利用内部约束的中空柱单元的模块化柱系统及其建造方法

专利名称：利用内部约束的中空柱单元的模块化柱系统及其建造方法
技术领域：
本发明主要涉及一种通过在一基础部分和一顶部部分之间堆叠 至少一个预制单元而建造的模块化柱系统，以及它的一种建造方法。其中预制单元利用一种事先制造的内部约束(internally confined)的 中空柱单元，且牢固地形成预制单元之间的连接部分。这样，因为不 使用钢筋和钢筋形式，模块化柱系统实现了短建造周期和经济性，同 时实现了对弯矩的高度抗力和预制单元横截面积和自重的减小，从而 使模块化柱系统能更容易、更经济地装配，并防止预制件之间的连接 部分的脆性断裂。
背景技术：
通常，桥梁工事中构建的桥墩是现场浇注的混凝土结构，其中， 在现场的基础坑挖掘工作完成后，将混凝土浇入安装有钢筋的模板 中，硬化一段预定量时间，从而形成基础部分。在基础部分硬化后，将钢筋条和钢筋形式安置在硬化的基础部分 上，在模板中浇入混凝土并使其硬化形成桥墩。桥墩的上方部分，即支撑桥面的顶部部分，通过将支撑有台架的钢筋形式安置完毕后在第 一和第二工序中浇入混凝土形成。从而完成桥墩。有鉴于此，模板的建立和混凝土硬化后模板的拆除工作需要很长 的建造周期和很大的花费。此外，依据建造位置，桥墩会发生问题。 例如，在建造高架道路时，桥墩会在施工点周围产生交通堵塞。此外， 在工作环境恶劣的情况下，例如在水下作业时，桥墩的建造和管理非 常困难，因而增加了错误建造的可能性。考虑到这些方面，已经开始以构造包括在地下的基础坑挖掘的建 造基础部分然后制造并作为一个单元结构装配桥墩的方法在现场建 造桥墩。为了实现模块化桥墩建造的优点，因为作为各自的单元以预制的方式制造的结构，即预制单元在工厂中制造，这有利于控制混凝土的 质量。另外，因为预制单元为连续制造，而有利于控制人力和形状。 此外，因为预制单元可以与基础部分的建造一起制造，与现场浇注方 法相比，有可能减少建造周期。以这种方式，利用预制单元建造的模块化桥墩公开在专利号为10-99113的韩国专利(题为"模块化桥墩和柱结构及其建造方法")中。在该文件中，依据桥墩的高度制造多个横截面为球形、圆形或卵 形的预制单元。在这些预制单元中，上方预制单元在其下端具有一凸 形，而相应于上方预制单元的下方预制单元在其上端具有一凹形。然 后，装配上方预制单元和下方预制单元。凸形部分和凹形部分在五个 不同的位置设有适于当对上方预制单元施加弯矩时传递压力、张力、 轴向力以及剪切力的抗剪键。抗剪键以从外面通过注射孔将灌浆注入 其中央的抗剪键凹槽的建造方法装配。模块化桥墩的上述建造的特点是在现场作为 一 个单元结构直接 装配和建造桥墩结构，以及单元坚固地耐受经由抗剪键传递至那里的 分力，所述抗剪键结合灌浆的注入被安装在不同的方向上。然而，当建造这种桥墩时，为了制造具有凸形和凹形的制造单元 而建立模板比较困难。实际上，由于其自重，由混凝土制成的预制单 元不得不由起重机抬升，所以，当建造高的桥墩时，极大地增加了待 制造的预制单元的数目。同时，桥梁的桥墩用于当作用力向下传递时承受其上方结构的负 载，并用作抵抗诸如地震的横向负载的主要部件。因此，桥墩应该设 计成可以抗垂直负载、横向负载、弯矩等等。考虑到这点，桥墩的设计基于塑胶铰链的概念，塑胶铰链能使核 心混凝土抵抗强大的压缩形变而具有耗散能量的能力。这意味着桥墩 具有延展性，能使可塑性形变抵抗不断的负载而不至于显著地降低抗 应力或刚性。在防地震设计中考虑的响应修正系数收到这种延展性能力的极 大影响。在桥梁中，桥墩的延展能力占了整个桥梁的g能力的大部目前，道路和铁路桥的设计标准规定了横向钢筋比例，以保证地 震和横向负载的桥墩塑胶铰链部分的延展能力。基于横向钢筋比例， 具有实心剖面的钢筋混凝土桥墩被广泛地建造，且具有良好的负栽支 撑能力。然而，实心剖面的钢筋混凝土桥墩具有许多缺点它由于自重很 难用于基础部分遇到结构问题的现场，且由于增加了混凝土材料的费 用，在经济上不利，以及由于当淺注混凝土时水合热的产生，具有发 生裂缝的可能性。由于这个原因，尽管具有建造费用方面的某些缺点，人们开始关 注具有良好的延展能力和较短的建造周期的钢制桥墩。然而，钢制桥墩的宽度通常比构成桥墩的桥面的厚度相对要大， 因而在地震发生时，具有易于发生局部扭曲的问题。通常，为了解决这个问题，使用混凝土填充的钢管(CFT)。 CFT 指的是填充有混凝土的具有圆形或角形截面的钢管结构。