一种可更换背墙的桥台结构及施工方法与流程

本发明涉及桥梁建筑结构领域，具体指一种震后可快速更换背墙的桥台结构及施工方法。

背景技术：

1、桥台是位于路堤与桥梁梁体过渡段的桥梁建筑物，在桥梁正常运营时承担台后土压力及梁体的运营荷载。我国的《公路桥梁抗震设计规范》

2、(jtg/t 2231-01—2020)建议：一般情况下，多跨桥梁的桥台不宜作为抵抗梁体地震惯性力的构件，桥台处宜采用活动支座。因此，在顺桥向地震作用下，梁体纵向地震惯性力主要由桥墩承受。在强震区域，若仅考虑桥墩承担地震力，不考虑桥台对桥梁的抗震作用，会导致设计的桥墩截面尺寸过大及设计含筋量偏高，同时，地震产生的位移将需设置较大宽度的伸缩缝来避免梁体与桥台发生碰撞；如图1所示，梁体2位于桥台1上，为避免地震时桥台1作为抵抗梁体地震惯性力的构件，梁体2两侧与桥台1之间需设置较大宽度的伸缩缝3来避免梁体2与桥台1发生碰撞，设置较大宽度的伸缩缝存在加大工程成本的问题。

3、《公路桥梁抗震设计规范》关于跨桥梁的桥台不宜作为抵抗梁体地震惯性力的构件仅为建议设计，非强制性规范；近年来的相关研究表明：桥台、台后填土与主梁之间的相互作用在强震作用下能明显改变桥梁地震响应，而忽略这些结构之间的相互作用将影响结构地震响应的准确性。因此，实际设计中为避免桥墩设计浪费，可以在桥台背墙上设置“碰即脱”结构，使桥台作为抵抗梁体地震惯性力的构件，但又可避免桥台分担主梁过大的惯性力；桥台作为抵抗梁体地震惯性力的构件则可减小梁体两侧与与桥台之间伸缩缝的宽度。

4、桥台背墙上设置“碰即脱”结构主要有两种方法：第一种方法是将桥台背墙设计的较弱，地震时桥台背墙底部断开，桥梁主梁地震惯性力通过桥台背墙直接传递到台后填土，通过台后填土分担主梁惯性力；第二种方法是将桥台背墙设计为受弯破坏模式，在地震作用下，容许背墙进入弯曲屈服，桥台台身和台后填土一起分担主梁惯性力。

5、上述的两种方式均是通过桥台背墙破坏，将地震力部分传递到台后填土，从而保护桥台基础免受过大地震力；本发明是通过第一种方法将桥台背墙设计的较弱，地震时桥台背墙底部断开，桥梁主梁地震惯性力部分通过桥台背墙直接传递到台后填土，通过台后填土分担主梁地震惯性力，但桥台背墙发生破坏的状态不宜控制，再加上现有技术中位于桥台承台上的桥台背墙与承台一体成型，修复更换桥台背墙较为困难，不利于震后交通的快速恢复。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种震后可快速更换背墙的桥台结构及施工方法。本发明技术方案为：

2、一种可更换背墙的桥台结构，包括桥台背墙及台身，台身包括承台及桩基，桩基位于承台下面用于支撑承台，桥台背墙一侧为后台填土，所述桥台背墙是独立的预制构件，桥台背墙通过连接部固定在承台上，桥台背墙及桥台承台上设置有安装所述连接部的安装部；当地震力超过设定值时，所述的连接部被地震力损坏。

3、进一步的是，所述安装部包括螺栓套筒，螺栓套筒分别设置在桥台背墙底部及承台顶面上。

4、进一步的是，所述连接部为剪力棒，剪力棒用于将桥台背墙安装在承台的上表面上，剪力棒连接在安装部中。

5、连接部中部设置有薄弱部，当地震力超过设定值时，所述连接部在所述薄弱部处被地震力损坏断裂；所述薄弱部结构包括但不限于是在连接部中部沿周向间隔开设的多个孔，孔的轴线在同一平面内，或在连接部中部沿周向开设的环形槽，环形槽在竖直面截面形状可以是但不限于是“u”形、梯形或“v”形。

