專利名稱：內置耗能組件的自復位墩柱結構體系及實現方法
技術領域：
本發(fā)明屬于橋梁工程領域。特別涉及由內置耗能組件進行抗震耗能，由彈性復位組件進行殘余變形控制的一種內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系及實現方法。
背景技術：
近期頻發(fā)的強烈地震對我國造成重大財產損失并嚴重的威脅了人民百姓的生命安全，而橋梁作為交通樞紐生命線的關鍵環(huán)節(jié)，在抗震救災中擔任著運輸援救物資、搶救生命的重大責任，研究橋梁新型抗震體系的意義重大。然而，在汶川地震、玉樹地震這樣強震作用下，許多既有橋梁因抗震結構體系的局限導致抗震能力不足而倒塌，部分未倒塌橋梁震后殘余變形過大，無法通過震后有限的修復重新投入使用，而需要被拆除，給恢復交通生命線，快速救災搶險以及降低經濟損失帶來了諸多不便。近年來，基于性能設計的橋梁抗震研究和設計越來越多地著眼于提升橋梁結構震后性能，以保證交通生命線的暢通，以期通過對結構的巧妙設計，最大限度地減少地震損失。與上部結構和基礎承臺相比，橋墩體系的抗震設計和性能表現顯得尤為重要。過去基于延性的橋墩設計主要著眼于確保結構在遭遇極端荷載的情形下(如地震)的結構安全，并沒有對短暫的極端荷載作用過后的結構性能給予足夠的重視。在地震過后，即便結構不發(fā)生倒塌，也會因為發(fā)生了過大的不可恢復的塑性殘余變形，而最終仍然需要被拆除、重建。例如在Hyogo-ken Nanbu (日本兵庫縣南部地震)地震中，大約250座鋼筋混凝土橋墩柱和20座鋼橋墩柱在強震中倒塌；100余座橋墩因為墩柱傾斜超過1°或者頂部偏移超過1. 75%，影響了繼續(xù)服役的性能需求而被拆除， 造成了巨大的經濟損失；類似的情形也出現在了我國汶川等地震災區(qū)中。在過去基于延性設計的混凝土墩柱或者鋼墩柱中，預設的截面延性變形機制主要通過墩柱的結構材料如鋼材或者混凝土的屈服形成截面塑性鉸來實現，在中等地震強度的情況下就會發(fā)生，導致不可忽略的殘余變形，帶來了 4點不足1、截面延性變形過大且難以局部恢復，導致被整體拆除；2、即便延性變形在限值以內，設計截面的承載力和剛度都出現了明顯的下降，對繼續(xù)服役造成不利的影響；3、對于交通生命線上的橋墩拆除和重建會阻礙交通恢復通行；4、直接造成巨大的經濟損失。在這樣的現實狀況下，工程界需要尋求更加先進的設計方案以及更為嚴格的橋梁抗震設計規(guī)范準則。發(fā)明人的理論和試驗研究表明，本發(fā)明所涉及的自復位橋梁墩柱結構體系能夠有效地將彈性復位組件(如預應力組件)與耗能組件(如耗能鋼筋)結合起來，共同工作，實現預設的耗能-抗震、彈性-復位的抗震自復位機制。本發(fā)明所涉及的自復位橋梁墩柱結構體系擁有穩(wěn)定的耗能能力，并且能夠顯著地控制殘余變形。本發(fā)明由彈性復位組件如無粘結預應力鋼筋與內置耗能組件共同組成，其受力特點為1、分布在墩柱截面周邊的屈服耗能組件如耗能鋼筋等保證了截面具有足夠的延性耗能能力；2、貫穿于全墩柱軸心位置的預應力鋼束將原本分開澆筑的墩柱與基座夾緊連接，地震荷載作用過后，由于預應力鋼筋的線彈性特性，可以產生足夠的恢復力，使得該墩柱結構重新回到初始位形，而不產生或者減少殘余變形。