因为混凝土 被限制在钢管中，CFT具有能极好地防止局部扭曲的优点，良好的延 展能力，以及由于与现有的混凝土桥墩相比增加了抗弯矩能力而具有 较小的横截面和自重。然而，CFT具有的问题是其材料费用非常高。此外，当建造高桥 墩时，CFT仍然具有横截面和自重增加的问题，从而不适用于对宽厚 比例有限制的现场条件。此外，CFT具有在腐蚀成为问题的现场条件 下防止其腐蚀的维护问题，例如水下桥墩的情形。此外，在桥梁的桥墩或桥梁的柱具有由于混凝土的过量的自重， 或混凝土的材料花费相对较高产生的结构问题时，使用了具有中空剖 面，而不是具有实心剖面的桥墩或柱。这种中空剖面的桥墩或柱被预计为具有很高的实用性，因为与通 常的桥墩或柱相比，抗弯矩能力没有很大的减弱。尤其是，由于抗地震设计在目前成为热点，有必要设计具有能承 受更大的弯矩的桥墩或柱，此外，还要求横迁移。因而，当设计能承受更大的弯矩的桥墩或柱的时候，中空剖面的桥墩或柱由于其内部是 空的而减小了自重，才艮据情况可能更佳。然而，因为很难预期其混凝土约束效应，中空剖面的桥墩或柱的 延展能力值得怀疑。换句话说，由于因为没有混凝土约束效应而在中 空剖面内部产生的脆性断裂作用，具有中空剖面的桥墩或柱在实践中 显示出较差的延展能力。不过，到目前为止，就提出的模块化桥墩而言，没有特别研究在使用混凝土制造预制单元时的过量自重、为替代混凝土而使用CFT作为原料时的高原料费用、当建造高桥墩时是否引入中空剖面作为解 决剖面和自重增加的途径，在使用中空剖面时的中空剖面的脆性断裂，以及在用于例如水下桥》教而使用CFT时的维护。 发明内容因此，本发明紧记现有技术中出现的上述问题，因而本发明的一 个目的是提供一种使用至少一个内部约束的中空柱单元的模块化柱 系统，其中所述内部约束的中空柱单元包括一 由钢或纤维增强塑料 (FRP )制成的外管部分、 一填充有混凝土并在外管部分内形成一中空 部分的混凝土部分，以及一安装在混凝土部分的中空部分中的、由钢 或FRP制成的内管部分，所述内管部分约束所述混凝土部分，从而由 于使用通用的模块化柱系统建造产生的优势、由于中空部分，以及由 于由横截面积减少导致的自重减少而提供了单元的易装配性以及建 造经济性，并通过在例如水下桥墩的情况下由FRP制成的内管部分和 外管部分而提高了耐腐蚀性。为了实现上述目的，依据本发明的一个方面，提供了一种使用至 少一个内部约束的中空柱单元的模块化柱系统。所述模块化柱系统包 括安装在基础部分和顶部部分之间的至少一个预制单元，以及用于将 预制单元固定至基础部分、使预制单元相互固定和将顶部部分固定至 预制单元的装置。所述预制单元是一种内部约束的中空柱单元，其包 括一由钢或纤维增强塑料(FRP)制成的外管部分、 一填充有混凝土并在外管部分内形成一中空部分的混凝土部分，以及一安装在混凝土部分的中空部分中的、由钢或FRP制成的并约束所述混凝土部分的内 管部分。因此，本发明的才莫块化柱系统的建造方式为通过固定装置使内部 约束的中空柱单元连接至基础部分的上方部分，以使内部约束的中空 柱单元堆叠在并连接至连接的中空柱单元上，直至模块化柱系统的设 计高度，并且^f吏顶部部分连4妻至最上方的内部约束的中空柱单元的上 方部分。


当结合附图阅读时，本发明的上述和其它的目的、特征和其它优 点将会从下述的详细描述中得到更清楚地理解，其中图l是使用至少一个依据本发明的内部约束的中空柱单元的模块 化柱系统中的内部约束的中空柱单元的立体图；图2是示出作为本发明的部件的内部约束的中空柱单元的部分剖 视图，其中内部约束的中空柱单元的一内管部分形成为一圓柱形管；图3是示出作为本发明的部件的内部约束的中空柱单元的部分剖 视图，其中内部约束的中空柱单元的一内管部分形成为一波形管；图4是示出 一剪力连接件的立体图，所述剪力连接件额外地安装 至一作为本发明的部件的内部约束的中空柱单元；图5是示出作为本发明的部件的内部约束的中空柱单元的剖视 图，其中剪力连接件被连接至内部约束的中空柱单元的内管部分和外 管部分；图6是示出了依据本发明的内部约束的中空柱单元在堆叠在基础 部分和顶部部分之间、且通过固定装置在连接部分处相互连接的状态 的侧剖—见图；图7是示出了依据本发明的处于内部约束的中空柱单元堆叠在基 础部分和顶部部分之间的状态的分解立体图；图8是示出了依据本发明的一个实施方案的包括一主体部分以及一头部的棒状元件的立体图；图9是示出了依据本发明的一个实施方案的基础部分和最下方的 内部约束的中空柱单元、两个相邻的内部约束的中空柱单元、最上方 的内部约束的中空柱单元，以及顶部部分由固定装置固定的状态的分 解立体图；图IO是示出了依据本发明的内部约束的中空柱单元之间的共同 连接部分由支撑件连接的状态的分解立体图；图ll示意性地示出了使用至少一个依据本发明的内部约束的中 空柱单元建造模块化柱系统的过程；以及图12是说明使用至少一个依据本发明的内部约束的中空柱单元 建造模块化柱系统的方法的流程图。
