专利名称：先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩及其施工方法
技术领域：
本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩及其施工方法。
背景技术：
作为桥梁结构关键构件，桥墩抗震设计始终是桥梁领域重要研究课题。我国目前铁路桥梁和公路桥梁主要采用钢筋混凝土桥墩。应该注意到，钢筋混凝土桥墩在具有结构刚度大、疲劳性能好、可模性好和造价合理等性能优点的同时，也普遍存在箍筋约束弱、延 性偏低、剪切强度低和抗震性能差等缺点，容易因桥墩抗剪、抗压承载力和变形能力偏低而发生剪切破坏、压弯剪扭复合破坏和倾覆倒塌等破坏形态，在近年来国内外多次地震中，均有钢筋混凝土桥墩破坏严重并且难以修复震害现象发生，对地震中救灾抢险和灾后修复重建工作造成了很大困难。因此，在努力提高和改善传统钢筋混凝土桥墩抗震性能的同时，创新开发高效新型的钢-混凝土组合桥墩形式并发展组合桥墩抗震设计方法也日渐成为当前桥梁工程界重点关注问题和研究热点之。在房屋建筑中钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱大量研究和应用背景下，钢管混凝土桥墩和钢管混凝土叠合柱式桥墩(简称钢管混凝土叠合桥墩)在国内外桥梁工程也得到了一些推广应用。钢管混凝土叠合桥墩由于将钢管内置于钢筋混凝土桥墩内部，在具有钢管混凝土桥墩中钢管约束混凝土优点的同时，使钢管防腐和受压局部屈曲问题也得到了很好解决。现有研究结果表明，钢管混凝土叠合桥墩(柱)强度高、延性大和耗能好，具有良好抗震性能。为有效减小桥梁结构地震后残余变形以方便桥梁震后修复加固，国内外学者最近提出“竖向预应力桥墩”(或自复位功能)设计理，即通过在钢筋混凝土桥墩内部布置竖向预应力筋，使桥墩由于竖向预应力筋紧拉作用在地震后的残余变形得到有效减小。现有研究结果表明，竖向预应力不仅可以有效减小桥墩残余变形实现在地震后自复位功能，而且对于提高桥墩抗侧移刚度、抗冲击、抗倾覆和抗连续倒塌能力均有良好贡献。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩及其施工方法，有效改善了现有桥墩结构抗震安全性和有效性，具有承载能力高、抗震性能好、施工方便和自复位的特点，为桥梁建设提供了先进的技术。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩，包括钢管2，钢管2中布置有多根预应力筋3，钢管2内壁与预应力筋3之间浇灌有管内混凝土 1，钢管2、预应力筋3和管内混凝土 I形成一个芯柱5,在芯柱5外部烧筑有管外混凝土 4形成叠合桥墩。所述预应力筋3可以为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线。
所述叠合桥墩截面为圆形 、方形或者矩形等截面形状。所述管内混凝土 I为高强混凝土，管外混凝土 4为普通混凝土或高强混凝土。本发明同时提供了该预应力钢管高强混凝土叠合桥墩的施工方法在钢管2内沿其长度方向布置多根预应力筋3，然后在钢管2内浇灌管内混凝土 I并密实振捣，待管内混凝土 I达到一定强度后，切断预应力筋3进行放张，形成预应力钢管高强混凝土的芯柱5，将芯柱5通过基础预埋锚栓和芯柱柱脚底板连接，安装固定至桥墩预定位置，再进行芯柱外钢筋绑扎和外部混凝土 4浇筑施工，即形成先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩。本发明与现有技术相比具有以下优点(I)承载能力高由于叠合桥墩芯柱采用高强混凝土并且位于桥墩内部，芯柱内高强混凝土受到钢管和芯柱外混凝土约束，高强混凝土强度可得到提高和充分发挥，相应地叠合桥墩截面抗剪承载能力、竖向抗压承载能力以及压弯剪扭复合受力承载能力均可得到显著提高，可以有效桥墩小偏压破坏、剪切破坏和端部压弯剪复合破坏承载能力，在同样设计荷载下，桥墩截面尺寸可以得到有效减小，从而能达到节省材料、增加美观和增加桥下穿越空间等效果。(2)抗震延性好由于叠合桥墩芯柱内高强混凝土受到良好约束，高强混凝土变形能力得到极大改善，同时由于钢管高强混凝土芯柱承受绝大部分轴向压力，芯柱外部钢筋混凝土部分承受轴向压力较小(即外部钢筋混凝土部分承受轴压比值较小)，另外钢管受到内、外混凝土约束不易发生局部压屈失稳破坏，因此，叠合桥墩具有良好的延性和耗能性能。预应力钢管高强混凝土叠合桥墩的良好弹塑性变形能力、延性性能和耗能能力，可有效防止和避免桥墩在大震下发生严重破坏和倒塌，能切实有效提升混凝土桥墩抗震性能和抗震安全性。(3)弹性刚度大在叠合桥墩中设置预应力芯柱可以有效增加桥墩弹性侧移刚度，从而有效减小桥墩在列车、重型车辆行驶时桥梁振动和在小震下弹性变形，可以提高车辆行驶安全性和舒适性。(4)自复位性好在叠合桥墩内设置预应力芯柱相当于形成竖向预应力桥墩，竖向预应力筋能有效减小地震后桥墩的残余变形，使叠合桥墩在地震作用后具有良好的自复位功能(self-centering)，使桥墩在中小地震作用后基本恢复到桥墩初始位置，在强地震下也不会因出现较大残余变形而无法修复甚至倒塌。