一种单节段预制抗震桥墩及其施工方法与流程

本发明属于桥梁结构设计技术领域，具体说是一种单节段预制抗震桥墩及其施工方法。

背景技术：

墩柱震害是地震发生后桥梁结构最为常见的震害形式。桥梁墩柱按施工方法可分为现浇混凝土桥墩与预制桥墩，桥梁行业的快速发展使得两种墩柱体系在设计、施工、应用等多方面愈加完善。目前桥梁墩柱体系已有多种减震加固技术得以应用，取得了较好的抗震效果，但同时，也存在一些尚待解决的问题。现浇混凝土桥墩在地震作用下主要表现为塑性铰区的剪切破坏和弯曲压溃，虽然现有的抗震技术能减少桥墩的破坏程度，但无法彻底避免墩柱损伤，强震下墩柱发生严重破坏或者桥墩内部出现损伤在震后往往难以进行修复。另外，地震作用下现浇混凝土桥墩会产生残余变形，过大的残余变形会使桥梁失去交通功能，且同样在震后无法对其进行修复。

相对于传统的现浇混凝土桥墩，预制桥墩体系发展较晚，其应用多在非震区或低烈度区，根据该类桥墩的抗震性能特点不同，可将其分为两类，即“等同现浇”预制桥墩与“非等同现浇”预制桥墩(摇摆墩)。“等同现浇”预制桥墩通过对接缝进行处理使其与现浇混凝土桥墩具有相当的抗震性能。“非等同现浇”预制桥墩(摇摆墩)与承台之间设置摇摆界面，通过无黏结预应力束将摇摆墩和承台连接成整体，摇摆墩主要为受压构件，其损伤可控制在摇摆界面上，进而避免桥墩主体发生损伤破坏，且摇摆桥墩具有良好的自复位能力，同时，该类桥墩极其适合预制拼装技术的应用，但该类桥墩耗能较差，需要增加耗能装置来提高桥墩的耗能能力。

相比传统现浇混凝土桥墩，预制桥墩具有施工工期短，桥墩整体质量高，减少施工干扰等诸多优点，但是，各类预制桥墩的抗震性能不尽相同，工程人员无法根据抗震需求选择合适的预制桥墩以满足工程抗震需要，这使得预制桥墩在震区的应用并不广泛。

现有技术：1.名称为一种刚构桥的抗震桥墩及其施工方法，申请号为201810928354.0的专利文献，为现浇混凝土桥墩，不具有震后自复位能力，强震后若墩柱发生较大残余变形，则后期的修复过程将极为困难；同时，针对桥墩破坏后的修复问题，文献中提到可凿除破坏的外部包覆层，重新浇筑该处混凝土的处理方式存在很大的安全隐患。文献旨在加强墩柱与梁体、墩柱与承台连接区域塑性铰区桥墩的抗震性能，强震作用下可能会使墩柱结构塑性铰区转移。其施工周期长，施工方法较为繁琐。2.名称为一种装配式抗震桥墩，申请号为201910595530.8的专利文献，在节段处设置了水平阻尼器，只考虑了横向减震，未考虑竖向减震情况，强震作用下，墩柱节段间会产生较大的转角，两节段间的相互作用往往会使节段缝处混凝土发生压溃；同时，其阻尼器设置在墩柱内，后期对阻尼器的维修更换将难以实现。若强震发生时，结构残余变形过大将导致震后修复困难；同时，墩柱预制节段构造复杂，一旦结构发生破坏，则很难进行修复。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的不足，本申请提供一种单节段预制抗震桥墩及其施工方法。该预制桥墩以减弱震后墩柱损伤，减小震后桥墩残余变形为切入点，并结合摇摆墩抗震性能特点，能大幅提高预制桥墩的抗震性能。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种单节段预制抗震桥墩，包括现浇承台结构、预制墩柱、无黏结预应力钢筋和延性钢套筒组；所述延性钢套筒组包在现浇承台结构与预制墩柱相接处表面；所述无黏结预应力钢筋在现浇承台结构底部锚固，在预制墩柱顶部张拉，以提供给所述单节段预制抗震桥墩自复位能力。

进一步的，所述延性钢套筒组包括连接墩外包钢套筒、预制墩外包钢套筒与弹性螺栓；所述延性钢套筒组内表面设有剪力键(可以为四列)，相邻剪力键之间留有一定的距离使得钢筋通过；在连接墩外包钢套筒顶部、预制墩外包钢套筒底部均设有多个螺栓孔(可以为八个)；所述弹性螺栓穿过相应的螺栓孔固定连接墩外包钢套筒与预制墩外包钢套筒。

进一步的，所述现浇承台结构包括承台、钢管混凝土；所述承台在预制墩柱设计拼装位置浇筑连接墩，承台内部预埋预应力管道(可以为四根)；所述钢管混凝土位于桥墩中心处，由空心钢管内浇高强混凝土构成，钢管混凝土下部的三分之一长度埋入承台中，预应力管道分布在钢管混凝土外周；连接墩外包钢套筒位于连接墩外侧，将连接墩完全包裹。