6、进一步的是，所述剪力棒包括上螺杆套筒、下螺杆套筒、哑铃型剪切构件；上螺杆套筒、下螺杆套筒外部均设置有螺纹；哑铃型剪切构件的上端位于上螺杆套筒内，哑铃型剪切构件的下端位于下螺杆套筒内；哑铃型剪切构件包括中部杆件，中部杆件两端设置的扩大端部，扩大端部可以是但不限于球体或多边体；扩大端部在中部杆件的轴截面的尺寸大于中部杆件的尺寸；上述组合结构的剪力棒可通过螺纹连接方便的安装在桥台背墙与台身之间，起到连接桥台背墙与台身的作用。

7、进一步的是，所述上螺杆套筒、下螺杆套筒均为圆柱状；上螺杆套筒内部设置有上凹槽，上扩大部设置在上螺杆套筒内部的上凹槽内；下螺杆套筒内部设置有下凹槽，下扩大部下设置在下螺杆套筒内部的下凹槽内；

8、一个优化方案是：哑铃型剪切构件包括上端圆球、下端圆球、连接在上端圆球与下端圆球之间的杆件，所述的杆件为圆柱状杆件。

9、进一步的是，所述上螺杆套筒、下螺杆套筒均为圆柱状；上螺杆套筒内部设置有圆球状凹槽，上端圆球设置在上螺杆套筒内部的圆球状凹槽内；下螺杆套筒内部设置有圆球状凹槽，下端圆球设置在下螺杆套筒内部的圆球状凹槽内；

10、上螺杆套筒与下螺杆套筒呈对称设置，杆件的上部位于上螺杆套筒内、杆件的下部位于下螺杆套筒内，上螺杆套筒的底面与下螺杆套筒的顶面间隔一定距离；杆件的中间部位位于上螺杆套筒与下螺杆套筒的外面。

11、进一步的是，所述中部杆件的中间部位设置有“v”形槽口，所述“v”形槽口的尖端均朝向中部杆件的内部。

12、一个优化方案是，所述桥台背墙安装在承台上表面时，下螺杆套筒位于承台顶面的螺栓套筒内，下螺杆套筒与承台顶面的螺栓套筒螺纹连接；上螺杆套筒位于桥台背墙底部的螺栓套筒内，上螺杆套筒与桥台背墙底部的螺栓套筒螺纹连接，以将桥台背墙安装在承台的上表面上；

13、下螺杆套筒的顶端从承台上的螺栓套筒伸出；上螺杆套筒的底端从桥台背墙上的螺栓套筒内伸出，剪力棒的中间部位位于上下两个螺栓套筒的外面。

14、进一步的是，所述桥台背墙一侧下部设置多个支撑部，支撑部为直角梯形状，支撑部的竖直面连接桥台背墙，支撑部的底面设置在承台顶面上；支撑部的底面与承台的之间通过连接部连接，连接部中部设置有薄弱部，当地震力超过设定值时，所述连接部在所述薄弱部处被地震力损坏断裂。

15、一个优化方案是，支撑部为板件，可以是但不限于是直角梯形状板件，支撑部的竖直面连接桥台背墙，支撑部的底面设置在承台顶面上；支撑部的底面与承台的连接方式与桥台背墙承台的连接方式相同，在支撑部底面及承台顶面的对应位置处均预埋有螺栓套筒，螺栓套筒内壁设置有螺纹；通过剪力棒将支撑部及承台连接起来；一个剪力棒的下螺杆套筒与承台上的一个螺栓套筒螺纹连接，剪力棒的上螺杆套筒与支撑部底面的螺栓套筒螺纹连接，将支撑部的底面安装在承台的顶面上。

16、所述多个连接部的薄弱部在同一安装高度，可以理解，所述连接部包括桥台背墙与台身之间的连接部，桥台背墙一侧下部的支撑部与台身之间的连接部。在同一安装高度可以理解为薄弱部的水平对称面在在同一安装高度，当然多个连接部的薄弱部的水平对称面在允许的高差范围内也可认为是在同一安装高度，如10毫米高差。

