一种地震损伤桥墩快速加固结构及施工方法与流程

本发明属于桥梁工程，具体涉及一种地震损伤桥墩快速加固结构及施工方法。

背景技术：

1、桥梁在交通运输中是不可或缺的生命线工程。尤其是遭受地震后的桥梁需要得到及时的加固修复以实现交通运输功能的快速恢复。桥墩作为桥梁的关键部件之一，在地震中最易发生损伤。如何快速修复震损桥墩是桥梁加固工程研究的热点之一。

2、桥墩作为桥梁在地震作用下的抗侧向力构件，在桥梁遭遇地震时起到抵御地震达到耗能的作用。特别是桥墩墩底塑性铰区域在地震中损伤现象频发，针对桥墩墩底发生塑性铰破坏的快速加固，具有重要意义。

3、传统的桥墩加固大多是针对桥墩配筋不足和桥墩产生裂缝的加固，而对遭遇地震后损坏的桥墩加固方案相对较少且不够具体,施工方法也比较笼统。传统桥墩加固补强主要施工工艺是：搭设工作平台→墩身凿除→安装钢筋→安装模板→混凝土浇注→拆模养护。

4、上述传统桥墩加固方式施工工期长，施工质量难以控制，且对桥墩墩身凿除破损处松散混凝土的方式反而会加剧桥墩自身的短期破坏。

5、正如，专利cn201920279797.1披露了一种加固震后桥墩的非强化受损区融合弧形翼柱结构，包括：塑性铰、弧形钢管混凝土翼柱、钢抱箍、钢垫板、钢构件、高阻尼弹簧、耗能材料；塑性铰为桥墩震后破坏的天然塑性铰；钢抱箍栓接在受损桥墩的塑性铰区域上侧；钢垫板焊接于钢抱箍外侧，弧形钢管混凝土翼柱通过焊接至钢垫板上；钢构件将弧形翼柱与钢抱箍连接；高阻尼弹簧与耗能材料设置在弧形翼柱与基础之间。该结构应用于解决地震损伤桥墩快速加固问题时，存在以下技术问题：(1)该技术施工复杂，后期损坏时不利于更换高阻尼弹簧与耗能材料；(2)该技术对本就受到震损的桥墩底部与基础连接之间所做弱化处理程度难以掌控；(3)弧形钢管翼柱中需灌注混凝土，难以满足震损桥墩的快速加固要求。

6、专利cn201220074140.x提出了一种用钢板抗震加固桥墩的结构，其结构特征是在涂有粘钢胶的桥墩四周裹有钢板，在钢板与桥墩的钻孔中置入带螺帽的螺杆；焊有加劲肋的角钢在桥墩上用粘钢胶与钢板粘在一起，再用带有螺帽的螺杆连接，角钢与承台用粘钢胶粘在一起，在角钢的两肢通过桥墩和承台的钻孔中置入带有螺帽承台螺杆，角钢外沿置有带有90度弯钩的带肋钢筋，在带肋钢筋上绑上箍筋，带肋钢筋与箍筋间浇筑混凝土。该结构用于解决地震损伤桥墩快速加固问题时，存在以下技术问题：(1)该技术依靠承台解决震损桥墩的加固，无法加固没有承台的桥墩；(2)该技术施工复杂，施工工期长，难以满足地震损伤后的快速修复。

7、专利cn201810717478.4披露了一种提高既有装配式桥墩耗能能力的方法，其特征在于：采用n个耗能单元组成一套完整的耗能装置安装在既有的装配式桥墩上，其中n≥2；单个耗能单元由一瓣钢套筒组件、一瓣环形钢板组件、一个粘滞流体阻尼器和配套连接件组成，各个组件之间通过高强螺栓连接；每组耗能单元之间采用螺栓连接，形成完整的耗能加固体系，并且利用粘钢胶将环形钢板、钢套筒与桥墩结构固定。该结构用于解决地震损伤桥墩快速加固问题时，存在以下技术问题：(1)该技术依靠承台解决震损桥墩加固，有一定的局限性；(2)该技术发明的钢套筒一旦松动，震损后的桥墩将发生滑移现象难以继续负载，不宜用于多震地域桥墩加固。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、施工快捷的一种上部结构及其施工方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种地震损伤桥墩快速加固结构，包括桩，所述桩顶部至钢管混凝土柱底部套设有钢抱箍z；钢管混凝土柱沿周向布置在钢抱箍z顶部；所述钢管混凝土柱中心布设有预制时的预埋的波纹管，钢管混凝土柱之上布置有套设于柱上的钢抱箍j；所述波纹管、钢抱箍z的预留孔z及钢抱箍j的预留孔j中穿设有两端由螺母锚固的加固钢筋。