进一步的，所述预制墩柱包括墩柱预制构件；所述墩柱预制构件底部设有钢管混凝土放置空间，其长度为三分之二倍钢管混凝土长度，直径稍大于钢管混凝土直径；所述钢管混凝土的放置空间与外界通过注浆孔与出浆孔连通，所述出浆孔位于注浆孔上方；所述墩柱预制构件中预留预应力管道(可以为四根)；预制墩外包钢套筒位于预制墩柱下部，其底部与预制墩柱底部平齐；所述预制墩外包钢套筒长度、内径与连接墩外包钢套筒相同。

上述单节段预制抗震桥墩的抗震工作原理为：当地震作用产生的惯性力作用于桥墩时，桥墩损伤可控制在预制墩柱和现浇承台的相接面上；在地震惯性力作用下，延性钢套筒组可起到约束混凝土的作用，也为受压侧混凝土分担一定的压力，同时弹性螺栓能耗散地震能量；在地震惯性力作用下，无黏结预应力钢筋为预制墩柱提供自复位能力；钢管混凝土抵抗地震惯性力产生的剪力和弯矩，增加墩柱的侧向刚度，同时，也起到限制预制墩柱与现浇承台结构发生相对位移的作用。

本申请还提供一种单节段预制抗震桥墩的施工方法，其包括以下几个步骤：

(1)施工现浇承台结构：安装承台模板，放置普通钢筋，并在桥墩中心处浇筑钢管混凝土，将连接墩外包钢套筒包裹于连接墩外壁上；无黏结预应力钢筋一端与固定端锚具锚固，将固定端锚具放置于承台模板预留槽口内，无黏结预应力钢筋另一端穿出相应的预应力管道，之后浇筑混凝土，待混凝土强度达到设计要求时进行拆模；

(2)安装预制墩柱：吊装预制墩柱使其位于承台上方，将无黏结预应力钢筋穿过预制墩柱内部预应力管道；下放预制墩柱，使预制墩柱和现浇承台结构的预应力管道及延性钢套筒组上螺栓孔对齐，之后，从注浆孔注入水泥砂浆，待出浆孔溢出水泥砂浆后停止注浆，预制墩柱安装完成。

(3)安装无黏结预应力钢筋与延性钢套筒组：张拉预制墩柱顶部无黏结预应力钢筋，完成后浇筑混凝土进行封锚；使用弹性螺栓固定连接墩外包钢套筒与预制墩外包钢套筒，完成延性钢套筒组的安装。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

(1)设计灵活：本发明是以减弱震后墩柱损伤，减小震后桥墩残余变形为目的，并结合摇摆墩抗震性能的优点所设计得出。相较于传统现浇混凝土桥墩，本发明可实现墩柱自复位，且桥墩损伤可控制在预制墩与承台结构的相接面上，同时利用钢套筒的约束与抗压特性，可大大减小了震后墩柱损伤程度；相较于摇摆墩，钢管混凝土的设置可极大增加墩柱的抗剪与抗弯能力，同时，利用弹性螺栓连接的钢套筒具有很大的延性，当预制墩柱发生摇摆时，钢管混凝土与钢套筒共同作用，对桥墩进行约束并耗散震动能量。

(2)经济实用：本发明相较于现有技术可极大减小震后墩柱的损伤，可避免墩柱在震后产生严重破坏或过大的残余变形使桥梁失去交通功能，这将大大减少震后对桥墩的修复费用；另外，本发明结合预制墩柱施工技术进行施工，对施工场地周边环境干扰小，社会影响面小。

(3)施工工期短：预制墩柱可在厂房内先行预制，当承台结构浇筑好后，便可进行预制墩柱安装，相较于现浇混凝土桥墩，本发明省去了墩柱混凝土现场钢筋绑扎、浇筑与养护的过程，缩短了施工周期，同时，本发明施工方法简便，无需复杂操作，这将进一步减少施工时间。

(4)适用性强：本发明所述结构形式、抗震方法与施工方法不仅适用于圆柱墩，也适用于其它截面类型墩柱。

附图说明

图1为本发明单节段预制抗震桥墩的构造立面图。

图2为图1中a-a剖面图。

图3为本发明中现浇承台结构的构造立面图。

图4为本发明中预制墩柱的构造立面图。

图5为本发明中延性钢套筒组的三维视图。

图6为本发明中弹性螺栓的构造立面图。

图7为本发明单节段预制抗震桥墩的抗震工作原理示意图。

图8为图7中b处的放大图。

图9为本发明单节段预制抗震桥墩的施工步骤示意图。

图中序号说明：1现浇承台结构；2预制墩柱；3无黏结预应力钢筋；4延性钢套筒组；5承台；6钢管混凝土；7预应力管道；8墩柱预制构件；9钢管混凝土的放置空间；10注浆孔；11出浆孔；12剪力键；13螺栓孔；14螺帽；15螺杆；16螺母；17弹性材料；18钢筋(主筋与箍筋)；41连接墩外包钢套筒；42预制墩外包钢套筒；43弹性螺栓。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1：如图1、图2所示，本实施例具体涉及一种单节段预制抗震桥墩，其包括现浇承台结构1、预制墩柱2、无黏结预应力钢筋3及延性钢套筒组4；延性钢套筒组4外包在现浇承台结构1和预制墩柱2相接处表面；无黏结预应力钢筋3在现浇承台结构1底部锚固，在预制墩柱2顶部张拉，以提供给所述单节段预制抗震桥墩自复位能力。