(5)鲁棒性好近年来，常发生车辆、船舶撞击桥墩导致桥墩发生严重破坏甚至倒塌现象(广州九江大桥)，在叠合桥墩设置预应力钢管高强混凝土芯柱，由于内部预应力钢管高强混凝土芯柱和外部钢筋混凝土双重作用，可以有效提高桥墩鲁棒性，增强桥墩抗震、防撞击、抗冲击、抗倾覆和抗连续倒塌能力，提高桥墩安全性能。(6)耐久性好相对钢管外露的传统钢管混凝土桥墩，由于预应力钢管高强混凝土桥墩中钢管位于混凝土桥墩中心，不用考虑叠合柱中钢管的防腐问题，桥墩耐久性能得到有效提高，更适用于环境类别较高的桥墩结构。(7)浇筑质量好由于预应力钢管高强混凝土芯柱可以工厂预制生产，因此，钢管高强混凝土芯柱内高强混凝土浇筑质量可以得到很好保证，可避免现场浇筑造成芯柱内高强混凝土浇筑不易密实以及现场养护困难等问题。(8)经济性好叠合桥墩中高强混凝土受到钢管和外部混凝土的良好约束，可以充分发挥超高强混凝土性能优势并大量使用超高强混凝土，桥墩截面尺寸和混凝土用量可大大减小，具有良好经济效益。已有使用经验表明，与普通钢筋混凝土结构相比，同样性能的普通钢管混凝土结构成本造价基本与钢筋混凝土结构持平。而预应力钢管高强混凝土叠合桥墩由于采用薄壁钢管，用钢量很小，加之可免去钢管防腐维护费用，与传统钢管混凝土桥墩相比，更具有明显经济优势。总体而言，预应力钢管高强混凝土叠合桥墩是一种具有良好受力性能、抗震性能和耐久性能并且施工方便、造价合理和质量易控的新型桥墩形式，符合我国当前土木工程结构的“坚固、安全、耐久”发展方向，具有良好应用推广前景。
图I为本发明实施例一结构示意图。图2为图I的俯视图。图3为本发明施工工序图。图4为本发明实施例二结构示意图。图5为图4的俯视图。图6为本发明实施例三结构示意图。图7为图6的俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。实施例一圆形截面单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩参见图I和图2，一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩，包括钢管2，钢管2中布置有六根预应力筋3，钢管2内壁与预应力筋3之间浇灌有管内混凝土 1，钢管2、预应力筋3和管内混凝土 I形成一个芯柱5,在芯柱5外部烧筑有管外混凝土 4形成叠合桥墩，叠合桥墩截面为圆形。该叠合桥墩的施工步骤见图3，如下步骤一，按照设计要求确定钢管2的直径和壁厚，预应力筋3的直径、数量及布置位置以及管内混凝土 I、管外混凝土 4的强度和配合比；步骤二，将钢管2固定好，按设计要求在钢管2内部布置、张拉并锚固预应力筋3 ；步骤三，用泵送方法浇筑管内混凝土 1，并对管内混凝土 I进行密实振捣，管内混凝土I为高强混凝土；步骤四，待管内混凝土 I达到一定强度后，切断预应力筋3进行放张，形成预应力钢管高强混凝土芯柱5 ；步骤五，将芯柱5运至工地，通过基础预埋锚栓和芯柱柱脚底板连接，安装固定至桥墩预定位置；步骤六，进行芯柱外钢筋绑扎，架设钢筋骨架6，进行外部混凝土浇筑施工，形成单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩。制备所得一种圆形截面单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩如图I和图2所示，钢管2的截面为圆形，预应力筋3的数量为六根。
实施例二 方形截面单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩参见图4和图5，一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩，包括钢管2，钢管2中布置有六根预应力筋3，钢管2内壁与预应力筋3之间浇灌有管内混凝土 1，钢管2、预应力筋3和管内混凝土 I形成一个芯柱5,在芯柱5外部烧筑有管外混凝土 4形成叠合桥墩，叠合桥墩截面为方形。该叠合桥墩的施工步骤见图3，与实施例一的方法一致。制备所得一种矩形截面单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩如图4和图5所示，钢管2的截面为矩形，预应力筋3的数量为六根。实施例三椭圆截面多芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩 参见图6和图7，芯柱5有三个，芯柱5外以及相邻的芯柱5之间均浇注管外混凝土 4，组成多芯柱叠合桥墩，叠合桥墩的截面为椭圆形。