具体实施方式
现将更详细地参照本发明的一个典型实施方案，在附图中示出其 一个实施例。在任何可能的情况下，相同的附图标记将在附图和说明 书的通篇用于指代相同或类似的部件。如图1所示，内管部分13安装在混凝土部分12的中空部分14 中，从而其约束了混凝土部分12。因而，混凝土部分12在三轴压力 负载下。因此，当制造预制单元时，混凝土部分12的中空部分14制 成为降低预制单元的自重，以便于装配，从而防止了混凝土部分12 的中空部分14的横截面中的偶然脆性断裂。此外，插入了内管部分 13以加强对弯矩的抗力，并减少横截面以及预制单元的自重，因而内 部约束的中空柱单元10优选地用作装配桥墩的预制单元。当建造一普通结构时，内管部分13和外管部分11优选由钢制成， 从而保证了对弯矩的抗力。然而，当建造成在腐蚀性环境中使用的结构时，例如，水下桥墩， 内管部分13和和外管部分11可以由具有耐腐蚀性和延展性的纤维增 强塑料(FRP)制成。更优选地，FRP选自适用于现场建造的条件的 材料，例如添加增强材料的FRP,诸如碳FRP、芳纶FRP(AFRP)、玻璃FRP(GFRP),等等。此外，此类FRP的使用附带地减小了结构 的自重，从而使装配更加容易。如图l所示，中空部分14的直径D1可以在工厂中调节，以便于 在装配的时候考虑自重、混凝土材料的成本等后，满足现场建造的条 件的需要。制成中空部分14以通过混凝土部分12。从而，如图2所示，在 内管部分13制成圓柱形管13a的情况下，中空部分14呈圆柱形，从 而与内管13a—体形成。如图3所示，在内管部分13制成波形管13b 的情况下，中空部分14呈圆柱形波形柱，A/v而与波形管13b—体形 成。如图2和图3所示，内管部分13可以采用具有光滑表面的圓柱 形管13a,或者具有交替的凸面和凹面的波形管13b。在采用圆柱形管13a的情况下，具有其可以对轴向压缩力和弯矩 施加抗力的优点。在使用波形管13b的情况下，具有约束混凝土部分 12的良好效果，从而适用于防止内管部分13的局部扭曲以及增加预 制单元的延展性，以便其可以根据建造地点的条件适当选用。如图5所示，外管部分11设有多个剪力连接件(shear connector) 16,所述剪力连接件用于保证与混凝土部分12的统一行为，所述剪 力连接件连在与混凝土部分12相连的外管部分11的内表面上。类似地，如图5所示，内管部分13也^L有多个剪力连接件16， 所述剪力连接件用于保证与混凝土部分12的统一行为，所述剪力连 接件连在与混凝土部分12相连的内管部分13的外表面上。在内管部分13和外管部分11由钢制成的情况下，剪力连接件16 由钢制成。从而，优选地，剪力连接件16被焊接至与混凝土部分12 连接的内管部分13的外表面和外管部分11的内表面上。此时，优选 地，通过维持比内管部分13和外管部分11以及剪力连接件16中的 每一个更大的强度而防止内管部分13或外管部分11与每一剪力连接 件16之间的焊接区的脆性断裂。同时，在内管部分13和外管部分11由FRP制成的情况下，剪力连接件16由FRP制成。从而，优选地，剪力连接件16被结合至与 混凝土部分12连接的内管部分13的外表面和外管部分11的内表面 上。此时，优选地，通过维持比内管部分13和外管部分11以及剪力 连接件16中的每一个更大的强度而防止内管部分13或外管部分11 与每一剪力连接件16之间的焊接区的脆性断裂。如图4所示，每一剪力连接件16包括一加强部分16a和一中间 柱部分(studportion) 16b,所述加强部分为板形，并在单元的轴向方 向上连接，并起抵抗单元扭曲的作用，所述中间柱部分与所述加强部 分16a—体形成，并在单元的径向方向上以板形连接，而保证内管部 分13和外管部分11与混凝土部分12的统一行为。从而，每一剪力 连接件16可以制成用于保证内管部分13和外管部分11与混凝土部 分12的统一行为，以及发挥防止预制单元扭曲的功能。