混凝土结构连接块的制作方法

本发明涉及建筑桥梁施工领域，具体地涉及一种混凝土结构连接块。

背景技术：

1、我国建设了大量公铁路和城市桥梁。桥梁房屋等大型结构的安全性和抵御自然灾害能力成为关系到人民美好生活和生命财产安全的一个关建点。以桥梁为例；从工程结构安全性的角度看，无论在使用或新建桥梁都面临下列三方面的挑战：(1)我国属于地震洪水等自然灾害高发频发地域，这对桥梁，特别是地方应急通道和生命线桥梁，提出了较高的结构稳固性和抵御非常载荷的要求。(2)桥梁的设计寿命一般为50到75年以上，但随着经济的高速发展，在许多地区桥梁车载流量已经达到或超出设计水平；虽有严规，超载现象屡禁不止，例如,2019年10月无锡g312国道高架桥侧翻事故。所有这些现象的直接后果是逐渐步入使用寿命末期的桥梁，加固或更换已成为有关管理部门的议事日程。(3)在许多经济发达，人口稠密的地区交通拥堵已是常态；造新桥或旧桥加固是造成交通堵塞的一个重要原因；因此，桥梁的快造快修，同时保证必要的施工质量和结构安全，成为近年来桥梁业届公认的一个技术挑战。

2、混凝土作为经济实用的建筑材料，具有抗压缩能力强但缺乏抗拉强度的特点。因为土木工程结构中往往是拉伸和压缩应力并存，工程上常采用下列两类方法最大限度地减少结构件中混凝土承受的拉应力：(1)在混凝土中预埋钢筋网络，即钢筋混凝土；(2)“预应力”技术，即预安装体外或体内贯穿梁和柱等承受弯矩结构件或其它类承受拉应力结构件的钢筋或钢绞线，以下统称“钢绞线”；在结构投入使用前在钢绞线两端施加拉力以造成在构件中的压缩力，从而使构件中混凝土基质保持在压缩状态下，以抵消使用过程中弯矩所造成的拉应力，见图1。

3、显然，图1中的常规预应力技术仅对在一个方向上尺寸明显大于其他两个正交方向的结构件(例如，梁或柱)有效。在多个沿不同方向设置的类似结构件汇交时，如何有效施加预应力仍然是这一领域的一个难题，例如，避免结构图2(a)中桥梁柱梁连接或图2(b)中的建筑物三向交叉梁柱连接几何突变处的应力集中；这类应力集中会造成构件表面或内部裂纹类损伤，降低整体结构的承载能力。

4、对于钢筋混凝土构件的制造和施工，工程实践中也有两类方法：第一类方法是“现场浇铸”，即在结构件于整体结构中的位置预制模板框架，内部预先布置细钢筋网络；然后浇铸混凝土。为此用于浇筑的模板建造的约耗费额外的20％到60％施工预算。同时，所浇灌的混凝土一般需要28天时效固化才能完全达到设计强度。为了增加多个混凝土构件衔接处抗拉和抗剪切强度，需要在接头部位预埋较稠密的钢筋网络。在必需承受较高剪力的衔接部位，例如，高地震风险区桥梁结构中的墩与梁或墩与地基的连接处，许多工程事例中另预埋贯通衔接部的粗钢筋或大直径钢管以增强接头节点强度。

5、相比之下，如果主要承力结构件在工厂或预制场地制造并予以预应力处理，然后在建设现场组装这些结构件；这不但可以减少钢筋用量，也可缩短施工时间，并带来显著经济效益。但对这类模块化结构，预制结构件的连接方式和接头局部强度基本上决定整体结构的承载能力和坚固性。同样，对类似于图2所示多个构件交汇处，如何在保证接头处有不低于构件本身的强度，仍是装配式结构领域尚未完全解决的问题。

