震后功能可恢复的全预制拼装双层框架桥墩结构体系

摘要

本发明公开了震后功能可恢复的全预制拼装双层框架桥墩结构体系，结构体系由预制承台、预制下层墩柱、预制下层横梁、预制上层墩柱、预制上层横梁、摩擦耗能阻尼器、无粘结预应力筋、钢销栓组成。预制上层墩柱‑预制上层横梁、预制上层墩柱‑预制下层横梁通过无粘结预应力筋连接，辅以摩擦阻尼器，形成自复位摇摆耗能体系。预制下层墩柱‑预制下层横梁、预制下层墩柱‑预制承台分别通过灌浆套筒、承插式进行连接，形成等同现浇体系。较小地震作用下，上层通过自复位摇摆耗能，下层结构处于弹性阶段。上层结构发生摇摆耗能的同时，下层结构产生有限的塑性损伤耗散地震能量。震后上层结构可自复位，下层结构可快速修复，结构体系可快速恢复功能。

说明书

技术领域

本发明涉及新型桥梁结构体系，尤其是涉及震后功能可恢复的全预制拼装双层框架桥墩结构体系及作法。

背景技术

随着我国城镇化进程的发展，城市交通拥堵问题日益突出，既有城市交通基础设施结构性能退化，承载能力降低，严重制约了城市的发展，亟需重建或新建城市道路、桥梁等交通基础设。双层高架桥梁能够充分利用空间，在有限的道路面积上实现交通分流和扩容，是一种高效的交通网络解决方案，在城市高架桥梁的建设中得到了越来越广泛的应用。

当前，城市桥梁的建设仍以现场浇筑为主，施工工期长，场地占用大，造成桥梁建设场地周边严重的交通拥堵，增加城市的阵痛感。同时现场浇筑会造成建设场地周边较严重的污水、扬尘、噪音等环境污染，且容易产生安全生产事故。因此，城市桥梁的建设迫切需要更高效、绿色、快捷的工业化建造方式，预制拼装技术成为了人们的选择。预制拼装技术采用构件工厂化生产，现场吊装装配的方式，极大的缩短了现场施工工期，减少对环境的影响，越来越受到桥梁工程师的重视。在我国既有的预制拼装技术主要用于桥梁上部结构，用于桥梁墩柱等下部结构的预制拼装技术还寥寥无几，迫切需要发展下部结构的预制拼装技术。

双层高架桥梁的桥墩多采用框架墩，其在地震作用下的受力复杂，结构潜在的塑性铰区域可能多达8个，在结构达到延性能力之前有可能先发生结构整体稳定问题，结构的抗震性能不易满足要求。同时，基于延性抗震设计理论的高架桥墩柱，地震作用下往往产生较严重损伤和较大的残余变形，造成震后修复困难，影响高架桥梁的通行能力，阻碍抗震救灾的实施。因此，需要开发出震后功能可恢复的抗震结构体系，减少墩柱的损伤和残余变形，使其具有可快速恢复的能力，保证高架桥梁震后的快速通行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种震后功能可恢复的全预制拼装双层框架桥墩结构体系，该体系可以实现现场全预制拼装施工，在保证足够的强度和刚度的前提下，减小结构所承受的地震力，并且具有地震损伤可控和震后功能可快速恢复的能力。

一种震后功能可恢复的全预制拼装双层框架桥墩结构体系，包括框架墩预制承台(1)、预制下层墩柱(2)、预制下层横梁(3)、预制上层墩柱(4)、预制上层横梁(5)、外置摩擦耗能阻尼器(6)、无粘结预应力筋(7)、钢销栓(10)、钢罩(13)、钢套管(14)、钢垫板(15)、以及灌浆套筒(17)，预制上层横梁(5)的下部设有并排的两个预制上层墩柱(4)，每个预制上层墩柱(4)的下面为预制下层横梁(3)，预制下层横梁(3)的下面为并排的两个预制下层墩柱(2)，预制下层墩柱(2)的下面为预制承台(1)。

