一种可更换部件的预制拼装桥墩及其施工方法与流程

一种可更换部件的预制拼装桥墩及其施工方法
1.技术领域
2.本发明属于桥梁工程预制拼装桥墩的设计与施工技术领域，特别涉及一种可更换部件的预制拼装桥墩及其施工方法。
3.

背景技术：

4.桥梁预制装配化施工可加快桥梁建造速度，提高施工质量，避免现场搭设支架、模板，降低施工对环境和既有交通的影响，具有广泛的应用前景。
5.目前，桥梁上部结构的预制装配化施工技术已趋向成熟，然而，桥墩作为桥梁结构的主要承重和抗侧力构件之一，如何确保预制拼装桥墩具有整体现浇桥墩的性能，是实现桥梁上、下部结构全预制装配化施工必须解决的问题；传统的预制墩柱拼装工艺有：灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管连接、承插式连接、插槽式连接、后张预应力筋连接、法兰连接等，但常规连接构造存在施工困难、灌浆质量难以检测以及在地震作用下耗能能力差、震损后不易修复等问题，限制了全预制装配化桥梁施工技术的发展及应用，尤其是在高烈度地震区的推广应用。
6.近年来，结构抗震设计理念已从抗震、减隔震发展到震后可恢复性设计；可恢复功能抗震设计要求结构在震后不需修复或稍加修复即可恢复正常使用，减小了结构震后功能中断带来的影响；可恢复功能抗震结构从结构形式上有多种实现方法，在装配式桥墩中的应用主要有摇摆及自复位桥墩、附加可更换耗能装置的桥墩等；摇摆及自复位桥墩利用地震中桥墩的摇摆，通过结构自重或预应力来提供自复位荷载，有效控制和减小桥墩震后残余位移，但同时也降低桥墩的耗能能力；从桥梁工程可更换部件结构体系的研究现状看，国内外研究主要集中在双柱墩-brb和双柱墩-剪切耗能型钢连梁结构体系上，但其仅对横桥向抗震有效，一般不能解决纵桥向的抗震问题。
7.

技术实现要素：

8.本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种可更换部件的预制拼装桥墩，其构造设计简单，结构受力明确，可以保证墩柱具有足够的强度、刚度和耗能能力，且具有遭遇强震作用损坏后可更换、可快速恢复功能的特性。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明提出一种可更换部件的预制拼装桥墩，其特征在于：包括具有预留杯口基础的承台和插入预留杯口基础的预制钢管混凝土墩身，所述承台杯口基础的底部设置有预埋钢板，以满足预制钢管混凝土墩底局部承压的需要，所述预制钢管混凝土墩身在位于承台上方的底部节段焊接若干个高强连接耳板，所述高强连接耳板与可更换的锚固-连接组件通过高强螺栓连接，所述可更换的锚固-连接组件与承台内预埋的锚固底钢板通过高强
螺栓连接；所述可更换的锚固-连接组件包括圆环形高强钢板和软钢连接耳板，软钢连接耳板竖直焊接在圆环形高强钢板表面上；所述圆环形高强钢板由若干块等分的环形钢板拼接而成，每块环形钢板上竖直焊接有至少一块软钢连接耳板，圆环形高强钢板上布设有成环形阵列布置的螺栓孔，便于与承台内预埋的锚固底钢板通过栓接连接；所述软钢连接耳板通过螺栓与高强连接耳板一一对应相连接；所述承台内预埋的锚固底钢板采用高强钢板加工而成，其上开有成环形阵列布置的螺栓孔；与螺栓孔对应的位置处设置有高强螺母套管，高强螺母套管与锚固底钢板底面采用焊接连接，两者共同预埋在承台内，锚固底钢板与圆环形钢板上所布设的螺栓孔排列相同，两者一一对应，便于锚固底钢板与圆环形钢板的螺栓穿入高强螺母套管锁紧固定。
10.进一步的，上述预制钢管混凝土墩身通长预制或分段预制，分段预制的不同节段之间采用法兰连接或者焊接连接。
11.进一步的，上述相邻的等分环形钢板之间设有移出槽，以方便安装或更换；所述软钢连接耳板采用低屈服点钢板制成，所述软钢连接耳板和高强连接耳板呈梯形，两者密贴设置，通过其上的螺栓孔和高强螺栓实现可靠连接。