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供能夠有效減小地震殘余變形并保證足夠耗能能力的一種內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系及實現方法，其特征在于，所述自復位墩柱結構體系是一種由橋梁墩柱1、橋臺2、耗能鋼筋3、具有彈性復位功能的無粘結預應力鋼筋4以及預埋件5組成，橋墩1與橋臺2靠無粘結預應力鋼筋4及耗能鋼筋3連接；橋臺施工時， 預留無粘結預應力鋼筋孔洞，并同時預埋無粘結預應力鋼筋4、耗能鋼筋3以及鋼板預埋件 5 ；為保證耗能鋼筋3在受力時不被拔出，耗能鋼筋3在橋臺內應有足夠錨固，為保證埋入長度、耗能鋼筋3端部設90°彎鉤或者其他錨固方式，以固定耗能鋼筋3，防止脫離；若采用預制施工，則預應力鋼筋孔與上端預制墩柱的預應力鋼筋孔嚴格對齊，以保證預應力鋼筋4 沿墩柱孔及橋臺孔順利穿過并有效張拉，沒有彎折；若采用現澆施工，則預應力鋼筋4需要有效固定在模板鋼筋籠中，保證沒有彎折。所述橋臺為能與基礎有效連接的中空倒凹字型的預制混凝土結構。實際施工中， 橋臺采用現澆或者預制方式施工，其關鍵在于能夠有效錨固預先埋設好預應力鋼筋，能夠有效與基礎連接。所述預埋件5為上方鋼板7和下方鋼板9之間由四根角鋼8以正方形焊接組成， 上方鋼板7置于橋臺2頂面，與橋墩1接觸，橋臺內預埋件5下方鋼板9置于橋臺內倒凹字型的凹槽臺階上，與四根角鋼8 —起起到支撐、分壓的作用，以防止無粘結預應力鋼筋4在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土。所述橋墩1的中部預留砂漿出口，橋墩1的下部預留砂漿入口 ；并且墩柱內按照受力配以相應的縱筋及箍筋6，但不與橋臺2相連。所述無粘結預應力鋼筋4為四根，穿過預埋件5中央的四個預應力鋼筋孔洞，直至橋墩1頂部外，無粘結預應力鋼筋4的下端與下方鋼板9焊接固定。所述耗能鋼筋3穿過預埋件5的上方鋼板7的四個耗能鋼筋孔，插入橋墩1的1/3 至1/2，并被砂漿固定。所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系的實現方法，其特征在于，具體步驟如下(1)橋梁墩柱采用常規(guī)的預制混凝土結構或采用現澆施工的形式，預留有無粘結預應力鋼筋孔及耗能鋼筋孔，墩柱內按照受力配以相應的縱筋及箍筋，但不與橋臺相連；(2)橋臺采用常規(guī)的預制混凝土結構形式，并將耗能鋼筋預埋其中，橋臺內預留有無粘結預應力鋼筋孔；(3)橋臺內預埋鋼板，起到支撐、分壓的作用，以防止后張拉預應力鋼筋在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土；(4)將橋臺預埋的耗能鋼筋插入橋墩截面邊緣處預留的耗能鋼筋孔后，實現了橋墩與橋臺的連通，并在耗能鋼筋孔的縫隙處灌以砂菜，將孔洞填滿、密實；(5)體系拼裝完成后，在橋墩和橋臺上，從預留的預應力孔內張拉無粘結預應力鋼筋，并用錨具將預應力鋼筋錨固好，預應力鋼筋初張拉力不宜過小，否則起不到自復位的作用，也不應過大，以使得預應力鋼筋在受力過程中一直保持彈性性能，故初張拉力為極限拉力的30%至50%之間；
(6)通過無粘結預應力構件在受力過程中始終保持彈性的特征，實現墩柱節(jié)點殘余變形控制，保證自復位或者自恢復的功能；(7)通過連接橋墩和橋臺的耗能鋼筋實現墩柱結構穩(wěn)定的耗能能力。本發(fā)明的有益效果是與傳統墩柱節(jié)點相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)彈性復位組件，如貫穿于全墩柱軸心位置的預應力鋼束可以產生恢復力，使得該節(jié)點重新回到初始位形，而不產生殘余變形；即能夠很好的解決傳統橋梁墩柱在地震荷載過后具有較大殘余變形的問題。(2)分布在墩柱截面周邊的耗能鋼筋保證了截面具有足夠的延性耗能能力；(3)本發(fā)明設計靈活，結構受力明確，橋梁在預先設定部位(柱底)通過設定的耗能鋼筋組件完成耗能，通過貫穿于整根橋墩的預應力鋼筋組件自復位，且能夠保證橋墩具有足夠的強度和剛度。本發(fā)明采用預制構件體系，若采用構件廠預制加工，只需在現場簡單拼裝、張拉預應力鋼筋即可，施工方便、快速。若采用現場現澆施工，也不增加施工難度和工序，體系明確、性能優(yōu)越。