同时，如图6和图7所示，用于固定基础部分20和最上方的内 部约束的中空柱单元10的装置包括多个在基础部分20的上方部分 形成的基础部分锚定孔21,在混凝土部分12的下方部分形成的、与 基础部分锚定孔21相对的多个下方锚定孔15b,多个插在下方锚定孔 15b和基础部分锚定孔21之间的棒状元件40,以及固定棒状元件40 的灌浆50。此外，用于固定顶部部分30和最下方的内部约束的中空柱单元 10的装置包括多个在顶部部分30的下方部分形成的顶部部分锚定孔 31，在混凝土部分12的上方部分形成的与顶部部分锚定孔31相对的 多个上方锚定孔15a，多个插在上方锚定孔15a和顶部部分锚定孔31 之间的棒状元件40,以及固定棒状元件40的灌浆50。同样，用于固定两个相邻的内部约束的中空柱单元10的装置包 括多个在下方的内部约束的中空柱单元10的上方部分形成的上方锚 定孔15a，多个在上方的内部约束的中空柱单元10的下方部分形成的 与上方锚定孔15a相对的下方锚定孔15b,多个插在上方锚定孔15a 和下方4苗定孔15b之间的+奉状元件40，以及固定一奉状元件40的灌浆 50。这些固定装置建造成将最下方的内部约束的中空柱单元10连接 至基础部分20、连接两个相邻的内部约束的中空柱单元10,以及连 接最上方的内部约束的中空柱单元10与顶部部分30,这种连接通过 将棒状元件40插入锚定孔15a， 15b, 21和31,然后硬化棒状元件 40和锚定孔15a， 15b, 21和31之间的灌浆50实现。为了提供更坚固的连接，如图8所示，棒状元件40包括主体部 分41以及位于主体部分41的相对端的头部42,头部42比主体部分 41厚。优选地，当将棒状元件40插入锚定孔15a, 15b， 21和31时， 就通过注入灌浆50而连接，每一棒状元件40由于每一头部42的阶 梯而得到更坚固地连接。每一棒状元件40优选由钢棒等制成，且其 诸如长度的尺寸依据由内部约束的中空柱单元10的连接部分80产生 的弯矩调整。优选地，棒状元件40和锚定孔15a， 15b, 21和31的数目依据 内部约束的中空柱单元10的连接部分80产生的弯矩调整。灌浆50的使用不但用于把棒状元件40连接至锚定孔15a, 15b， 21和31，还用于防止棒状元件40在棒状元件40由钢棒和水泥浆或 灰浆的混合物制成的情况下发生腐蚀。优选地，灌浆50的流动性和 膨胀性适用于紧密地填充锚定孔15a, 15b， 21和31。如图6和图7所示，基础部分20设有一柱单元插入凹槽22，最 下方的内部约束的中空柱单元10插在所述凹槽22中。从而，最下方 的内部约束的中空柱单元10可以牢固地堆叠在基础部分20上。根据 最下方的内部约束的中空柱单元IO的形状，基础部分20可以形成为 圆形、四角形或类似的形状。依据本发明的一个实施方案，如图9所示，用于固定基础部分20 和最下方的内部约束的中空柱单元10的装置包括一下方外部凸缘62a 和多个诸如螺栓的紧固件101，所述下方外部凸缘62a与最下方的内 部约束的中空柱单元10的外管部分11连接，并设有多个下方外部固 定孔63a,所述紧固件101穿过下方外部固定孔63a,插入基础部分 20的上方部分处的多个基础部分外部固定孔23a中，并将下方外部凸缘62a固定至基础部分20。下方内部凸缘62b与最下方的内部约束的中空柱单元10的内管 部分13的下方内部周边连接，并设有多个下方内部固定孔63b。多个 诸如螺栓的紧固件IOI穿过下方内部固定孔63b，插入多个基础部分 20的上方部分处的基础部分内部固定孔23b中。从而，用于固定基础 部分20和最下方的内部约束的中空柱单元10的装置优选地防止了基 础部分20和最下方的内部约束的中空柱单元10之间的连接部分80 的脆性。如图9所示，用于固定顶部部分30和最上方的内部约束的中空 柱单元10的装置包括与最上方的内部约束的中空柱单元10的外管部 分11的上方外部周边连接并设有多个上方外部固定孔61a的上方外 部凸缘60a，以及多个诸如螺栓的紧固件101,所述紧固件101穿过 上方外部固定孔61a，插入顶部部分30的下方部分处的多个顶部部分 外部固定孔32a中，并将上方外部凸缘60a固定至顶部部分30。上方内部凸缘60b与最上方的内部约束的中空柱单元10的内管 部分13的上方内部周边连接，并设有多个上方内部固定孔61b。