一种铁路重力式桥墩新型防御性抗震加固装置的制作方法

本发明涉及一种桥墩防御性抗震加固装置，具体是指一种用来加固既有铁路重力式桥墩的钢筋网格耗能装置。本装置可提高既有铁路重力式桥墩在小震和大震下的抗震性能，以达到“小震不坏，大震不倒”抗震性能要求，且具有经济成本低，施工方便，在不影响铁路桥梁正常运营的情况下，可实现对桥墩的快速加固。

背景技术：

我国西部地区桥梁大多数处于高烈度地震区，限于当时的技术水平或由于抗震规范的修正，大量的既有桥梁不能满足现行抗震设计规范的规定，存在抗震能力不足的问题。美国、日本等国家早在sanfernando地震（1972年）和kobe地震（1994年）后，就对桥梁结构开展了大量的加固补强，实施了大规模的抗震加固工程，如设置防落梁装置和墩柱的加固，这些加固后的桥梁有效抵抗了后来发生的lomaprieta地震（1989年）和northridge地震（1994年），大大减少了经济损失。目前，我国桥梁加固技术大多数面向的是地震中受损的桥梁或在一定的服役年限后由于病害而无法满足正常运营的桥梁，后者通常不考虑地震作用。唐山、海城地震中由于桥梁结构受损严重，我国对抗震设计规范进行了修正，以指导新建桥梁的抗震设计。同济大学土木工程国家重点实验室等研究机构采用一些传统的加固方法（外包混凝土、钢板、碳纤维布）加固钢筋混凝土桥墩，并进行了抗震性能试验，得到一些有益的结果，为公路桥梁的抗震加固提供了参考。2008年汶川地震后，我国加大了对结构抗震加固研究的支持力度，2009年在铁道部科技司的委托下，兰州交通大学抗震课题组针对铁路桥墩开展了“铁路重力式桥墩抗震性能评估与抗震加固技术”研究，进行了一系列拟静力试验。这些研究基于传统的加固方法，成本高且施工工艺复杂，难以应用于防御性抗震加固中。本专利中提出的防御性抗震加固，是指对存在潜在地震风险且不能满足抗震设防要求的桥梁结构所进行的震前加固。截止目前，针对铁路重力式桥墩的防御性抗震加固还没有一种新型有效的方法，因此开展既有铁路重力式桥墩的防御性抗震加固方法研究十分必要。抗震加固可以依据业主需要、结构服役时间、经济状况、加固目标等因素选择不同的加固方法。传统的加固方法在钢筋混凝土结构的加固中有一定的优势。但我国既有铁路重力式桥墩量大面广，大多为低配筋结构（≤0.5%），基本无延性，更无塑性铰区，破坏特征属于典型的脆断型破坏。研究发现传统的加固方法虽可提高重力式桥墩的承载力，但会导致破坏薄弱区域发生转移，延性性能提高有限，且加固成本高，难以应用于铁路重力式桥墩的防御性抗震加固中，亟待发明一种适合于铁路重力式桥墩的新型防御性抗震加固装置。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明涉及一种新型防御性抗震加固装置，该装置通过水平、纵向、横向钢筋的连接形成空间钢筋网格，其中水平钢筋植入桥墩，纵向钢筋植入承台，再通过横向钢筋将水平和纵向钢筋联系成整体，在桥墩墩底形成大于破坏区域的外包钢筋网格，即新型防御性抗震加固装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