施工步骤如下步骤一，按照设计要求确定钢管2的直径、壁厚和数量，预应力筋3的直径、数量及布置位置以及管内混凝土 I、管外混凝土 4的强度和配合比；步骤二，将钢管2固定好，按设计要求在钢管2内部布置、张拉并锚固预应力筋3 ；步骤三，用泵送方法浇筑管内混凝土 1，并对管内混凝土 I进行密实振捣，管内混凝土I为高强混凝土；步骤四，待管内混凝土 I达到一定强度后，切断预应力筋3进行放张，形成预应力钢管高强混凝土芯柱5 ；步骤五，将各个芯柱5运至工地，通过基础预埋锚栓和芯柱柱脚底板连接，安装固定至桥墩预定位置；步骤六，进行芯柱外钢筋绑扎，架设钢筋骨架6，钢筋骨架6架设在排列好的多个芯柱5的外部，进行外部混凝土浇筑施工，形成多芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩。制备所得一种椭圆形截面单芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩如图6和图7所示，钢管2的截面为圆形，数量为三个，预应力筋3的数量为六根。本发明还可以包括双芯柱、三芯柱和四芯柱预应力钢管高强混凝土叠合桥墩等多种实施例。各个实施例中，管内混凝土 I都为高强混凝土，而管外混凝土 4用普通混凝土或者高强混凝土均可，实施例中的预应力筋3可以为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线。
权利要求
1.ー种先张法预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩，包括钢管(2)，其特征在于，钢管(2)中布置有多根预应カ筋⑶，钢管(2)内壁与预应カ筋(3)之间浇灌有管内混凝土⑴，钢管(2)、预应カ筋(3)和管内混凝土(I)形成一个芯柱(5)，在芯柱(5)外部浇筑有管外混凝土(4)形成叠合桥墩。
2.根据权利要求I所述的先张法预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩，其特征在于，所述预应カ筋(3)为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线。
3.根据权利要求I所述的先张法预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩，其特征在于，所述叠合桥墩截面为圆形、方形或者矩形。
4.根据权利要求I所述的先张法预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩，其特征在于，所述芯柱(5)有多个,相邻的芯柱(5)之间均浇注管外混凝土(4)，组成多芯柱叠合桥墩。
5.根据权利要求I所述的先张法预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩，其特征在于，所述管内混凝土(I)为高强混凝土，管外混凝土(4)为普通混凝土或高强混凝土。
6.权利要求I所述预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩的施工方法，其特征在于，在钢管(2)内沿其长度方向布置多根预应カ筋(3)，然后在钢管(2)内浇灌管内混凝土(I)并密实振捣，待管内混凝土(I)达到一定強度后，切断预应カ筋(3)进行放张，形成预应カ钢管高强混凝土的芯柱(5)，将芯柱(5)通过基础预埋锚栓和芯柱柱脚底板连接，安装固定至桥墩预定位置，再进行芯柱外钢筋绑扎和外部混凝土(4)浇筑施工，即形成先张法预应カ钢管闻强混凝土置合桥壤。
7.根据权利要求6所述的预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩的施工方法，其特征在干，所述预应力筋(3)为螺纹钢筋、刻痕钢丝或钢绞线。
8.根据权利要求6所述的预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩的施工方法，其特征在干，所述芯柱(5)有多个，相邻的芯柱(5)之间均浇注管外混凝土(4)，组成多芯柱叠合桥墩。
9.根据权利要求6所述的预应カ钢管高强混凝土叠合桥墩的施工方法，其特征在干，所述管内混凝土(I)为高强混凝土，管外混凝土(4)为普通混凝土或高强混凝土。
全文摘要
一种先张法预应力钢管高强混凝土叠合桥墩及其施工方法，桥墩包括钢管，钢管中布置有多根预应力筋，钢管内壁与预应力筋之间浇灌有高强混凝土，钢管、预应力筋和高强混凝土形成一个芯柱，在芯柱外部浇筑有普通混凝土形成叠合桥墩，在传统钢筋混凝土桥墩内部安装布置若干带有竖向预应力筋的预制钢管高强混凝土芯柱，待内部预应力钢管高强混凝土芯柱安装施工完毕后，再绑扎桥墩外部钢筋混凝土骨架并浇筑外部混凝土，即形成钢管内外混凝土不同期浇筑的竖向预应力钢管高强混凝土叠合柱式桥墩，其中，内部预应力芯柱采用先张法制作，本发明有效改善了现有桥墩结构抗震安全性和有效性，具有承载能力高、抗震性能好、施工方便和自复位的特点。
文档编号E01D21/00GK102635064SQ20121012861
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者杨勇, 泮勇溥, 薛建阳, 黄慧萍 申请人:西安建筑科技大学