多个 诸如螺栓的紧固件101穿过上方内部固定孔61b,插入顶部部分30 的下方部分处的多个顶部部分内部固定孔32b中，并将上方内部凸缘 60b固定至顶部部分30。从而，用于固定顶部部分30和最上方的内 部约束的中空柱单元10的装置优选地防止了顶部部分30和最上方的 内部约束的中空柱单元10之间的连接部分80的脆性。此外，用于固定两个相邻的内部约束的中空柱单元10的装置包 括一与下方内部约束的中空柱单元IO的外管部分11的上方外部周边 连^l妄，并i殳有多个上方外部固定孔6la的上方外部凸乡彖60a, —与上 方的内部约束的中空柱单元10的外管部分11的下方外部周边连接， 并设有多个与所述多个上方外部固定孔61a相对的下方外部固定孔 63a的下方外部凸缘62a,以及多个诸如螺栓和螺母的固定工具100， 所述固定工具100穿过上方外部固定孔61a和下方外部固定孔63a并 将上方外部凸缘60a与下方外部凸缘62a相互固定在一起。上方内部凸乡彖60b与下方内部约束的中空柱单元10的内管部分 13的上方内部周边连接，并设有多个上方内部固定孔61b。下方内部 凸缘62b与上方内部约束的中空柱单元IO的内管部分13的下方内部 周边连4妻，并i殳有与多个上方内部固定孔61b相对的多个下方内部固 定孔63b。多个诸如螺栓和螺母的固定工具100穿过上方内部固定孔 61b和下方内部固定孔63b并将上方内部凸缘60b与下方内部凸缘62b 相互固定在一起。从而，用于固定两个相邻的内部约束的中空柱单元 10的装置优选地防止了两个相邻的内部约束的中空柱单元10之间的 连接部分80的脆性。与内部约束的中空柱单元10的上方和下方周边连接的凸缘60a、 60b、 62a和62b具有诸如圆形或四边形的环形形状，这种形状可以对 应内部约束的中空柱单元10的4黄截面的形状^皮确定。每一上方外部 凸缘60a和下方外部凸缘62a的中空内径D4等于内部约束的中空柱 单元10的外管部分11的外径D2。因而，上方外部凸缘60a和下方 外部凸纟彖62a可以与外管部分11的相对末端的外表面通过焊接相连。 或者，在外管部分11由诸如FRP的塑料制成的情况下，上方外部凸 缘60a和下方外部凸缘62a可以通过粘结的方式连接至外管部分11 的相对端的外表面。每一上方外部凸缘60a和下方外部凸缘62a的外径D5等于内部 约束的中空柱单元10的内管部分13的内径D3。从而，上方外部凸 缘60a和下方外部凸缘62a可以通过焊接的方式连接至内管部分13 的相对端的内表面。或者，在内管部分13由诸如FRP的塑料制成的 情况下，上方外部凸缘60a和下方外部凸缘62a可以通过粘结的方式 连接至内管部分13的相对端的内表面。依据本发明的另一实施方案，如图10所示，用于固定两个相邻 的内部约束的中空柱单元10的装置包括一外部支撑件70a,所述外 部支撑件70a以条板形连接至上方和下方内部约束的中空柱单元10 之间的连接部分80的外周边。一内部支撑件70b以条板形连接至上方和下方内部约束的中空柱单元10之间的连接部分80的内周边。从而，用于固定两个相邻的内 部约束的中空柱单元10的装置优选地防止了上方和下方内部约束的 中空柱单元10之间的连接部分80的脆性。在外管部分11和内管部分13由钢制成的情况下，外部支撑件70a 和内部支撑件70b通过焊接的方式连接至上方和下方内部约束的中空 柱单元10之间的连接部分80的外周边和内周边，或者在外管部分 11和内管部分13由诸如FRP的塑料制成的情况下，通过粘结的方式 连接。从而，外部支撑件70a和内部支撑件70b防止了上方和下方中 空柱单元10之间的连接部分80的脆性。如上所述，当相邻的中空柱单元10使用凸缘60a、 60b、 62a和 62b或支撑件70a和70b相互连接时，它们首先通过插入在上方锚定 孔15a和下方锚定孔15b中的棒状元件40以及灌浆50相互连接，然 后或者通过诸如螺栓和螺母的固定工具固定至其凸缘，或者通过支撑 件70a和70b连才秦至连4妻部分80。 乂人而，可以防止才莫块化柱系统中的 连接部分80的脆性。此外，在内部约束的中空柱单元10被连接至基础部分20的上方 部分，或者顶部部分30的下方部分的情况下，它们首先通过插在下 方锚定孔15b和基础部分锚定孔21之间和上方4苗定孔15a和顶部部 分锚定孔31之间的棒状元件40以及灌浆50相互连接，然而通过诸 如螺栓的固定件101连接，所述固定件101通过下方外部凸缘62a和 下方内部凸缘62b固定至基础部分20的上方部分，或者通过上方外 部凸缘60a和上方内部凸缘60b固定至顶部部分30的下方部分。