桥墩底节段和UHPC板之间设置粘弹性材料层，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。使用本发明处理干接缝节段拼装桥墩，不仅可以保证桥墩在地震作用激励下具有良好的耗能能力并防止底节段发生严重压碎，而且可以通过震后更换UHPC板、防屈曲支撑和粘弹性材料层，实现对桥墩的快速修复。

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内置防屈曲支撑和粘弹性材料层的桥墩耗能 与防压碎结构，利用可更换UHPC板内置防屈曲支撑和粘弹性材料层来提高干接缝节 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和粘弹性材料层来快速修复受损桥 墩，及时恢复桥梁的使用功能。

技术方案：本发明是一种内置防屈曲支撑和粘弹性材料层的桥墩耗能与防压碎结 构，该结构在桥墩底节段四边各布置两块相叠合的UHPC板，桥墩底节段和UHPC 板之间设置粘弹性材料层，两块UHPC板之间预留管道用来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；

精轧螺纹钢筋横向穿过所述的UHPC板与桥墩底节段，精轧螺纹钢筋的两端通过 高强螺母和钢垫片固定，所述的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；

所述的耗能芯板通过端部预留孔洞分别与上部节段和承台的预埋钢棒相连；

所述的桥墩底节段和UHPC板与上部节段之间设置橡胶垫层，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，其余部分直径大 于耗能芯板端部预留孔洞的直径。

所述的UHPC板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。

所述的预留管道尺寸略大于约束钢板的外尺寸。

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.在桥墩底节段和UHPC板之间设置粘弹性材料层，通过计算保证在地震作用 激励下仅桥墩底节段与UHPC板之间发生较小的相对位移，利用粘弹性材料发生剪切 变形时能够耗能的工作原理，增加桥墩的耗能能力，同时粘弹性材料层仅与UHPC板 胶结，与桥墩底节段无粘结，在震后更换UHPC板就实现了粘弹性材料层的替换。

4.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。

5.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 部通过预留孔洞分别与上节段和承台的预埋钢棒相连，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。

6.干接缝节段拼装桥墩底节段和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-粘弹性材料层、4-预留管道、5- 耗能芯板、6-约束钢板、7-螺栓、8-螺母、9-加劲肋、10-精轧螺纹钢筋、11.高强螺帽、 12-钢垫片、13-耗能芯板端部预留孔洞、14-上部节段、15-预埋钢棒和16-橡胶垫层。

具体实施方式

本发明是一种通过利用可更换UHPC板内置防屈曲支撑和粘弹性材料层来提高 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的结构，该结构 需要使用可更换UHPC板、粘弹性材料层、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，UHPC板与桥墩底节段 之间设置粘弹性材料层，粘弹性材料层与UHPC板之间通过胶结连接，与桥墩底节段 之间通过摩擦力传力，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的使用功能。

所述的粘弹性材料层与桥墩底节段之间的摩擦系数应小于UHPC板之间的摩擦 系数，通过施加合适的预应力，保证在地震作用激励下仅桥墩底节段与UHPC板之间 发生较小的相对位移，粘弹性材料层能够发生剪切变形而产生耗能，两块UHPC板之 间没有相对位移。

所述的预留管道尺寸略大于约束钢板的尺寸，其中耗能芯板通过端部的预留孔洞 分别与上部节段和承台的预埋钢棒相连，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，预埋钢棒端部穿过预留孔洞，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端部固定。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和UHPC板顶部需设置橡胶垫层，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。同时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14底面已经粘结好橡胶垫层16，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，粘弹性材料层3在预制厂中 已经粘结在UHPC板2上如图2；

步骤3：将由耗能芯板5和约束钢板6通过螺栓7和螺母8组成的防屈曲支撑放 置在UHPC板2的凹槽处，并通过端部预留孔洞13和螺母8分别与上部节段14和承 台内的预埋钢棒15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4处对齐，此时防屈曲支撑刚好处在预留管道4内；

步骤5：将精轧螺纹钢筋10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10的规定，利用 相关设备对精轧螺纹钢筋10施加预应力，并使用高强螺母11和钢垫片12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2所述的粘弹性材料层3与桥墩底节段1之间的摩擦系数应 小于UHPC板2之间的摩擦系数，保证在地震作用激励下仅桥墩底节段1与UHPC 板2之间发生较小的相对位移，粘弹性材料层3能够发生剪切变形而产生耗能，两块 UHPC板2之间没有相对位移。

在本实施例中，步骤3所述的UHPC板2中预留管道4及防屈曲支撑均为8个， 预留管道4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。