6、主要承力结构件连接部的强度，例如，梁与柱交叉连接部的强度，对于大型桥梁和房屋的结构完整性和安全性至关重要。一个这类连接部的失效将导致所连所有承力结构件的失效。由于交叉连接部的应力水平通常高于其它部位，此类位置的结构坚固性和强度基本上决定了整体结构的承载能力，尤其是在飓风，强地震，车桥或船桥相撞，以及爆炸等极端载荷条件下。图3(a)和(b)是桥梁墩与梁哈墩与基础连接部在强震后破坏的两个实例和一个钢筋混凝土绗架梁节点因施加预应力程序设计不当而破坏的实例。为了加强这类连接部的强度，内置加强销杆是一些工程采用的方法。图4是加强销杆破坏的两种形式。图5(a)解释贯穿两个结构件的加强销杆或钢绞线在构件相对错动时在相交面上的剪应力集中，其是图3和图4中结构破坏的一个原因。如何避免这类破坏，是有关工程界仍在研究探讨的问题。

7、根据前述简单分析和综述，目前桥梁和房屋等混凝土结构存在下列尚待彻底解决的技术难点：

8、(i)如何在多个主要承力结构件相交节点处避免应力集中造成的强度降低；

9、(ii)如何在这类结构节点沿所有必要方向实施预应力；

10、(iii)如何保证装配式结构有足够抗强地震和其它突发性灾害的能力；

11、具体的讲，如何解决装配式结构中节点比整体浇灌结构节点弱的普遍问题。

技术实现思路

1、本发明公开的混凝土结构连接块可用于包括多个相交主要承力结构件的连接和施加预应力；解决由于在较高外载工况下这类结构件相交节点处应力集中导致的连接杆件或预应力钢绞线在应力集中区域大变形造成结构整体超出行业规范规定的不可恢复畸变和连接杆件或预应力钢绞线可能被剪断的技术问题。为了提供强地震等非常规工况下的减隔震功能，本发明公开的混凝土结构连接块允许较大的局部变形，同时具有随着变形而增加的自紧功能，和较强的地震后自恢复动力。

2、为此，本发明公开的混凝土结构连接块的第一个创新点是图5(b)中所示的v型缓冲腔，其设计的目标功能和对应机理简述如下：

3、当极端强震袭击如图5(b)的结构时，允许其中墩和梁之间有约束的微小相对错动可以减小如图5(a)所示的剪应力集中，包装结构安全。一般地讲，设计100％坚固，绝对不允许结构件间错动的结构在工程实践的意义上并不现实；因为现代科学还不可能100％精确预测未来可能发生的极端载荷工况，例如强地震。在另一方面，微小相对错动可以有效地隔断惯性力流，起到减隔震作用。因此，v型缓冲腔的第一个功能是当这类错动发生时为所穿过(钢绞线)销杆提供弯曲变形的缓冲空间，以避免立即剪断。

4、图5(b)中的v型缓冲腔基本上由深度，开口半径，和侧壁曲率半径决定。在不同参量的v型缓冲腔内，图中加强销杆可能会以下列三种不同方式变形：(i)当v型缓冲腔的开口太窄时，销杆变形后可能首先接触v型缓冲腔内开口边缘，造成与图5(a)类似的剪应力集中；(ii)当v型缓冲腔曲率与加强销杆在横向载荷q1时的变形曲率精确吻合，在这个载荷下销杆会在与v型缓冲腔侧壁从不接触状态转化为完全接触；当横向载荷继续增大时，与图5(a)类似的剪应力集中；(iii)当开始施加横向载荷q时，销杆与v型缓冲腔侧壁开始接触；随着载荷增加接触面积逐渐增加；这种“渐近接触”是本发明公开混凝土结构连接块的设计目标。

5、下式为根据图6(a)中模型计算v型缓冲腔侧壁曲率，即图中的函数y(x)，的梁弯曲公式近似：

6、

7、式中，x，l分别代表销杆位置坐标和在v型缓冲腔侧壁的跨距，即v型缓冲腔的深度；i是销的惯性矩，e是销材料的杨氏弹性模量；系数k1和k2的值介于1和2之间。

8、v型缓冲腔连接的另一个优点是可以将所述渐近接触转化为对所连接构件的提升运动，借助其重量和其中两端固定销杆时销杆所提供的压紧力来抵抗进一步水平错动；这一机理可以由图6(b)解释：当销杆变形后的，施加在销杆的横向力q可分解为垂直于变形后销杆表面的分力和与表面相切的分力托动上部结构的上移，使上部结构重量成为抵抗横向运动的反力，限制相对滑动。根据图6(b)可以看出，切向力的幅度由角度β决定