圖1為發(fā)明整體結構示意圖。圖加為下端含耗能鋼筋的墩柱橫截面示意圖。圖2b上端不含耗能鋼筋的墩柱橫截面示意圖。圖3為墩柱預留孔洞示意圖。圖如為橋臺預埋件側向示意圖。圖4b為橋臺預埋件下側板示意圖。圖如為橋臺預埋件上側板示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系及實現方法。下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳述如圖1-2所示，自復位橋梁墩柱結構體系主要由橋梁墩柱1、橋臺2、耗能鋼筋3、無粘結預應力鋼筋4以及預埋件5等組成。橋墩1與橋臺2主要靠預應力鋼筋4及耗能鋼筋 3連接。橋臺采用預制施工時，預留無粘結預應力鋼筋孔洞，并同時預埋耗能鋼筋3以及鋼板預埋件5。為保證耗能鋼筋3在受力時不被拔出，耗能鋼筋3在橋臺內應有足夠的錨固， 例如足夠的埋入長度或者90°彎鉤等錨固方式，以固定鋼筋，防止鋼筋從混凝土中拉脫。預應力鋼筋孔應與上端墩柱的預應力鋼筋孔嚴格對齊，以保證預應力鋼筋4沿墩柱孔及橋臺孔順利穿過并有效張拉，沒有彎折。預埋件5的詳細構造見圖4 如圖如所示，它由方鋼板 7、方鋼板9及四個角鋼8組成，方鋼板置于橋臺頂面，與橋墩接觸，由于橋墩在受到地震反復作用的時候會產生左右擺動，橋墩與橋臺間因擺動而產生夾角，混凝土柱很容易因局部荷載過大而破碎、壓潰，預埋件上端鋼板恰為橋墩提供了良好的接觸表面，減緩了混凝土柱及橋臺在柱腳處的接觸破壞，改善了結構的局部承壓性能；此外，如圖4b所示，橋臺內預埋件下側板9與四個角鋼8 —起，起到支撐、分壓的作用，以防止后張拉預應力鋼筋在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土 ；如圖4c所示，預埋件上側板7需在施工時在相應位置氣割孔洞，中心孔洞為能夠穿越預應力鋼筋，四周孔洞為能夠穿越耗能鋼筋，預埋件下側板也應為預應力鋼筋而氣割孔洞，孔洞在豎直方向上應嚴格對齊。鋼筋遇到預埋件截斷，并與預埋件焊接。橋梁墩柱采用常規(guī)的預制混凝土結構形式，預留有無粘結預應力鋼筋孔4及耗能鋼筋孔3，墩柱內按照受力配以相應的縱筋及箍筋6，但不與橋臺相連，如圖2所示。將橋臺預埋的耗能鋼筋插入橋墩截面邊緣處預留的耗能鋼筋孔后，實現了橋墩與橋臺的連通，并在耗能鋼筋孔的縫隙處灌以砂漿，將孔洞填滿、密實，灌漿材料采用高強度自流平灌漿料， 如圖3所示，漿料通過耗能鋼筋孔3下端側向砂漿入口 3. 2流入孔內，以漿料流出耗能鋼筋孔3上端側向砂漿出口 3. 1為標志，最終保證漿料充滿整個耗能鋼筋孔。此外，在灌漿前， 需將耗能鋼筋孔最下端100毫米處填充以聚酯材料或玻璃纖維材料，使得耗能鋼筋在本段內產生自由伸長，均勻應力分布，以防止由于耗能鋼筋由于局部應力集中而造成損傷。待到漿料達到強度要求后，進行無粘結預應力鋼筋的張拉。從預留的預應力孔內張拉無粘結預應力鋼筋，并用錨具將預應力鋼筋錨固好，預應力鋼筋張拉力應適中，使得預應力鋼筋既能夠具有良好的自復位性能，又能始終處于彈性階段，不進入塑性階段，以防止剛度減少或產生殘余變形，甚至是鋼絞線發(fā)生斷裂。若采用現澆施工，其體系的要點仍然為耗能組件與彈性復位組件的明確劃分。