一种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩

1.本发明属于双钢管混凝土桥墩领域，尤其涉及一种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩。


背景技术：

2.中空钢管混凝土桥墩是指内部空心的钢管混凝土桥墩，是一种结构轻型化、经济化桥墩形式，具有截面面积小、截面抵抗矩大、自重轻、结构刚度和承载力好的特点，在公路和铁路领域应用广泛，且应用于高桥墩的情况较多。与传统实体桥墩相比，空心桥墩一般可减少40％～60％的混凝土用量。
3.在我国山区的公路与铁路建设中，由于地形的变化较大，高桥墩占据很大比例，墩高普遍达到50m以上，有的甚至超过100m。对于此类桥墩，出于经济、美观和实用、轻巧的考虑，空心桥墩是使用最广泛的桥墩形式，其具有较好的经济性，能够以较少的材料获取较大的截面抵抗矩，截面刚度大，整体性好。
4.现有的双钢管混凝土桥墩，主要存在以下问题：
5.1)内外层钢管在轴压作用下,即存在很大的轴向应力时，由于混凝土的膨胀使得钢管存在很大的环向应力,因此内外层钢管处在双向高应力状态,容易发生轴向局部屈曲；
6.2)结合耐火性能考虑，钢管混凝土墩柱在火灾情况下,由于高温膨胀,导致外钢管的轴向应力急速增加,更容易导致外层钢管发生轴向局部屈曲。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩。
8.这种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩，包括：外层起波管状结构、内层起波管状结构和钢筋网；外层起波管状结构包括外层钢管和外层起波钢管，数段外层钢管和外层起波钢管在桥墩高度方向上依次连接；内层起波管状结构包括内层钢管和内层起波钢管，数段内层钢管和内层起波钢管在桥墩高度方向上依次连接；外层起波钢管的凸起端朝向桥墩外侧，内层起波钢管的凸起端朝向桥墩内侧；
9.外层起波管状结构和内层起波管状结构之间设有夹层混凝土，其中钢筋网埋设于夹层混凝土内；钢筋网通过外层连接螺栓固定连接外层起波管状结构，钢筋网通过内层连接螺栓固定连接内层起波管状结构。
10.作为优选：桥墩高度方向上外层起波钢管的长度l1为外层钢管厚度的5～10倍，高度方向上内层起波钢管的长度l2为内层钢管厚度的5～10倍。
11.作为优选：外层连接螺栓一端焊接连接钢筋网，另一端依次贯穿外层钢管和对应的外层起波钢管的端部并通过螺母固定；内层连接螺栓一端焊接连接钢筋网，另一端依次贯穿内层钢管和对应的内层起波钢管的端部并通过螺母固定。
12.作为优选：外层起波钢管和内层起波钢管在桥墩高度方向上错开，外层连接螺栓
和内层连接螺栓之间也错开。
13.作为优选：外层起波钢管和下方的内层起波钢管中心点的高度差为h1，h1＞4倍夹层混凝土厚度；内层起波钢管和下方的外层起波钢管中心点的高度差为h2，h2＞4倍夹层混凝土厚度。
14.作为优选：h1＞h2。
15.这种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩的施工方法，包括以下步骤：
16.步骤一、根据桥墩高度和夹层混凝土厚度决定外层起波钢管和内层起波钢管的数量和位置；
17.步骤二、在钢板上分别压出外层起波钢管和内层起波钢管的起波形状，裁切钢板并卷成钢管后，焊接形成外层起波钢管和内层起波钢管；
18.步骤三、连接外层钢管和外层起波钢管形成外层起波管状结构，连接内层钢管和内层起波钢管形成内层起波管状结构，通过外层连接螺栓和内层连接螺栓将外层起波管状结构和内层起波管状结构分别与钢筋网连接；
19.步骤四、在外层起波管状结构和内层起波管状之间浇筑夹层混凝土，直至夹层混凝土完全填充外层起波管状结构和内层起波管状之间的夹层，且钢筋网没入夹层混凝土中，从而形成损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩。
20.作为优选，步骤三中：将外层连接螺栓和内层连接螺栓的一端进行打弯处理，然后再将外层连接螺栓和内层连接螺栓打弯的一端与钢筋网焊接。
21.本发明的有益效果是：
22.1)本发明专利中的外层钢管、内层钢管、外层起波钢管和内层起波钢管均能够规模化生产，制作完成后切割成规定长度，便于运输至现场安装并浇筑混凝土，有利于控制质量、生产效率高且环保。
23.2)本发明在夹层混凝土中设置钢筋网，用于分担荷载，使得桥墩具有多重受力效果，实现双重保障；钢筋网还起到固定内外两侧起波管状结构的作用，进一步增强了环向约束作用，减小内起波管状结构在轴压或偏心力作用下的轴向应力，减小甚至消除内外起波管状结构产生的轴向局部屈曲程度，从而提高桥墩的强度和使用寿命。