17、多个连接部的薄弱部在同一安装高度，实现地震时，水平载荷作用部位相同，破坏断裂面相对一致，减少对台身的扭转载荷，优化承台地震时的载荷。

18、安装后，薄弱部位于桥台背墙与台身之间贴合部，或桥台背墙一侧下部的支撑部与台身之间贴合部。地震时，位于桥台背墙与台身之间贴合部的连接部的薄弱部，或位于桥台背墙一侧下部的支撑部与台身之间贴合部的连接部的薄弱部冲击断裂，避免连接部对承台的冲击，减少对承台损伤。

19、进一步的是，所述剪力棒的直径d与间距s应满足以下公式的要求：

20、

21、aw应当大于公式(1)结果与公式(2)结果中的较大值；

22、

23、fd﹡aw﹡s的值应当大于公式(3)结果与公式(4)结果中的较大值；

24、所述剪力棒的直径d是指圆柱形的杆件圆形截面的直径d；所述的间距s是指，桥台背墙底部安装的一个剪力棒与相邻的安装于支撑部底部的一个剪力棒间的距离；

25、其中：ζ为土的静土压力系数；

26、γ为土的重度；

27、h为桥台台背高度；

28、aw为剪力棒圆柱形的杆件633的圆形截面的面积，

29、γ0为安全系数，可以考虑取1.0及以上的数值；

30、fvd，fd分别为剪力棒的抗剪设计强度和抗拉设计强度；

31、eq1为e1地震传递桥台的水平力。

32、对于包括哑铃型剪切构件结构的组合结构的剪力棒，上述剪力棒的直径d指的是哑铃型剪切构件中部杆件的直径。

33、实现本发明目的之二的技术方案一种可更换背墙的桥台结构的施工方法，包括以下步骤：

34、制作多块桥台背墙，在每块桥台背墙底部预埋螺栓套筒，两块相邻设置的桥台背墙中，一块桥台背墙的侧边设置有长条形凹槽即插槽，另一块相邻的桥台背墙与所述插相邻的侧边设置长条形的插块，插块插入插槽内实现相邻两块桥台背墙的连接；

35、台身浇筑完成，混凝土强度达到设计要求后，在台身上预留的螺栓套筒中放置剪力棒，剪力棒的下端位于台身上的螺栓套筒内；吊装第一块桥台背板，剪力棒的上端位于桥台背墙上的螺栓套筒内；夹持剪力棒位于上下两个螺栓套筒外面的部位，旋转剪力棒，将剪力棒与螺栓套筒通过螺纹连接固定；第一块桥台背墙剪力棒螺栓紧固完毕后，再开始安装下一块桥台背墙，直至多块桥台背墙全部安装完成；

36、桥台背墙的更换：地震发生后，对桥台背墙进行检查，如发现桥台背墙发生较大的变形，则桥台背墙底部剪力棒被剪切破坏，对破坏的桥台背墙进行标记，局部开挖破损桥台背墙处的台背填料，拆离破损的桥台背墙，对螺栓套筒中剩余破损的剪力棒进行更换，更换完毕后装入新的桥台背墙。

37、本发明的有益效果是：

38、本发明具有以下几方面优点：

39、1.本发明通过使桥台背墙承担部分地震力，减小了桥墩的地震设计荷载，可使桥墩设计更加经济。

40、2.本发明震后修复流程简单方便：本发明桥台背墙为预制构件，仅通过剪力棒及螺栓即可实现桥台背墙与桥台承台的连接，与现有技术桥台背墙与桥台承台一体成型的方式相比，本发明便于装配化施工，地震破坏后的背墙节段可快速进行更换，根据一般施工经验，单块背墙节段的更换时间不超过1小时，实现了震后桥台快速修复，为灾后救援争取了宝贵时间，提高了震后桥梁修复和交通恢复效率。

41、3.本发明桥梁抗震结构设计经济合理，地震时桥台背墙底部断开，桥梁主梁地震惯性力通过桥台背墙直接传递到台后填土，通过台后填土分担主梁惯性力，主梁惯性力减小可以极大降低因为梁体与桥台发生碰撞导致桥台下部结构过载发生破坏的风险。

42、4.本发明通过台后填土分担主梁惯性力，保护桥台基础免受过大地震而被损坏；通过可快速更换桥台背墙的设计解决了桥台破坏后修复困难的问题，降低了震后桥梁维修成本。