预制上层横梁(5)与预制上层墩柱(4)通过贯穿预制上层横梁(5)与预制上层墩柱(4)内部的四束平行的无粘结的预应力筋(7)连接；所述预制上层横梁(5)的底部四束平行的无粘结预应力筋(7)之间设有通过钢罩(13)预留圆柱形孔洞，圆柱形孔洞内放置钢管混凝土销栓(10)；钢管混凝土销栓(10)的一端设置在钢罩(13)内，另一端位于预制上层墩柱(4)内部；设置于预制上层墩柱(4)内部的钢管混凝土销栓(10)外表面设有栓钉(12)，底部设有圆形法兰盘(11)；所述预制上层横梁(5)底部与预制上层墩柱(4)上端接触处设有厚度为2cm的钢垫板(15)，预制上层墩柱(4)的上端设有厚度为2cm的钢套管(12)；预制上层横梁(14)底部与预制上层墩柱(4)连接的内侧设有转动摩擦耗能阻尼器(6)。

预制上层墩柱(4)与预制下层横梁(3)通过贯穿预制上层墩柱(4)与预制下层横梁(3)内部的四束平行的无粘结的预应力筋(7)连接；预制下层横梁(3)的顶部同预制上层墩柱(4)的下端的连接构造同上述的预制上层横梁(5)底部与预制上层墩柱(4)的连接构造；预制下层横梁(3)顶部与预制上层墩柱(4)下端接触的外侧设有转动摩擦耗能阻尼器(6)。

预制下层墩柱(2)的受力钢筋(19)突出于上柱端，并插入设置在预制下层横梁(3)底部的灌浆套筒(17)内，灌注高性能砂浆形成连接；预制下层横梁(3)的底部与预制下层墩柱(2)的之间设置高性能砂浆垫层(18)；预制承台(1)上预留方形孔洞，预制下层墩柱(2)的下部插入孔洞中，其空隙由高性能灌浆料填充，与承台形成承插式(8)连接。

所述转动摩擦耗能阻尼器(6)由铸钢制成，转动摩擦耗能阻尼器(6)通过高强螺栓(16)分别连接到预制上层横梁(5)、预制下层横梁(3)和预制上层墩柱(4)上，通过相对转动摩擦来耗散能量。

转动摩擦耗能阻尼器(6)包括与预制上层墩柱(4)连接的两个T形构件(22)，与预制上层横梁(5)、预制下层横梁(3)连接的两个L形构件(20)、一个T形构件(21)、四个铅黄铜摩擦圆盘(23)和一个阻尼器高强螺杆(24)。两个L形构件(20)对称设置在一个T形构件(21)两侧，L形构件(20)与T形构件(21)通过高强螺栓(16)相连；T形构件(21)锚固到预制下层横梁(3)上，L形构件(20)锚固到预制上层横梁(5)上；L形构件(20)和T形构件(21)之间留有间隙，在该间隙内放置与预制上层墩柱(4)相连的T形构件(22)；L形构件(20)和T形构件(22)之间以及T形构件(22)和T形构件(21)之间设有铅黄铜摩擦圆盘(23)；通过阻尼器高强螺杆(24)将L形构件(20)、铅黄铜摩擦圆盘(23)、T形构件(22)和T形构件(21)连接在一起并夹紧；当外置摩擦耗能阻尼器发生转动时，T形构件(22)和铅黄铜摩擦圆盘(23)的接触面产生相对位移，形成摩擦面耗能。

预制上层墩柱(4)的两端设置钢销栓(10)插入预制上层横梁(5)、预制下层横梁(3)的钢罩(13)内形成剪力键，提供可靠的抗剪能力，同时便于装配施工时的安装和定位。

无粘结预应力筋(7)由碳纤维增强复合材料制成，依次穿过预制上层横梁(5)、预制上层墩柱(4)、预制下层横梁(3)，并分别通过锚具(9)锚固于预制上层横梁(5)的上部和预制下层横梁(3)的下部。