a.对既有桥墩加固区域进行表面打磨处理；

b.对桥墩及承台进行钢筋的定位并钻孔；

c.清除钻孔内的混凝土粉末；

d.将纵向钢筋插入承台对应的孔中，随后将环氧砂浆灌入承台植筋孔道，使纵向外植钢筋与承台混凝土粘结为一体；

e.再将水平钢筋插入桥墩对应的孔中，随后将环氧砂浆灌入桥墩植筋孔道，使水平外植钢筋与墩身混凝土粘结为一体；

f.在纵向和水平钢筋交结点围绕横向钢筋并在接头处进行焊接，形成整体钢筋网格，即新型防御性抗震加固装置。

本发明的主要优点是：

1.本发明是一种施工简便，成本低廉的加固装置，且仅需加固墩底薄弱区，适合在我国量大面广的铁路重力式桥墩上推广使用；

2.小震时，钢筋网格装置起到对铁路重力式桥墩墩底薄弱区域的强度提升作用，可满足“小震不坏”的设防要求；

3.大震时，桥墩墩底薄弱区域开裂后墩身发生提离，可使钢筋网格装置发挥作用，通过塑性变形耗能，满足“大震不倒”的延性要求；

4.本发明还可通过简单调整钢筋网格空间布置形式，如加固纵筋的间距，纵筋的锚固数量，实现多级加固目标等；

5.本发明不需要大型施工设备，不增加结构荷载，对于弯曲型脆断破坏的重力式桥墩加固效果优势明显。

附图说明

图1是墩身及承台进行打磨处理，并确定相应的孔位；

图2是钻孔及孔道清灰；

图3是将纵向钢筋植入承台并灌入环氧砂浆封闭密实孔道；

图4是将水平钢筋植入墩身并灌入环氧砂浆封闭密实孔道；

图5是布置横向钢筋，并在钢筋交结点处焊接，形成钢筋网格装置；

图6是加固桥墩在大震下的变形；

图7是加固桥墩的分析模型；

图8是加固前后桥墩的滞回曲线；

图9是加固前后桥墩的骨架曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步的说明，其示例显示在附图及以下描述中。虽结合一示例性的实施例对本新型防御性抗震加固装置的构造及作用进行了描述，但并非局限于该示例性实施例，本发明不仅覆盖该示例性实施例，同时还覆盖通过减少或增加水平、纵向钢筋的锚固数量，横向钢筋的数量等形成的钢筋网格加固装置。

如图1所示，铁路重力式桥墩的加固区域主要为墩底附近薄弱区域，加固装置的锚固安装涉及到墩身（1）和承台（2）两部分，对于桥墩及承台加固区域首先进行打磨处理，并根据加固目标确定出植筋的位置；如图2所示，接着在桥墩上钻取水平向孔道（4），在承台上钻取竖直向孔道（4），并将孔道进行清灰处理；如图3所示，将纵向钢筋（5）插入承台相应的孔道（4）内，并灌入环氧砂浆进行密实封闭，确保外植钢筋与承台紧密粘合；如图4所示，将水平钢筋（6）插入墩身相应的孔道（4）内，并灌入环氧砂浆进行密实封闭，确保外植钢筋与承台紧密粘合；如图5所示，横向钢筋（7）连接水平（6）和纵向钢筋（5）于一体，同时在交结点处进行焊接，形成钢筋网格加固装置；然后对钢筋网格加固装置进行喷漆，做防锈处理；靠近墩底区域为抗震薄弱区，小震来临时，钢筋网格可提高强度，确保“小震不坏”，大震来临时，桥墩发生环裂破坏，墩身提离，水平（6）、纵向（5）及横向钢筋（7）形成的钢筋网格发生图6所示的耗能变形，通过钢筋网格的塑性耗能变形吸收地震输入能量，从而防止大震时出现倒塌，实现“大震不倒”的设防要求。加固装置所采用的钢筋均为普通钢筋，材料廉价，施工工艺简单，可实现地震作用下强度和耗能能力的双重提高。

具体实施例

选用8度区铁路重力式桥墩为原型，截面为513×357cm²，墩高为20m，截面配筋率为0.3%，混凝土c30，钢筋为hrb335。以原型桥墩按1:8缩尺的拟静力试验结果作为校核依据，建立数值分析模型，对加固前后结构的抗震性能进行对比分析。

如上所述桥墩，加固高度取值l≥等效塑性铰长度，塑性铰长度按照lp=2b/3计算，其中b为矩形截面短边尺寸。

经计算本分析实例中，1:8缩尺后截面为64×45cm²，墩高为2.5m，配筋率为0.3%，加固高度取值0.6m。加固纵筋配筋率0.3%，加固纵向钢筋与桥墩的间距取1/4b，约为0.11m，加固桥墩示意图见图7。

图8和图9给出加固前后桥墩的滞回和骨架曲线。

从图8和图9桥墩的滞回曲线和骨架曲线可以看出，加固后桥墩的耗能能力增强，承载能力得到一定的提升。加固前桥墩表现出明显的脆性破坏特征，即达到最大承载力后，骨架曲线突降，结构失去承载能力。加固后的桥墩由于墩底开裂后，加固钢筋发挥作用，在结构达到最大承载力后，结构刚度退化缓慢，承载力下降缓慢，结构具备一定的延性性能，加固钢筋发挥了塑性耗能作用。从骨架曲线可以看出，薄弱面未发生转移。本实施例得到承载力提高了20%，延性性能提高1倍。计算结果与本发明装置所基于的思路得到了较好的吻合。