从 而，可以防止模块化柱系统中的连接部分80的脆性。同时，如图11和图12所示，建造使用至少一个依据本发明的内 部约束的中空柱单元的才莫块化柱系统的方法包括在挖坑工作后建造 带多个基础部分锚定孔21的基础部分20的步骤S1。在建造基础部分20的步骤S1中，在其中插入最下方的内部约束 的中空柱单元10的柱单元插入凹槽22可以在基础部分20的上方部 分形成。灌浆50 ^皮注入基础部分锚定孔21中(步骤S2 )。在步骤S2中基础部分锚定孔21中的灌浆50硬化之前，已经插 入并连接在待放置在基础部分20的上方部分上的最下方的内部约束 的中空柱单元10的柱单元的下方锚定孔15b中的棒状元件40，被插 入已经注有灌浆50的基础部分锚定孔21中，这样最下方的内部约束 的中空柱单元10就被连接在基础部分上(S3 )。在丰奉状元件40插入最下方的内部约束的中空柱单元10的下方锚 定孔15b中的情况下，在灌浆50注入下方锚定孔15b中之前，在现 场将棒状元件40插入下方锚定孔15b中并不重要。然而，在这种情 况下，由于需要花费时间硬化灌浆而拖延了建造时间，因此，为了经 济，以及降低建造周期，内部约束的中空柱单元IO优选在工厂中预 制，并将棒状元件40插入和连接在下方锚定孔15b中。在步骤S3的连接最下方的内部约束的中空柱单元10至基础部分 中，具有多个下方外部固定孔63a的下方外部凸缘62a以及具有多个 下方内部固定孔63b的下方内部凸缘62b被分别连接至放置在基础部 分的上方部分上的最下方的内部约束的中空柱单元10的下方外部周 边和下方内部周边。然后，固定件101就被固定在基础部分20的上 方部分的基础部分外部固定孔23a和内部固定孔23b中，从而将下方 外部凸缘62a和下方内部凸缘62b连接至基础部分20上。然后，将灌浆50注入已经在步骤S3中被放置在基础部分20的 上方部分上的最下方的内部约束的中空柱单元10的上方锚定孔15a 中(S4)。在步骤S4中上方锚定孔15a中的灌浆50硬化前，已经插入并连 接在待放置在基础部分20上的最下方的内部约束的中空柱单元10上 的内部约束的中空柱单元IO的下方锚定孔15b中的棒状元件40,被 插入已经注有灌浆50的最下方的内部约束的中空柱单元IO的上方锚 定孔15a中，这样相邻的中空柱单元10就被相互连接在一起(步骤 S5 )。依据本发明的一个实施方案，在使内部约束的中空柱单元10相互连接的步骤S5中，内部约束的中空柱单元IO各设有上方外部凸缘 60a和下方外部凸缘62a，以及上方内部凸缘60b和下方内部凸缘62b， 然后用固定工具IOO相互连接。此外，依据本发明的另一个实施方案，在使内部约束的中空柱单 元10相互连^:的步骤S5中，内部约束的中空柱单元IO之间的连接 部分80被连接至其外部周边上的外部支撑件70a以及内部周边上的 内部支撑件70b,从而使内部约束的中空柱单元IO相互连接。内部约束的中空柱单元IO通过重复步骤S4和S5堆叠和连接至 模块化柱系统的设计高度(步骤S6 )。然后，将灌浆50注入已经在步骤S6中放置在基础部分20的上 方部分上的最上方的内部约束的中空柱单元10的上方锚定孔15a中 (步骤S7 )。在步骤S7中上方锚定孔15a中的灌浆50硬化之前，已经插入并 连接在顶部部分30的下方部分的顶部部分锚定孔31中的棒状元件 40，被插入已经注有灌浆50的上方锚定孔15a中，这样最上方的内 部约束的中空柱单元10就#1连接至顶部部分(步骤S8 )。在使顶部部分30连接至最上方的内部约束的中空柱单元10的上 方部分的步骤S8中，上方外部凸缘60a和上方内部凸缘60b被分别 连接至放置在顶部部分30下的最上方的内部约束的中空柱单元10的 上方外部周边和上方内部周边。然后，将固定件IOI固定在顶部部分 30的下方部分的顶部部分外部固定孔32a和内部固定孔32b中，从而 使上方外部凸缘60a和上方内部凸缘60b连接至顶部部分30。从上述描述中可以明显知道，依据本发明的使用至少 一 个内部约 束的中空柱单元的模块化柱系统及其建造方法具有下述优点。首先，使用内部约束的中空柱单元，增加了对弯矩的抗力，其中 混凝土部分由内管部分约束，从而处在三轴压力负载下。因此，内部 约束的中空柱单元各自降低了横截面积和自重，从而使装配更容易。