4、所述钢抱箍j包括2块抱箍钢板j、4块连接钢板j及2片圆环钢板j，圆环钢板j上焊接有用于与桩配合的抱箍钢板j以及用于固定两圆环钢板j的连接钢板j，两个圆环钢板j对接后通过连接钢板j及高强螺栓j将两个圆环钢板j固定，所述抱箍钢板j及圆环钢板j表面垂直焊接有加劲钢板j，圆环钢板j上预留有预留孔j。

5、所述钢抱箍z包括2块抱箍钢板z、4块连接钢板z及2片圆环钢板z，圆环钢板z上焊接有用于与柱配合的抱箍钢板z以及用于固定两圆环钢板z的连接钢板z，两个圆环钢板z对接后通过连接钢板z及高强螺栓z将两个圆环钢板z固定，所述抱箍钢板z及圆环钢板z表面垂直焊接有加劲钢板z；圆环钢板z上预留有预留孔z，与预留孔j上下一一对应。

6、所述加固钢筋为hrb500级热轧带肋钢筋。

7、所述钢管混凝土柱边缘与柱边缘之间的间距为：50～100mm。

8、所述钢管混凝土柱的单个柱配置数量为20个，钢管混凝土柱采用3～5mm厚q345钢，内填c80混凝土。

9、所述钢管混凝土柱的高度hggz、钢管混凝土柱直径dggz、加固钢筋公称径ds按加固结构参数表取用。

10、桥墩快速加固结构参数表

11、

12、一种地震损伤桥墩快速加固结构的施工方法，包括以下步骤：

13、步骤1：预制直径分别为180mm、220mm、280mm的钢管混凝土柱备用；

14、步骤2：发生地震、接到桥墩损伤报告后，技术人员赶赴现场测量桩、柱直径，根据现场桩、柱直径测量结果迅速制作钢抱箍j、加固钢筋，钢抱箍z；

15、步骤3：将预制的钢抱箍j包括2块抱箍钢板j、4块连接钢板j及2片圆环钢板j组成的两块抱箍节段扣紧桩并由高强螺栓j连接；

16、步骤4：在钢抱箍j上放置预制的钢管混凝土柱，使得钢管混凝土柱中预埋的波纹管能与钢抱箍j上的预留孔j相对应；

17、步骤5：在钢管混凝土柱上放置钢抱箍z包括2块抱箍钢板z、4块连接钢板z及2片圆环钢板z组成的两块抱箍节段，使得钢抱箍z上的预留孔z能与钢管混凝土柱中预埋的波纹管相对应，采用高强螺栓z连接扣紧柱；

18、步骤6：将加固钢筋自预留孔j穿入至波纹管中，于预留孔z穿出，加固钢筋两端通过螺帽拧紧锚固。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、1.本发明通过在柱布置钢抱箍z、桩布置钢抱箍j，并在钢抱箍z及钢抱箍j设置钢管混凝土柱及加固钢筋。其中，钢抱箍z、钢抱箍j及加固钢筋快速制作完成；钢管混凝土柱已于地震发生前预制完成备用，在桥墩发生地震损伤后，仅需现场测量待加固桥梁的桩与柱的直径，然后根据桥墩快速加固结构参数表取用，实现加工与快速加固。并通过下述的有益效果2及有益效果3所述的技术手段，实现大于原柱抗压、抗拉承载力，并通过大于原柱抗拉承载力及与整个加固结构的共同作用，进而实现加固结构抗弯承载力大于原柱抗弯承载力。值得注意的是，本发明各个构件的选取并非简单的力学性能等效，而是基于方便预制、快速施工的核心思想，具体为：(1)在发生地震前，为节省钢管混凝土柱预制数量，将常见类型柱径1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.8m、2.0m，按照直径1.1m～1.3m、1.4m～1.6m、1.8m～2.0m对应3种直径的钢管混凝土柱；同时结合其內填c80混凝土及单个柱配置20个，巧妙达到钢管混凝土柱的钢管混凝土柱直径能处于一个方便制作与现场施工的范围的目的。(2)加固钢筋选取hrb500级热轧带肋钢筋并非工程技术人员的常规选择及单个柱配置20根，而是依据其抗拉设计强度、柱的常规配筋率，使得加固钢筋的直径范围，对应柱的直径1.0～2.0m，恰好处于20mm～40mm的钢筋范围而巧妙选取的。(3)钢管混凝土柱高度也是在大量统计的柱损伤破坏高度的情况下拟定的。(4)桥墩快速加固结构参数表可有效快速提供地震损伤桥墩快速加固结构的核心数据，实现地震损伤桥墩快速加固。