无粘结预应力筋(7)具有自复位功能。

本发明的有益效果是：

本发明的全预制装配双层框架墩结构体系，可实现预制装配，震后功能可恢复，主要体现在以下几点：

1.该预制拼装双层框架墩结构体系全部构件均采用工厂预制，现场只需进行拼装，极大的缩短了现场施工工期，减小对建设场地周边交通和环境的影响，实现绿色、工业化桥梁建设。

2.预制上层墩柱-预制上层横梁、预制上层墩柱-预制下层横梁通过无粘结预应力筋连接，在地震作用下，接触部分可以发生摇摆，能够减小地震作用下桥梁结构的受力，同时利用摇摆耗散地震能量，减少墩柱的损伤，且震后具有自复位能力。

3.在预制桥墩与预制横梁间设置摩擦耗能阻尼器来耗散地震能量，有效控制上层桥墩塑性变形的发展，使耗能集中于摩擦阻尼器，能保护上层桥墩在地震作用下免受损伤，且摩擦耗能阻尼器可进行更换。

4.预制下层墩柱-预制下层横梁、预制下层墩柱-预制承台分别通过灌浆套筒、承插式进行连接，其效果等同于现浇，在地震作用下通过有限的损伤耗散部分地震能量，震后损伤小，可快速修复。

5.该预制拼装双层高架桥框架墩上层为自复位摇摆结构，下层为等同现浇结构。在较小地震作用下，上层自复位摇摆结构发生摇摆并由摩擦阻尼器耗散地震能量，下层结构处于弹性阶段，无损伤产生。在设计地震动地震作用下，上层结构发生自复位摇摆耗能的同时，下层结构产生有限的塑性损伤耗散地震能量。这样震后上层结构可自复位，下层结构损伤小，可快速修复，恢复使用功能。

6.本发明对常规的桥墩设计的改动较小，容易实现，适用范围广，可加速桥梁的建设，通过自复位摇摆和有限延性分级耗能，减小了墩柱的损伤，震后可快速修复，恢复通行功能，减小震后的修复成本和灾区重建时间。本发明具有良好的经济效果，值得推广和应用。

附图说明

图1为全预制拼装双层框架桥墩结构体系的外部示意图。

图2为该结构体系的预制上层墩柱-预制横梁的节点连接构造图。

图3为该结构体系的预制下层墩柱-预制横梁的节点连接构造图。

图4为该体系转动摩擦耗能阻尼器的正视图。

图5为该体系转动摩擦耗能阻尼器的A-A截面视图。

图中：1—框架墩预制承台；2—预制下层墩柱；3—预制下层横梁；4—预制上层墩柱；5—预制上层横梁；6—摩擦耗能阻尼器；7—无粘结预应力筋；8—承插式连接；9—预应力锚具：10—钢销栓；11—钢法兰：12—剪力钉；13—钢罩：14—钢套管；15—钢垫板；16—高强螺栓；17—灌浆套筒；18—砂浆垫层；19—墩柱受力钢筋；20—连接横梁L形构件；21—连接横梁T形构件；22—连接墩柱T形构件；23—铅黄铜摩擦圆盘；24—阻尼器螺杆。

具体实施方式

本发明在常规双层高架桥梁框架墩的基础上，将上层墩柱与上、下层横梁分离开来，通过无粘结预应力筋连接，并辅以摩擦阻尼器来耗能，使上层形成自复位摇摆结构，来减小地震作用下结构的反应。下层墩柱与下层横梁、承台通过灌浆套筒、承插式连接形成等同现浇结构，并以有限延性来耗能。上、下层在不同水平地震动作用下分级混合耗能，减小框架墩的损伤，使其可快速修复，恢复通行功能。该结构体系适用于高架桥梁的预制装配快速施工。

如图1-5所示，本发明为一种震后可恢复功能的全预制拼装双层框架桥墩结构体系，主要由框架墩预制承台(1)、预制下层墩柱(2)、预制下层横梁(3)、预制上层墩柱(4)、预制上层横梁(5)、外置摩擦耗能阻尼器(6)、无粘结预应力筋(7)、钢销栓(10)、钢罩(13)、钢套管(14)、钢垫板(15)、以及灌浆套筒(17)组成，预制上层横梁(5)的下部有并排的两个预制上层墩柱(4)，每个预制上层墩柱(4)的下面为预制下层横梁(3)，预制下层横梁(3)的下面为并排的两个预制下层墩柱(2)，预制下层墩柱(2)的下面为预制承台(1)。