如图3所示，现浇承台结构1包括承台5、钢管混凝土6；承台5在预制墩柱2设计拼装位置浇筑连接墩，其横截面积与预制墩柱2相同，高度为h，h取值根据桥墩长度确定，且不小于0.3m；钢管混凝土6位于桥墩中心处，由空心钢管内浇高强混凝土构成，其长度根据桥墩长度确定，且不小于三倍桥墩直径，以连接墩顶面为界，钢管混凝土6三分之一长度埋入承台；连接墩外包钢套筒41位于连接墩外侧，将连接墩完全包裹，其内径为桥墩直径，高度为连接墩高度h；承台5内预埋四根预应力管道7。

如图2、图4所示，预制墩柱2包括墩柱预制构件8；墩柱预制构件8底部设有钢管混凝土6的放置空间9，其长度为三分之二倍钢管混凝土6的长度，直径稍大于钢管混凝土6的直径；钢管混凝土6的放置空间9与外界通过注浆孔10与出浆孔11连通；墩柱预制构件8预留四根预应力管道7；预制墩外包钢套筒42位于预制墩柱2下部，底部与预制墩柱2底部平齐，预制墩外包钢套筒42长度、内径与连接墩外包钢套筒41相同。

如图2、图5和图6所示，延性钢套筒组4包括连接墩外包钢套筒41、预制墩外包钢套筒42与弹性螺栓43；延性钢套筒组4内表面设有四列剪力键12，每个剪力键12之间留有足够的距离使得钢筋18可以通过；延性钢套筒组4在现浇承台结构1与预制墩柱2的相接面上设有八个螺栓孔13；弹性螺栓43用以固定两个外包钢套筒41、42，所述弹性螺栓包括螺帽14、螺杆15、螺母16及弹性材料17，所述螺杆15顶端设有螺帽14，下部连接有螺母16，弹性材料17套在螺杆15上部。

实施例2：如图7、图8所示，本实施例具体涉及一种单节段预制抗震桥墩的抗震工作原理，由以下几部分构成：

(1)当地震作用产生的惯性力作用于桥墩时，桥墩损伤可控制在预制墩柱和现浇承台的相接面上。

(2)在地震惯性力作用下，预制墩柱2发生摇摆，相接面上一侧混凝土受压，此时，延性钢套筒组4可起到约束混凝土的作用，防止其发生压溃，同时，两个外包钢套筒41、42在该处也发生挤压，可为该侧混凝土分担一定的压力；另一侧混凝土相互远离，延性钢套筒组4上弹性螺栓43受压变形，其在约束该侧混凝土相对运动的同时，也起到耗散地震能量的作用。

(3)在地震惯性力作用下，预制墩柱2发生摇摆，无黏结预应力钢筋3偏离起始位置，其内部预拉应力会迫使预制墩柱回到起始位置，从而达到预制墩柱2自复位的效果。

(4)钢管混凝土6的设置主要是为了抵抗地震惯性力产生的剪力和弯矩，增加墩柱的侧向刚度，同时，也起到限制预制墩柱2与现浇承台结构1发生相对位移的作用。

实施例3：如图9所示，本实施例具体涉及一种单节段预制抗震桥墩的施工方法，由以下几步骤构成：

(1)施工现浇承台结构1。安装承台模板，放置普通钢筋，并浇筑钢管混凝土6，将钢管混凝土6与连接墩外包钢套筒41放置于设计位置并固定；无黏结预应力钢筋3一端与固定端锚具锚固，将固定端锚具放置于承台模板预留槽口内，无黏结预应力钢筋3另一端穿出预应力管道7，预应力管道7按设计位置固定，之后浇筑混凝土，待混凝土强度达到设计要求时进行拆模。

(2)预制墩柱2安装。按设计图纸预制好墩柱结构，即预制墩柱2，并将其运输至施工现场，吊装墩柱使其位于承台5上方，将无黏结预应力钢筋3穿过预制墩柱2内部预应力管道7；下放预制墩柱2，使预制墩柱2和现浇承台结构1的预应力管道7及延性钢套筒4上螺栓孔13对齐，之后，从注浆孔10注入水泥砂浆，待出浆孔11溢出水泥砂浆后停止注浆，预制墩柱2安装完成。

(3)无黏结预应力钢筋3与延性钢套筒组4安装。按设计要求张拉墩柱顶部无黏结预应力钢筋3，完成后浇筑混凝土进行封锚；使用弹性螺栓43固定两个外包钢套筒41、42，完成延性钢套筒组4的安装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。