第二，内部约束的中空柱单元的中空部分使得使用的混凝土量更 少、降低了各内部约束的中空柱单元的横截面积、消除了形式的需要、消除了钢条的使用，等等。从而，获得了降低安装人力成本的经济性 的有益效果。第三，内部约束的中空柱单元的中空部分各设有由诸如FRP的塑 料制成的内管部分和外管部分，以使它们可以在腐蚀性环境中使用， 例如，水下桥墩，因此有利于维护。在使用FRP的情况下，内部约束 的中空柱单元可以减少自重。第四，通过连接部分的坚固连接，可以避免内部约束的中空柱单 元的中空部分之间的连接部分的脆性。尽管为了示例的目的，已经描述了本发明的一个优选实施方案， 但是本领域技术人员可以理解，可以进行不偏离如所附权利要求公开 的本发明的范围和主旨的各种修改、添加和替换。
权利要求
1. 一种使用至少一个内部约束的中空柱单元的模块化柱系统，所述模块化柱系统包括安装在基础部分和顶部部分之间的至少一个预制单元；以及用于将预制单元固定至基础部分、使预制单元相互固定和将顶部部分固定至预制单元的装置，其中所述预制单元是内部约束的中空柱单元且包括由钢或纤维增强塑料(FRP)制成的外管部分、填充有混凝土并在外管部分内形成中空部分的混凝土部分，以及安装在混凝土部分的中空部分中的、由钢或FRP制成的并约束混凝土部分的内管部分。
2. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，所述内管 部分包括圆柱形管。
3. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，所述内管 部分包括交替地为凸面和凹面的波形管。
4. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，所述外管 部分和内管部分中的至少一个具有多个连接至所述外管部分和内管部分 的相对表面中的至少一个的剪力连接件，所述多个剪力连接件保证了外 管部分和内管部分中的至少一个与混凝土部分的统一行为。
5. 根据权利要求4所述的模块化柱系统，其特征在于，所述每一 剪力连接件包括加强部分，所述加强部分在单元的轴向方向上以纟反形连接，并起抵 抗单元扭曲的作用；以及中间柱部分，所述中间柱部分与所述加强部分一体形成，在单元的 径向方向上以板形连接，且保证内管部分和外管部分与混凝土部分的统 一行为。
6. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于用于固定基础部分和内部约束的中空柱单元的装置包括多个在基 础部分的上方部分形成的基础部分锚定孔，在混凝土部分的下方部分形 成的、与基础部分锚定孔相对的多个下方锚定孔，多个插在下方锚定孔和基础部分锚定孔之间的棒状元件，以及固定棒状元件的灌浆；以及 用于固定顶部部分和内部约束的中空柱单元的装置包括多个在顶部部分的下方部分形成的顶部部分锚定孔，在混凝土部分的上方部分形 成的、与顶部部分4苗定孔相对的多个上方锚定孔，多个插在上方锚定孔 和顶部部分锚定孔之间的棒状元件，以及固定棒状元件的灌浆。
7. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于用于固定基础部分和内部约束的中空柱单元的装置包括下方外部 凸缘和多个紧固件，所述下方外部凸缘与内部约束的中空柱单元的下方 外部周边连接，并设有多个下方外部固定孔，所述紧固件穿过下方外部 固定孔，插入基础部分的上方部分处的多个基础部分外部固定孔中，并将下方外部凸缘固定至基础部分；以及用于固定顶部部分和内部约束的中空柱单元的装置包括与内部约 束的中空柱单元的上方外部周边连接并设有多个上方外部固定孔的上方 外部凸缘，以及多个紧固件，所述紧固件穿过上方外部固定孔，插入顶 部部分的下方部分处的多个顶部部分外部固定孔中，并将上方外部凸缘 固定至顶部部分。
8. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于用于固定基础部分和内部约束的中空柱单元的装置包括下方内部 凸缘和多个紧固件，所述下方内部凸缘与内部约束的中空柱单元的内管 部分的下方内部周边连接，并设有多个下方内部固定孔，所述紧固件穿 过下方内部固定孔，插入基础部分的上方部分处的多个基础部分内部固 定孔中，并将下方内部凸缘固定至基础部分；以及用于固定顶部部分和内部约束的中空柱单元的装置包括与内部约 束的中空柱单元的上方内部周边连接并设有多个上方内部固定孔的上方 内部凸缘，以及多个紧固件，所述紧固件穿过上方内部固定孔，插入顶 部部分的下方部分处的多个顶部部分内部固定孔中，并将上方内部凸缘 固定至顶部部分。
9. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，用于相互 固定内部约束的中空柱单元的装置包括多个在下方的内部约束的中空柱单元的上方部分形成的上方锚定孔、多个在上方的内部约束的中空柱 单元的下方部分形成的与上方锚定孔相对的下方锚定孔、多个插在上方 锚定孔和下方锚定孔之间的棒状元件，以及固定棒状元件的灌浆。
10. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，用于相互 固定内部约束的中空柱单元的装置包括与下方的内部约束的中空柱单 元的上方外部周边连接并设有多个上方外部固定孔的上方外部凸缘，与 上方的内部约束的中空柱单元的下方外部周边连接并设有多个与所述多 个上方外部固定孔相对的下方外部固定孔的下方外部凸缘，以及多个固 定工具，所述固定工具穿过上方外部固定孔和下方外部固定孔并将上方 外部凸纟彖与下方外部凸》彖相互固定在一起。
11. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，用于相互 固定内部约束的中空柱单元的装置包括与下方的内部约束的中空柱单 元的上方内部周边连4姿并i史有多个上方内部固定孔的上方内部凸缘，与 上方的内部约束的中空柱单元的下方内部周边连接并设有多个与所述多定工具，所述固定工具穿过上方内部固定孔和下方内部固定孔并将上方 内部凸缘与下方内部凸缘相互固定在一起。
12. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，用于相互 固定内部约束的中空柱单元的装置包括外部支撑件，所述外部支撑件为 条板形并连接至接连放置的内部约束的中空柱单元之间的连接部分的外 周边。
13. 根据权利要求1所述的模块化柱系统，其特征在于，用于相互 固定内部约束的中空柱单元的装置包括内部支撑件，所述内部支撑件为 条板形并连接至接连放置的内部约束的中空柱单元之间的连接部分的内 周边。
14. 一种建造使用至少一个内部约束的中空柱单元的模块化柱系统的方法，其中所述模块化柱系统包括安装在基础部分和顶部部分之间的 至少一个预制单元，和用于将预制单元固定至基础部分、使预制单元相互固定和将顶部部分固定至预制单元的装置，所述方法包括如下步骤在完成挖坑工作后，建造基础部分，以形成多个基础部分锚定孔(Sl );将灌浆注入基础部分锚定孔中(S2);将已经插入并连接在待放置在基础部分的上方部分上的内部约束的 中空柱单元下方锚定孔中的棒状元件，插入已经注有灌浆的基础部分锚 定孔中，将内部约束的中空柱单元连接至基础部分(S3);将灌浆注入内部约束的中空柱单元的上方锚定孔中(S4);将已经插入并连接在待放置在相邻的内部约束的中空柱单元上的内 部约束的中空柱单元的下方锚定孔中的棒状元件，插入已经注有灌浆的 内部约束的中空柱单元的上方锚定孔中，将内部约束的中空柱单元相互 连接在一起(S5 );通过重复第四步骤S4和第五步骤S5，堆叠和连接内部约束的中空柱 单元(S6 );将灌浆注入已经在第六步骤S6中放置的、最上方的内部约束的中空 柱单元的上方锚定孔中(S7);以及在第七步骤S7中上方锚定孔中的灌浆硬化之前，将已经插入并连接 在顶部部分的下方部分的顶部部分锚定孔中的棒状元件，插入已经注有 灌浆的上方锚定孔中，将最上方的内部约束的中空柱单元连接至顶部部 分(S8 )。
全文摘要
一种模块化柱系统及其建造方法，其通过在一基础部分和一顶部部分之间堆叠至少一个预制单元而建造。预制单元利用一种事先制造的内部约束的中空柱单元，且牢固地形成预制单元之间的连接部分。这样，因为不使用钢筋条和钢筋形式，模块化柱系统实现了短建造周期和经济性，同时实现了对弯矩的高度抗力和预制单元横截面积和自重的减小，从而使模块化柱系统能更容易、更经济地装配，并防止预制件之间的连接部分的脆性断裂。
文档编号E01D21/00GK101245584SQ200710079368
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月15日 优先权日2007年2月15日
发明者康正永, 韩泽喜, 韩生延 申请人:韩国大学工业和学术合作基金会