21、2.按照快速加固结构，实现钢管混凝土柱的抗压承载力均大于柱的抗压承载力，保证墩柱快速加固结构的抗压承载力。

22、在柱周围设置20个钢管混凝土柱，忽略钢管的套箍作用，即通过让20个预制钢管混凝土柱的抗压承载力20×fcdaggz与原柱的抗压承载力azfcd0相等，即：

23、20×fcdaggz＝azfcd0(1)

24、其中：fcd为预制钢管混凝土柱内填充的混凝土强度等级；aggz为单个钢管混凝土柱的面积，aggz＝π×dggz2/4，dggz为钢管混凝土柱的直径；

25、fcd0为柱的混凝土强度等级；az为柱的面积，az＝π×dz2/4，dz为柱的直径；

26、将aggz＝π×dggz2/4和az＝π×dz2/4代入到公式(1)中，得出公式(2)，即：

27、20×fcd×π×dggz2/4＝π×dz2/4×fcd0(2)

28、为实现快速加固，且加固结构大于原柱的抗压承载力目的，式中各个参数的取值办法为：

29、(1)柱的混凝土强度fcd0：一般混凝土柱强度为c30～c40，为省去加固过程中测定实际柱的混凝土强度等级需要的时间，偏安全柱的混凝土强度等级按照c40取，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》得fcd0＝18.4mpa；

30、(2)钢管混凝土柱内填充的混凝土强度等级采用较高标号的混凝土，强度为c80，有效减小钢管混凝土柱的尺寸大小节省空间并方便施工，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》得fcd＝50.2mpa；

31、(3)柱的直径dz：柱的直径范围较大，一般为1.0～2.0m范围，无柱径为1.7m、1.9m的类型。钢抱箍z、钢抱箍j及加固钢筋在现场测量桩、柱直径后，快速制作完成；钢管混凝土柱中的混凝土需要天以上养护才能具备强度，为达到快速加固施工的目的，需要预先制作完成钢管混凝土柱以备不时之需，但按照每种常见类型柱径1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.8m、2.0m预制对应的钢管混凝土柱，则导致预制的钢管混凝土柱类型较多，造成浪费。因此，将柱按照直径1.1m～1.3m、1.4m～1.6m、1.8m～2.0m划分，根据不同柱的直径预先预制好钢管混凝土柱。每个柱径范围，在抗压承载力计算中，均按该范围的最大柱径取，如柱径范围1.1m～1.3m，则均按照dz＝1.3m取。

32、按照钢管混凝土柱大于原柱抗压承载力原则：

33、ⅰ：柱径1.1m～1.3m为时：

34、20×fcd×π×dggz2/4＝π×dz2/4×fcd0

35、20×50.2×π×dggz2/4＝π×13002/4×18.4

36、得柱径1.1m～1.3m时，近似取dggz＝0.18m；

37、ⅱ：当柱径1.4m～1.6m时：

38、20×fcd×π×dggz2/4＝π×dz2/4×fcd0

39、20×50.2×π×dggz2/4＝π×16002/4×18.4

40、得柱径1.4m～1.6m时，近似取dggz＝0.22m；

41、ⅲ：当柱径1.8m～2.0m时：

42、20×fcd×π×dggz2/4＝π×dz2/4×fcd0

43、20×50.2×π×dggz2/4＝π×20002/4×18.4

44、得当柱径1.8m～2.0m时，近似取dggz＝0.28m。

45、3.按照快速加固结构，实现柱纵向受拉钢筋的轴拉承载力与20个钢管混凝土柱中穿设20根加固钢筋的轴拉轴拉承载力大于原柱的轴拉承载力。

46、按照抗拉承载力等效原则，在20个钢管混凝土柱中穿设20根加固钢筋，通过柱纵向受拉钢筋的轴拉承载力fy0as0与20个钢管混凝土柱中穿设20根加固钢筋的轴拉承载力20×fyas相等，即：