9、

10、式中，根据(公式1)给出曲率：

11、

12、其中

13、

14、指的是在x坐标范围内的曲率函数y(x)导数的最大值。

15、然而，(公式1)源自假设销杆在v型缓冲腔内可以按长度等于v型缓冲腔深度的悬臂梁计算，如图6(a)所示。实际上，间接接触条件下销杆在仍类似悬臂梁一样变形，但其梁跨距随着渐近接触面积增大而减小，梁跨距＝l/2-x；其中x代表销杆与v型缓冲腔侧壁脱离渐近接触的坐标；其表示抵抗进一步弯曲的阻力阻力逐渐增大，可以用图6(c)中的模型所描述。不言而喻，这一设计细节是本发明的一个创新点。根据图6(c)中模型可以导出以下的常微分方程，其解函数确定达到所述“渐近接触”的v型缓冲腔侧壁曲率：

16、

17、式中δ代表销杆顶端的位移。为保证销杆不出现屈服，(公式4)的解还需满足下列两个条件：

18、

19、

20、式中，λ(x)是销杆的半径，其是一个沿轴向变动的函数，即销杆可以是变直径；i(λ(x))是销杆的截面惯性矩；f(q,l/2-x,λ(x))是在荷载q作用下销杆作为跨度为l/2-x悬臂梁销端的设计挠度；e,σy,τy分别是销杆的杨氏模量，屈服强度，剪切强度。

21、当根据图6中模型和公式(1-4)进行定量设计时，可以发现需要相对较大的l，即v型缓冲腔深度，以产生上部结构上提位移所附加的力抵抗横向位移。这主要因为金属变形幅度和对应的斜率β通常很小。同时，当上部结构上提位移占主导地位时，它也会同时给销杆带来显著的高剪切力。为了在不增加尺寸l的情况下增大所期望的上部结构上提力，从而充分利用上部结构重量来抵抗地震造成的水平位移，本发明图7(a)公开本发明的核心创新细节，即v型加强套5(以下简称“v型套”)和倾角护板6的组合；其中倾角护板6内环有一个向开口方向外倾的角度δ，其小于v型加强套5的β角。除了类似图5(b)所示保护销杆局部的作用，v型加强套5的主要功能是当销杆在横向力q作用下弯曲后，其外轮廓的δ角与错动部件的内缘接触后可以立即导入图6模型解释的结构自紧功能。如果没有图7中v型加强套5和倾角护板6组合，只有在销杆4发生较大水平弯曲变形时图6所示的结构自紧功能才可以奏效。

22、在以下陈述中，“构件”是指在土木工程结构中承受主要力流的结构件，例如桥梁或建筑物中的梁跨或柱，或这些构件的节段。本发明所公开的混凝土结构连接块作为连接结构又称作“接头”，是两个以上构件的节点；其可以是一个连接汇聚在节点其它构件的单一构件；也可以是包括所连接构件在内的结构系统，例如，一根梁和一个墩的连接。本发明所公开的混凝土结构连接块还包括在所连接构件中的一些设置，例如，钢绞线，预埋的钢筋，加强销杆，或内部填充混凝土的钢管，在以下陈述中统称“杆件”；以及相关的配件。杆件穿过至少两个构件。根据土木工程结构施工惯例，“湿接缝”是指现场浇灌混凝土制成的接头；而“干接缝”是指预制的结构接头，在施工过程中放入指定位置以连接其它构件。

23、本发明所提供用于混凝土构件的混凝土结构连接块包括：混凝土构件，混凝土构件中预制至少一个v型缓冲腔；混凝土构件至少包括相互第一混凝土构件和第二混凝土构件，其各自包含的v型缓冲腔组成一个v型缓冲腔对；v型缓冲腔对的两个v型缓冲腔的中心轴线相重合，开口在接触面上相对；