其實現方法的特征在于，具體步驟如下(1)澆筑與基礎有效連接的橋臺，橋臺預埋耗能組件、預應力組件和預埋件，澆筑好的橋臺需要保證有效錨固預埋的耗能組件、預應力組件，長度足夠的預應力組件和耗能組件外伸出橋臺；橋臺內可以預埋鋼板，起到支撐、分壓的作用，以防止后張拉預應力鋼筋在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土；(2)在橋臺上搭設墩柱澆筑模板，保證耗能組件的有效伸入以及預應力構件的正確位置，并且做好現澆墩柱與橋臺的有效隔離(如可以鋪設薄塑料膜等)，保證澆筑好的墩柱實現類似于預制施工方式的結構體系；(3)在模板中澆筑混凝土，澆筑好后無粘結預應力組件需要從澆筑的墩柱頂部伸出，以供后續(xù)張拉作業(yè)；(4)墩柱澆筑好后，等混凝土強度滿足設計要求，張拉無粘結預應力鋼筋，并用錨具將預應力鋼筋錨固好，預應力鋼筋初張拉力不宜過小，否則起不到自復位的作用，也不應過大，以使得預應力鋼筋在受力過程中一直保持彈性性能，故初張拉力為極限拉力的30% 至50%之間；(5)通過無粘結預應力構件在受力過程中始終保持彈性的特征，實現墩柱節(jié)點殘余變形控制，保證自復位或者自恢復的功能；(7)通過連接橋墩和橋臺的耗能鋼筋組件實現墩柱結構穩(wěn)定的耗能能力。本發(fā)明耗能組件可以采用常規(guī)的熱軋鋼筋，可根據具體需求選用HPB235、HRB335、 HRB400三個不同等級；本發(fā)明彈性復位組件可以采用無粘結預應力鋼筋或者高強鋼絞線， 強度等級在1320-1860N/mm2之間，直徑在8. 6-15. 2mm之間；鋼板采用Q235或以上等級的常規(guī)鋼材，所有型鋼焊縫均為雙面焊縫；本發(fā)明張拉方法采用后張法，用專用油脂涂在預應力鋼筋表面制成無粘結預應力鋼絞線；本發(fā)明灌漿材料可采用高強度自流平灌漿料或其他易流動且密實的砂漿材料。本發(fā)明突破傳統橋墩設計思路，能夠使得橋梁墩柱節(jié)點具有良好的自復位性能以及穩(wěn)定的耗能能力，以滿足越來越多的對于橋梁震后殘余變形的要求。本發(fā)明可以采用預制構件施工或者現澆施工。預制構件施工只需現場作業(yè)拼裝， 施工清晰、簡便、快速。本發(fā)明設計靈活，結構受力明確，通過預設的內置耗能組件完成耗能，通過預設彈性復位組件完成殘余變形控制，實現自復位；同時保證橋墩具有足夠的強度和剛度，是一種先進實用的新型橋梁墩柱體系。
權利要求
1.一種內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述自復位墩柱結構體系是一種由橋梁墩柱(1)、橋臺O)、內置耗能鋼筋(3)、具有彈性復位作用的無粘結預應力鋼筋以及預埋件( 組成，具有能夠有效減小殘余變形并保證足夠耗能能力的橋梁墩柱結構體系，橋墩(1)與橋臺(2)靠內置耗能鋼筋(3)、無粘結預應力鋼筋(4)連接；預制橋臺施工時，預留無粘結預應力鋼筋孔洞，并同時預埋耗能鋼筋(3)以及鋼板預埋件(5)； 為保證耗能鋼筋(3)在受力時不被拔出，耗能鋼筋(3)在橋臺內有足夠的錨固，即足夠的埋入長度或者90°彎鉤的錨固方式，以固定鋼筋，防止脫離；預應力鋼筋孔應與上端墩柱的預應力鋼筋孔嚴格對齊，以保證預應力鋼筋(4)沿墩柱孔及橋臺孔順利穿過并有效張拉， 沒有彎折。
2.根據權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述橋臺為中空倒凹字型的預制混凝土結構或者現澆結構。