47、fy0as0＝20×fyas(3)

48、其中：fy0为柱纵向受拉钢筋的轴拉强度设计值；as0为柱的纵向受拉钢筋截面面积总和，as0＝(π×dz2/4)×ρ，π×dz2/4为柱的截面面积，ρ为柱的纵向受拉钢筋截面配筋率；

49、fy为加固钢筋的抗拉设计强度设计值；as为20根加固钢筋的截面面积，as＝20×π×ds2/4，ds为加固钢筋的直径；

50、将as0＝(π×dz2/4)×ρ和as＝20×π×ds2/4代入公式(3)中，得出公式(4)，即：

51、20×fy×π×ds2/4＝fy0×π×dz2/4×ρ(4)

52、为实现快速加固，且快速加固结构大于原柱的抗拉承载力，式中各个参数的取值办法为：

53、(1)柱的主筋抗拉设计强度fy0：目前，柱筋类型为hrb335或hrb400，为实现快速加固，省去测定柱的主筋抗拉设计强度fy0时间，偏安全考虑，fy0按hrb400取值，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》得fy0＝330mpa；

54、(2)由于地震发生后不能及时查阅桥梁设计资料，无法快速确定柱的纵向受拉钢筋截面配筋率ρ，而柱的纵向受拉钢筋截面配筋率ρ一般均小于1.2％，为实现快速加固，柱的纵向受拉钢筋截面配筋率ρ按1.2％取值；

55、(3)加固钢筋的抗拉设计强度fy：加固钢筋选取hrb500级热轧带肋钢筋，采用较高强度的热轧带肋钢筋有效降低热轧带肋钢筋选用的尺寸，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》得fy＝415mpa；且加固钢筋选取hrb500级热轧带肋钢筋，使得加固钢筋的直径范围，对应柱的直径1.0～2.0m，恰好处于20mm～40mm的钢筋范围。

56、按照上述取值办法，则：

57、ⅰ：柱径为1.0m时：

58、20×415×π×ds2/4＝330×π×10002/4×1.2％

59、得柱径1.0m时，ds＝19.74mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝20mm；

60、ⅱ：柱径为1.1m时：

61、20×415×π×ds2/4＝330×π×11002/4×1.2％

62、得柱径1.1m时，ds＝21.71mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝22mm；

63、ⅲ：柱径为1.2m时：

64、20×415×π×ds2/4＝330×π×12002/4×1.2％

65、得柱径1.2m时，ds＝23.69mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝25mm；

66、ⅳ：柱径为1.3m时：

67、20×415×π×ds2/4＝330×π×13002/4×1.2％

68、得柱径1.3m时，ds＝25.66mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝28mm；

69、ⅴ：柱径为1.4m时：

70、20×415×π×ds2/4＝330×π×14002/4×1.2％

71、得柱径1.4m时，ds＝27.63mm，柱径1.4m时，ds＝27.63mm依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝28mm；

72、ⅵ：柱径为1.5m时：

73、20×415×π×ds2/4＝330×π×15002/4×1.2％

74、得柱径1.5m时，ds＝29.61mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝32mm；

75、ⅶ：柱径为1.6m时：

76、20×415×π×ds2/4＝330×π×16002/4×1.2％

77、得柱径1.6m时，ds＝31.58mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝32mm；

78、ⅷ：柱径为1.8m时：

79、20×415×π×ds2/4＝330×π×18002/4×1.2％

80、得柱径1.8m时，ds＝35.53mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝36mm；

81、ⅸ：柱径为2.0m时：

82、20×415×π×ds2/4＝330×π×20002/4×1.2％

83、得柱径2.0m时，ds＝39.48mm，依规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范jtg3362-2018》取ds＝40mm。

84、4.采用高强螺栓分别连接钢抱箍j和钢抱箍z、采用预制的钢管混凝土柱由加固钢筋与钢抱箍j和钢抱箍z连接为一体，便于安装及快速施工，按照不同柱直径预制好的钢管混凝土柱，具备了装配式快速施工的优点，使得地震损伤桥墩能得到快速加固。同时，本发明为地震损伤桥墩的快速加固提供了一套完整、有效、独特的施工方案，实现对柱的受力卸载，达到快速加固地震损伤桥墩的目的。