24、杆件，对第一混凝土构件和第二混凝土构件进行连接，杆件贯穿一个v型缓冲腔对；

25、v型加强套，置于v型缓冲腔对所包含的空腔内，其表面与至少一个v型缓冲腔内表面贴合，其包含一个通孔，杆件从其中通过。

26、防护套筒，至少一个用于隔绝混凝土构件与杆件的局部或整体直接接触的。如前述，图7所示v型加强套5和倾角护板6的组合是本发明的核心创新细节。

27、如图7所示，杆件4的两端分别插入第一混凝土构件1和第二混凝土构件2内，一端可沿轴线方向自由滑动另一端固定；其限制两个混凝土构件之间相对错动但不约束其相对分离；这类连接适用于混凝土构件沿地球引力方向叠加的结构，构件自重限制其间相对分离。

28、优选地，杆件的至少一个连接端与所连接的混凝土构件栓接。优选地，杆件与所连接的混凝土构件通过螺母7，承力垫片701，弹簧阻尼9或弹性阻尼材料901，楔形紧固块13栓接，见图10和图12。

29、图10和图12是杆件4两端为螺纹且在所连接构件表面伸出端栓接的设置，其包括这个构件在杆件4伸出端位置预制的第一混凝土构件表面楔形开口，包含中心通孔并可楔入楔形开口腔的楔形紧固块11，承力垫片701，螺母7，和在承力垫片701与螺母之间的弹簧垫片或弹簧阻尼9。杆件4伸出端从这系列组件中依次穿过，由螺母7固定。缓冲材料块12控制杆件4中的拉应力，保证其在可接受范围内；同时允许构件1的微小上移；起到借用其自身重力抵抗横向错动的目的。图10(a)中的弹簧垫片或弹簧阻尼9可以是如图10(b)所示的缓冲材料块12，其由弹性高分子材料制成，例如，铁氟龙，聚氟或聚氨酯块，环氧树脂块，形状记忆合金等。

30、优选地，杆件的固定端预埋入所连接的混凝土构件内。

31、杆件的两端也可以作为连接端分别固定在第一混凝土构件和第二混凝土构件上，并可以沿杆件的轴线方向对连接的混凝土构件施加预应力。

32、优选地，连接端通过设置在连接段端口的螺纹和螺母与第一混凝土构件或第二混凝土构件栓接。

33、优选地，连接端包括栓接在第一混凝土构件上的第一连接端和预埋在第二混凝土构件中的第二连接端；

34、第二连接端的端头为t形构件或l形构件；或，

35、所述第一连接端和所述第一混凝土构件固定连接，所述第二连接端与所述第二混凝土构件可转动铰接连接，以允许所述杆件能够在所述v型缓冲腔内摆动但沿轴线方向固定，所述杆件在混凝土结构连接块组装时一个连接端延轴向方向固定，另一端承受轴向方向包括预应力的拉伸力。进一步优选地，所述杆件的第二连接端包括一个球状铰接头，所述铰接头的外围设有用于固定该铰接头的基座和基盖。

36、优选地，第一混凝土构件和第二混凝土构件之间设置调整摩擦力的摩擦垫片。

37、优选地，混凝土结构连接块包括设置在摩擦垫片与第一混凝土构件和/或第二混凝土构件之间的倾角护板。

38、优选地，混凝土结构连接块包括内置于v型缓冲腔并与v型缓冲腔内表面贴合的v型套筒。

39、优选地，防护套筒和杆件之间的间隙注入预应力孔道压浆材料。

40、优选地，防护套筒外侧设置加强肋和/或环绕防护套筒的细钢筋或钢丝加强筋络。

41、优选地，杆件是由两根以上钢筋组成的钢绞线。

42、优选地，v型缓冲腔内填充环绕杆件的阻尼材料。

43、优选地，置入v型缓冲腔对中的v型加强套表面与两个v型缓冲腔内表面贴合。

44、优选地，v型缓冲腔对中不置入v型加强套，杆件在v型缓冲腔内的部分截面积增大。

45、优选地，所述混凝土结构连接块还包括在所连接构件之间的接触面置入附加的附加护板和其间的摩擦垫片。进一步优选地，所述混凝土结构连接块还包括一个混凝土构件组，所述构件组包括至少一个与所述混凝土构件相连接的混凝土构件。