24.3)本发明专利中的内外层钢管分别与内外层起波钢管通过螺栓连接，能够有效抵抗混凝土凝结过程中的膨胀，具有较好的耐火耐高温性能。
25.4)对内外层起波钢管间的间距进行了限制，使外层起波钢管与内层起波钢管的间距大于4倍夹层混凝土厚度，避免桥墩局部形成短柱，致使该部分刚度偏大，发生剪切破坏。
26.5)内外层起波钢管使桥墩的部分高度位置的截面面积扩大，因此提升了抗弯刚度。
附图说明
27.图1为本发明损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩的俯视示意图；
28.图2为损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩的剖面示意图；
29.图3为本发明应用于桥梁工程中的整体构造示意图；
30.图4为外层起波钢管、外层钢管和钢筋网的连接细节构造图。
31.附图标记说明：外层钢管1、外层起波钢管2、外层连接螺栓3、钢筋网4、夹层混凝土
5、内层连接螺栓6、内层钢管7、内层起波钢管8。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
33.作为一种实施例，如图1至图4所示，这种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩，包括：外层起波管状结构、内层起波管状结构和钢筋网4；外层起波管状结构包括外层钢管1和外层起波钢管2，数段外层钢管1和外层起波钢管2在桥墩高度方向上依次连接；内层起波管状结构包括内层钢管7和内层起波钢管8，数段内层钢管7和内层起波钢管8在桥墩高度方向上依次连接；外层起波钢管2的凸起端朝向桥墩外侧，内层起波钢管8的凸起端朝向桥墩内侧；桥墩高度方向上外层起波钢管2的长度l1为外层钢管1厚度的5～10倍，高度方向上内层起波钢管8的长度l2为内层钢管7厚度的5～10倍。
34.如图3所示，外层起波钢管2和内层起波钢管8在桥墩高度方向上错开，外层起波钢管2和下方的内层起波钢管8中心点的高度差为h1，内层起波钢管8和下方的外层起波钢管2中心点的高度差为h2，h1和h2均大于4倍夹层混凝土5厚度，且h1大于h2，避免桥墩局部形成短柱，致使该部分刚度偏大，发生剪切破坏。
35.如图2至图4所示，外层起波管状结构和内层起波管状结构之间设有夹层混凝土5，其中钢筋网4埋设于夹层混凝土5内；内层起波管状结构内部无混凝土浇筑，为空心结构；所述夹层混凝土5的不同高度处的截面形状由外层起波管状结构和内层起波管状结构在该高度位置所形成的封闭几何形状决定，相比传统混凝土空心桥墩，外层起波钢管2和内层起波钢管8加大了部分高度位置的混凝土截面面积，提升了桥墩的抗弯能力。
36.钢筋网4通过外层连接螺栓3固定连接外层起波管状结构，钢筋网4通过内层连接螺栓6固定连接内层起波管状结构，具体的连接方式为，外层连接螺栓3一端焊接连接钢筋网4，另一端依次贯穿外层钢管1和对应的外层起波钢管2的端部并通过螺母固定；内层连接螺栓6一端焊接连接钢筋网4，另一端依次贯穿内层钢管7和对应的内层起波钢管8的端部并通过螺母固定，进一步提升了对夹层混凝土5的环向约束。钢筋网4可以有效分担承载力，使得复合钢管混凝土空心桥墩具有多重受力效果，实现双重保障。
37.外层连接螺栓3和内层连接螺栓6之间也错开，外层连接螺栓3和内层钢管7无任何直接连接，内层连接螺栓6与外层钢管1无任何直接连接。
38.这种损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩的施工方法，包括以下步骤：
39.步骤一、根据桥墩高度和夹层混凝土5厚度决定外层起波钢管2和内层起波钢管8的数量和位置；
40.步骤二、在钢板上分别压出外层起波钢管2和内层起波钢管8的起波形状，裁切钢板并卷成钢管后，焊接形成外层起波钢管2和内层起波钢管8；其中所用钢板符合根据美国钢结构规范aisi,可防腐50～100年，耐久性好；
41.步骤三、连接外层钢管1和外层起波钢管2形成外层起波管状结构，连接内层钢管7和内层起波钢管8形成内层起波管状结构，将外层连接螺栓3和内层连接螺栓6的一端进行打弯处理，然后再将外层连接螺栓3和内层连接螺栓6打弯的一端与钢筋网4焊接，通过外层
连接螺栓3和内层连接螺栓6将外层起波管状结构和内层起波管状结构分别与钢筋网4连接；
42.步骤四、在外层起波管状结构和内层起波管状之间浇筑夹层混凝土5，直至夹层混凝土5完全填充外层起波管状结构和内层起波管状之间的夹层，且钢筋网4没入夹层混凝土5中，从而形成损伤可控双向起波复合钢管混凝土空心桥墩。