12.进一步的，上述高强连接耳板底部与圆环形高强钢板上表面之间应预留有足够的间隙；所述预制钢管混凝土墩的底部设置有封仓钢板，所述封仓钢板和预埋钢板之间填充有沥青麻刀垫层，在高强连接耳板所在位置的预制钢管内壁焊接若干个环形加劲钢板。
13.进一步的，上述承台内预埋的锚固底钢板的外围混凝土在浇筑时应设置45
°
的倒角，以利于锚固-连接组件在后期更换过程中的起吊和移出；在完成锚固-连接组件的安装后，可沿倒角浇筑不透水填缝料。
14.进一步的，上述承台上部预留的可供预制钢管混凝土墩身插入安装的杯口基础形状与预制钢管混凝土墩身同形，杯口基础与预制钢管混凝土墩身之间预留有一定的间隙，预制钢管混凝土墩身与杯口基础之间的间隙全部采用沥青麻刀材料填满。
15.进一步的，上述圆环形高强钢板由四块四等分的环形钢板拼接而成，每块环形钢板上均竖直焊接两块软钢连接耳板。
16.本发明可更换部件的预制拼装桥墩的施工方法，其施工过程分成新建桥梁和既有桥梁震后受损需要更换两种情形，其具体实施方案的主要特征和步骤在于：对于新建的桥梁，其主要实施方案和过程如下：（1）预制钢管混凝土墩底部承台施工，绑扎承台钢筋，精确放样并安装承台内预埋的锚固底钢板和预埋钢板及其相关预埋件，安装承台模板，浇筑承台混凝土并养护到设计要求的强度，在承台施工过程中，平行作业进行预制钢管混凝土墩身的预制、锚固-连接组件的加工；（2）施工承台杯口基础底部和内侧壁的沥青麻刀垫层；（3）吊装预制钢管混凝土墩身就位后，用沥青麻刀填满四周缝隙，并在墩身周围搭设临时支撑架，以保证安装过程中桥墩的稳定性；（4）安装可更换的锚固-连接组件，依次拧紧圆环形高强钢板与锚固底钢板之间的高强螺栓，以及软钢连接耳板与高强连接耳板之间的高强螺栓；
（5）安装桥梁上部结构，施工桥面系及其它附属设施。
17.对于震后受损需要更换的情形，其主要实施方案如下：（1）根据软钢连接耳板的损伤情况，判断是否需要更换，对于需要更换的作如下处理；（2）在钢管混凝土墩身周围搭设临时斜向支撑，保证更换过程中墩身的安全稳定；（3）针对需要更换的某个软钢连接耳板，拆除软钢连接耳板与高强连接耳板之间的高强螺栓；（4）拆除锚固-连接组件的圆环形高强钢板与锚固底钢板之间的高强螺栓；（5）利用软钢连接耳板上的预留螺栓孔安装插入式吊钩或在圆环形高强钢板上对称焊接吊耳，利用吊车吊离承台表面后移出；（6）吊放新的锚固-连接组件，依次拧紧圆环形高强钢板与锚固底钢板之间的高强螺栓，以及软钢连接耳板与高强连接耳板之间的高强螺栓，完成锚固-连接组件的更换。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在构造方面，预制钢管混凝土墩身插入承台杯口基础形成简易的墩底铰接节点构造，可更换锚固-连接组件与预制钢管混凝土墩身和承台之间通过高强螺栓连接，构造设计简单，且易于安装和更换，解决了常规预制拼装桥墩连接构造施工困难、灌浆质量难以检测的技术难题；在设计方面，钢管混凝土墩身按常规钢管混凝土桥墩设计，结构受力明确，可以保证墩柱具有足够的强度、刚度和耗能能力；特别地，在遭遇强震作用时，软钢连接耳板率先屈服耗能，作为“牺牲部件”和“耗能部件”保证钢管混凝土墩身不发生损伤或仅轻微损伤；震后根据软钢连接耳板的损伤情况，判断是否需要更换，对于需要更换的软钢连接耳板，仅需搭设临时斜向支撑，拆除锚固-连接组件与预制墩身和承台间的高强螺栓，吊出可更换部件，移出预留槽，再吊放新的可更换组件，按要求拧紧连接螺栓即可完成更换；更换过程安全、方便、高效，可实现桥梁震后使用功能的快速恢复，解决了常规预制拼装桥墩在地震作用下耗能能力差、震损后不易修复等问题。
19.附图说明