46、当地表水平加速度等于a的地震冲击类似图5(b)中结构且假设墩底部同地表共同运动，惯性造成墩梁接触面的剪力q0为：

47、当图7所示混凝土结构连接块的连接结构受到强横向力冲击时，杆件所承担剪力将会传递到环绕的构件基体中。由于杆件由等金属材料材料，其强度远高于混凝土。如果杆件周边混凝土破坏，图6设计的杆件变形状态将改变。为了保护杆件和环绕的混凝土基体，本专利公开的混凝土结构连接块还可以包括如图8(a)和图8(b)所示的设计细节：保护v型缓冲腔内壁的v型套筒8，环绕杆件4的防护套筒801，或v型套筒8和防护套筒801合成一体的组合。为了在大面积混凝土基体上分散承担水平相对错动发生时作用在杆件上的剪力，设计细节还包括附加在防护套筒801外侧的加强肋803和/或加强筋络802。

48、图9(a)和(b)是杆件4两端为螺纹且在所连接构件表面伸出端栓接的设置，其包括这个构件在杆件4伸出端位置预制的楔形空腔10，包含中心通孔并可楔入楔形开口腔的楔形紧固块11，承力垫片701，螺母7，和在承力垫片与螺母之间的弹簧垫片或弹簧阻尼9。杆件4伸出端从这系列组件中依次穿过，由螺母7固定。缓冲材料块12控制杆件4中的拉应力，保证其在可接受范围内；同时允许构件1的微小上移；起到借用其自身重力抵抗横向错动的目的。图9(a)中的弹簧垫片或弹簧阻尼9可以是如图9(b)所示的缓冲材料块12,其由弹性高分子材料制成，例如，铁氟龙，聚氟或聚氨酯块，环氧树脂块，形状记忆合金等。

49、v型缓冲腔设计为工程实际应用提供了广泛的灵活性。图10(a)公开一种在v型缓冲腔基础上的附加设计选择，即在v型缓冲腔3和杆件4与v型加强套5加强之间的空间内置入可以近一步缓冲和耗散震动能量的材料，又称作耗散套，即图中标计的填充阻尼材料301。耗散套可以是直接注入这一空间的在外力作用先可以呈现粘性流体性质平均直径小于2毫米的细小材料颗粒，例如，硅粉，硅砂，或聚氨酯，聚氟等高分子材料及软金属颗粒或者是常规亚浆材料；或者是用有一定粘塑性性质的材料，例如，橡胶，铅锡软合金，或聚氨酯，聚氟或环氧树脂等高分子材料制成。在动载作用下，这类材料颗粒或材料块阻滞杆件4变形同时耗散外力输入的能量。

50、图10(b)是本发明的实施例中的混凝土结构连接块在所连接混凝土构件包含至少一个v型缓冲腔3和与其开口延伸至所连接混凝土结构件接触面的圆柱形空腔，以及由圆柱形体和两个锥形头组成的v型保护套；

51、图11的优化设计可以通过另一种方式实现：即图12(a)所公开的变截面预应力杆件4设计。

52、图12(a)是本发明技术应用于图2(a)的连接系统和湿接头技术的实施例：混凝土梁跨构件组201(桥梁盖梁)顶部与其上第一混凝土构件表面楔形开口(承工字梁桥跨组)端部湿接头相接，这里湿接头相当于图7至图11中第一混凝土构件1，盖梁(201)相当于第二混凝土构件2；图示湿接头浇灌前结构布置；

53、图12(b)是本发明技术应用于图2(a)的连接系统和湿接头技术的实施例：混凝土梁跨构件组201顶部与其上承工字梁桥跨组端部湿接头相接，这里湿接头相当于图7至图11中第一混凝土构件1，盖梁(201)相当于第二混凝土构件2；图示湿接头浇灌完成后结构示意图。

54、在前述对图7(a)-图12(b)公开以v型缓冲腔为基础混凝土结构连接块的介绍中只提到围绕图5所示垂直方向杆件预应力加强结构节点设计，这里的杆件可以是钢绞线或局部加强销杆。毋庸详述，这类结构连接系统可以用在二到多个方向结构部件的交叉节点中和同时沿这些方向实施预应力。图12(a)和图12(b)介绍了应用这类连接系统和湿接头技术对一个桥梁的墩或盖梁与梁跨连接实施双向预应力加强的实施例。