预制上层横梁(5)与预制上层墩柱(4)通过贯穿预制上层横梁(5)与预制上层墩柱(4)内部的四束平行的无粘结的预应力筋(7)连接；所述预制上层横梁(5)的底部四束平行的无粘结预应力筋(7)之间设有通过钢罩(13)预留圆柱形孔洞，圆柱形孔洞内放置钢管混凝土销栓(10)；钢管混凝土销栓(10)的一端设置在钢罩(13)内，另一端位于预制上层墩柱(4)内部；设置于预制上层墩柱(4)内部的钢管混凝土销栓(10)外表面设有栓钉(12)，底部设有圆形法兰盘(11)；所述预制上层横梁(5)底部与预制上层墩柱(4)上端接触处设有厚度为2cm的钢垫板(15)，预制上层墩柱(4)的上端设有厚度为2cm的钢套管(12)；预制上层横梁(14)底部与预制上层墩柱(4)连接的内侧设有转动摩擦耗能阻尼器(6)。

预制上层墩柱(4)与预制下层横梁(3)通过贯穿预制上层墩柱(4)与预制下层横梁(3)内部的四束平行的无粘结的预应力筋(7)连接；预制下层横梁(3)的顶部同预制上层墩柱(4)的下端的连接构造同上述的预制上层横梁(5)底部与预制上层墩柱(4)的连接构造；预制下层横梁(3)顶部与预制上层墩柱(4)下端接触的外侧设有转动摩擦耗能阻尼器(6)。

预制下层墩柱(2)的受力钢筋(19)突出于上柱端，并插入设置在预制下层横梁(3)底部的灌浆套筒(17)内，灌注高性能砂浆形成连接；预制下层横梁(3)的底部与预制下层墩柱(2)的之间设置高性能砂浆垫层(18)；预制承台(1)上预留方形孔洞，预制下层墩柱(2)的下部插入孔洞中，其空隙由高性能灌浆料填充，与承台形成承插式(8)连接。

所述的外置转动摩擦耗能阻尼器(6)由铸钢制成，通过高强螺栓(16)分别连接到预制上层横梁(5)、预制下层横梁(3)和预制上层墩柱(4)上，通过相对转动摩擦来耗散能量。

转动摩擦耗能阻尼器(6)包括与预制上层墩柱(4)连接的两个T形构件(22)、与预制上层横梁(5)、预制下层横梁(3)连接的两个L形构件(20)和一个T形构件(21)、铅黄铜摩擦圆盘(23)、阻尼器螺杆(24)组成，共形成四个摩擦面来耗能。

预制上层墩柱(4)的两端设置钢销栓(10)插入预制上/下横梁(3)/(5)的钢罩(13)内，形成剪力键，提供可靠的抗剪能力，同时便于装配施工时的安装和定位。

无粘结预应力筋(7)由碳纤维增强复合材料制成，依次穿过预制上层横梁(5)、预制上层墩柱(4)、预制下层横梁(3)，并分别通过锚具(9)锚固于预制上层横梁(5)的上部和预制下层横梁(3)的下部。

无粘结预应力筋(7)具有自复位功能。

本发明突破传统双层高架桥框架墩柱的现浇施工方式，采用全预制装配化施工，极大的缩短了现场施工工期，降低了对场地周边的交通和环境的影响，实现了框架墩柱的绿色、工业化施工。本发明的设计思路明确，设计方法灵活，将上层结构的自复位摇摆响应同下层结构的有限延性耗能结合起来，实现在不同地震水平作用下结构体系的分级混合耗能机制，能较好的控制结构在地震作用下的损伤，使结构在震后可以快速恢复功能，减少震后修复的费用和恢复交通所需时间，具有较好的社会经济效益，值得在实际工程中推广应用。