20.图1为本发明的桥墩整体结构图；图2为本发明的桥墩整体结构俯视图；图3为图1的a-a截面剖面图；图4为本发明的局部连接构造大样图；图5为本发明的锚固-连接组件俯视图；图6为本发明的承台内预埋的锚固底钢板俯视图；附图标记说明：1—钢管混凝土墩身；
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2—高强连接耳板；3—环形加劲钢板；
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4—圆环形高强钢板；5—锚固底钢板；
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6—软钢连接耳板；7—高强螺母套管；
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8—高强螺栓；9—高强螺栓；
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10—沥青麻刀；
11—承台（带有杯口基础）；
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12—杯口基础预埋钢板；13—封仓钢板；
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14—锚固底钢板外周混凝土倒角；15—不透水填缝料；
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16—螺帽；17—核心混凝土；
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18—钢管。
21.具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
22.结合图1和图2，本实施例提供了一种可更换部件的预制拼装桥墩，包括具有预留杯口基础的承台11和插入预留杯口基础的预制钢管混凝土墩身1，所述的杯口基础截面形状与钢管混凝土墩身1截面形状相当，杯口基础的底部设置有预埋钢板12，以满足墩底局部承压的需要，钢管混凝土墩身1与杯口基础之间的缝隙用沥青麻刀10（沥青麻刀是建筑水泥匠用来和泥、和石灰掺在里面的防裂、加强用的；制作时采用旧麻绳用麻刀机或竹条抽打成絮状的麻丝团）填满，使墩底形成简易的铰接节点构造；预制钢管混凝土墩身1在位于承台上方的底部节段焊接若干个高强连接耳板2（高强连接耳板2为直角梯形的薄板，直角边与墩身的外周壁焊接），高强连接耳板2与可更换的锚固-连接组件通过高强螺栓9连接，并通过承台内预埋的锚固底钢板5上的螺母套管7及高强螺栓8实现与承台之间的可靠锚固连接。
23.所述预制钢管混凝土墩身1的底部设置有封仓钢板13，墩侧高强连接耳板2与锚固-连接组件上的软钢连接耳板6通过高强螺栓9实现可靠连接；同时，为了防止钢管在受力时发生局部失稳现象，在高强连接耳板2所在位置的预制钢管内壁焊接2-5层环形加劲钢板3。
24.所述的钢管混凝土墩身1可通长预制，也可以分段预制，不同节段之间采用法兰连接或者焊接，钢管混凝土墩身1包括钢管18和灌注在钢管内的核心混凝土17，如图3所示。
25.结合图4和图5，本实施例中，所述可更换的锚固-连接组件包括圆环形高强钢板4和软钢连接耳板6，圆环形高强钢板4由四块四等分的环形钢板拼接而成，各相邻环形钢板之间设有移出槽，地震后根据组件损伤情况可方便地更换和安装；每个环形钢板上表面垂直焊接两块软钢连接耳板6，软钢连接耳板6为直角梯形的薄板，其直角边与环形钢板焊接，要求焊缝的强度不低于母材本身的强度，以保证该组件不在焊缝位置处失效；此外，为了与承台内预埋的锚固底钢板5连接，圆环形高强钢板4上开有成环形阵列布置的螺栓孔。