3.根據權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述預埋件(5)為上方鋼板(7)和下方鋼板(9)之間由四根角鋼(8)以正方形焊接組成，上方鋼板(7)置于橋臺(2)頂面，與橋墩(1)接觸，橋臺內預埋件(5)下方鋼板(9)置于橋臺內倒凹字型的凹槽臺階上，與四根角鋼(8) —起起到支撐、分壓的作用，以防止無粘結預應力鋼筋(4)在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土。
4.根據權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述預制橋墩的中部預留砂漿出口(3. 1)，橋墩⑴的下部預留砂漿入口(3.2)；并且墩柱內按照受力配以相應的縱筋及箍筋(6)，但不與橋臺( 相連。
5.根據權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述無粘結預應力鋼筋(4)為四根，穿過預埋件(5)中央的四個預應力鋼筋孔洞，直至橋墩(1) 頂部外，無粘結預應力鋼筋的下端與下方鋼板(9)焊接固定。
6.根據權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系，其特征在于，所述耗能鋼筋(3)穿過預埋件(5)的上方鋼板(7)的四個耗能鋼筋孔，插入橋墩(1)的1/3至 1/2，并被砂漿固定。
7.—種權利要求1所述內置耗能組件的自復位橋梁墩柱結構體系的實現方法，其特征在于，具體步驟如下(1)橋梁墩柱采用現澆或者預制方式施工；若采用常規(guī)的預制混凝土結構形式，預留有無粘結預應力鋼筋孔及耗能鋼筋孔，墩柱內按照受力配以相應的縱筋及箍筋，但不與橋臺相連；(2)橋臺可采用現澆或者預制方式施工，若采用常規(guī)的預制混凝土結構形式，并將耗能鋼筋預埋其中，橋臺內預留有無粘結預應力鋼筋孔；(3)橋臺內預埋鋼板，起到支撐、分壓的作用，以防止后張拉預應力鋼筋在錨固端部產生過大的局部壓力而壓潰混凝土；(4)將橋臺預埋的耗能鋼筋插入橋墩截面邊緣處預留的耗能鋼筋孔后，實現了橋墩與橋臺的連通，并在耗能鋼筋孔的縫隙處灌以砂漿，將孔洞填滿、密實；(5)體系拼裝完成后，在橋墩和橋臺上，從預留的預應力孔內張拉無粘結預應力鋼筋， 并用錨具將預應力鋼筋錨固好，預應力鋼筋初張拉力不宜過小，否則起不到自復位的作用， 也不應過大，以使得預應力鋼筋在受力過程中一直保持彈性性能，故初張拉力為極限拉力的30%至50%之間；(6)通過無粘結預應力在受力過程中始終保持彈性的特征，實現墩柱節(jié)點的自恢復功能；(7)通過預設的內置耗能鋼筋連接橋墩和橋臺的耗能鋼筋，實現橋梁墩柱結構穩(wěn)定的耗能能力。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于橋梁工程領域的一種內置耗能組件的自復位墩柱結構體系及實現方法。該自復位墩柱結構體系是一種由橋梁墩柱、橋臺、耗能鋼筋、具有彈性復位作用的無粘結預應力鋼筋以及預埋件組成，具有能夠有效減小殘余變形并保證足夠耗能能力的新型橋梁墩柱結構體系，橋墩與橋臺靠耗能鋼筋、無粘結預應力鋼筋連接。本發(fā)明與傳統墩柱節(jié)點相比，其無粘結預應力鋼筋位于墩柱軸心位置，可以產生自復位的恢復力，能夠很好的解決傳統橋墩在地震荷載作用后具有較大殘余變形，無法繼續(xù)服役的問題。設計靈活，結構受力明確，并保證了橋墩具有足夠的強度和剛度，可采用預制或者現澆等方法實現，施工簡便，是一種先進實用的新型橋梁墩柱體系。
文檔編號E01D21/00GK102409606SQ20111021548
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權日2011年7月29日
發(fā)明者何銘華, 辛克貴, 郭佳 申請人:清華大學