26.结合图4，本实施例中，所述的软钢连接耳板6采用低屈服点钢材加工而成，在地震荷载的作用下率先屈服耗能，作为“牺牲部件”和“耗能部件”保证钢管混凝土墩身1不发生损伤或仅轻微损伤，软钢连接耳板6表面开有螺栓孔，便于与预制钢管混凝土墩身上焊接的高强连接耳板2之间进行可拆卸的螺栓连接，实现震后快速更换。
27.结合图4，本实施例中，所述的预制钢管混凝土墩身1底部节段焊接若干个高强连接耳板2，高强连接耳板2底部与圆环形高强钢板4上表面之间应预留有足够的间隙，且承台内预埋的锚固底钢板5外周混凝土浇筑时应设置45
°
的倒角14，以利于锚固-连接组件在后期更换过程中的起吊和移出，在完成锚固-连接组件的安装后，可沿倒角浇筑不透水填缝料15。
28.结合图1和图2，本实施例中，所述的承台11上部预留的可供预制钢管混凝土墩身1插入安装的杯口基础形状与预制墩柱同形，杯口基础内表面和预制墩柱之间预留有一定的
间隙，所述杯口基础的底部设置有预埋钢板12（预埋钢板12与钢管混凝土墩身1的轴心线垂直），以满足墩身底部局部受压的需求，同时为了实现墩底铰接节点构造，在封仓钢板13和杯口基础预埋钢板12之间填充有沥青麻刀垫层，墩侧（墩身的外周壁）与杯口基础之间的间隙亦全部采用沥青麻刀材料填满。
29.结合图6，本实施例中，所述承台内预埋的锚固底钢板5形状为正方形，且布设有成环形阵列布置的螺栓孔，该螺栓孔的环形排列方式与圆环形钢板4上所开的螺栓孔排列方式相同，两者一一对应，并按要求严格放样；并且锚固底钢板5所开螺栓孔的底部与螺栓孔对应的位置处设置有高强螺母套管7，螺母套管7与锚固底钢板5底面垂直且采用焊接连接，螺母套管7与锚固底钢板5均预埋在承台内，锚固底钢板5和圆环形高强钢板4相贴合，且均与钢管混凝土墩身1的轴心线垂直。
30.上述可更换部件的预制拼装桥墩，其施工过程分成新建桥梁和既有桥梁震后受损需要更换两种情形，其具体实施方案的主要特征和步骤在于：对于新建的桥梁，其主要实施方案和过程如下：（1）预制钢管混凝土墩底部承台11施工，绑扎承台钢筋，精确放样并安装承台内预埋的锚固底钢板5（包括位于锚固底钢板5底面已固定焊接的高强螺母套管7）和杯口基础预埋钢板12及其相关预埋件，安装承台模板，浇筑承台混凝土并养护到设计要求的强度，在基础施工过程中，平行作业进行钢管混凝土墩身1的预制、锚固-连接组件的加工等。
31.（2）施工承台11杯口基础底部和内侧壁之间的沥青麻刀10垫层。
32.（3）吊装预制钢管混凝土墩身1，就位后，用沥青麻刀10填满四周缝隙，并在墩身周围搭设临时支撑架，以保证安装过程中桥墩的稳定性。
33.（4）安装可更换的锚固-连接组件，依次拧紧圆环形高强钢板4与锚固底钢板5之间的高强螺栓8，以及软钢连接耳板6与高强连接耳板2之间的高强螺栓9。
34.（5）安装桥梁上部结构，施工桥面系及其它附属设施。
35.对于震后受损需要更换的情形，其主要实施方案如下：（1）根据软钢连接耳板6的损伤情况，判断是否需要更换，对于需要更换的作如下处理。
36.（2）在钢管混凝土墩身1周围搭设临时斜向支撑，保证更换过程中墩身的安全稳定。
37.（3）针对需要更换的部分，拆除软钢连接耳板6与高强连接耳板2之间的高强螺栓9。
38.（4）拆除锚固-连接组件的圆环形高强钢板4与锚固底钢板5之间的高强螺栓8。
39.（5）利用软钢连接耳板6上的预留螺栓孔安装插入式吊钩或在圆环形高强钢板4上对称焊接吊耳，利用吊车吊离承台表面后，移出预留槽。
40.（6）吊放新的锚固-连接组件，依次拧紧圆环形高强钢板4与锚固底钢板5之间的高强螺栓8，以及软钢连接耳板6与高强连接耳板2之间的高强螺栓9，完成锚固-连接组件的更换。
41.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。