基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺制造技术

本发明专利技术公开了基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺，桥梁复合墩柱结构包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内。

【技术实现步骤摘要】
基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺
本专利技术涉及基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺。
技术介绍
这里的陈述仅提供与本专利技术有关的背景信息，而不必然构成现有技术。桥梁墩柱多采用钢筋混凝土结构的形式，主要由普通混凝土和钢筋组成。在地震荷载作用下，混凝土墩柱受拉纵筋屈服后，其柱截面会产生一定转角，形成一段塑性铰区域。塑性铰的形成能吸收部分地震能量，降低震害。工程上一般通过在桥梁墩柱塑性铰区采用高强混凝土、高强箍筋以及进行箍筋加密等方式来提高混凝土结构的抗震性能。但实践证明，通过提高混凝土强度，加密、改进箍筋来改善混凝土结构的延性和抗震性能是有限的。一方面，混凝土虽然具有抗压强度高、刚度大的特点，但也存在着易开裂、脆性大的缺点。在地震荷载作用下，桥梁墩柱受拉区的普通混凝土容易发生开裂，且裂缝数量较少，不能有效吸收地震能量，最后结构不可避免地沿一条主裂缝发生脆性破坏，结构的承载能力、变形能力和耐久性都较低。同时，过密的箍筋、复杂的箍筋形式，也会影响现场施工时混凝土的浇筑成型质量。为提高混凝土结构的抗震性能，当前工程人员尝试在混凝土中掺入适量纤维，以改善混凝土材料的延性。ECC(EngineeredCementitiousComposites)纤维增强水泥基复合材料便是其中一种合适的抗震材料，它以水泥砂浆或者混凝土为基体，通过添加纤维，使得材料在开裂时，裂缝发展能够得到有效的延缓和发散，极大地提高了结构的变形能力、抗裂能力、吸能能力和耐久性。通常，纤维混凝土(包括ECC)中的纤维呈现出乱序分布。因此，当混凝土结构的受力方向为多向时，采用这种乱序纤维混凝土能延缓结构的各向开裂。但从实际工程应用效果来看，一方面，混凝土柱的裂缝往往是沿水平向开裂的，因而当纤维混凝土中的纤维与裂缝开裂方向不正交，特别是相平行时，其抗裂性能将大打折扣。反映出乱序纤维混凝土的性能未能得到完全发挥，存在改进的空间。另一方面，纤维混凝土应用在桥梁墩柱抗震结构中时，其墩柱结构主要依靠纤维混凝土的分散开裂变形和钢筋屈服的塑性变形来吸收地震能。由此可知，纤维混凝土墩柱结构的正常工作阶段是在弹性阶段，而弹性工作阶段是无法有效消耗地震能的。一旦产生有地震荷载，该种纤维混凝土墩柱结构只能通过进入塑性阶段去吸收地震能，而结构的这种塑性变形往往是较大的，这使得桥梁墩柱在小震后裂缝数量较多，影响长期耐久性，在中震后变形过大无法继续有效工作，需要专门修复，成本高。此外，在现场施工方面，桥梁墩柱往往需要较大的场地绑扎钢筋、放置材料和模板，且在浇筑混凝土时，需要人工多次振实以保证浇筑结构的密实成型，尤其是在桥梁墩柱的塑性铰区等关键部位。然而，由于绑扎有大量钢筋，这些关键部位往往会浇筑欠密实。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的一方面是提供基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，不仅能够大幅度提高了桥梁墩柱结构的开裂能力和抗震吸能能力，还能使桥梁墩柱在弹性阶段也能有效耗散地震能量，并且在震后有一定的自修复能力。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋(235/370级)或Ⅱ级钢筋(335/510级)，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋(370/570)或Ⅳ级钢筋(540/835)。首先，本专利技术采用定向纤维增强水泥基复合材料使纤维的分布方向正交于混凝土柱开裂的方向，进而增加在外荷载作用下，桥梁墩柱受弯拉开裂时承受拉力的纤维根数。而受拉纤维根数的增多，有利于进一步分散荷载，并在桥梁墩柱的纤维增强水泥基复合材料塑性铰区形成大量等间距的细裂缝，提高结构的开裂能力和抗震吸能能力。其次，本专利技术通过设置“低屈服点钢筋+高强钢筋”的复合配筋模式，使得桥梁墩柱结构在承受小震时，两种不同屈服点的钢筋均在弹性工作范围内，震后无需修复；桥梁墩柱结构在承受中震时，屈服点低的钢筋先进入塑性屈服状态，吸收部分地震能量。而高强钢筋仍处于弹性工作阶段，承担大部分地震荷载，并为震后结构提供一个恢复力，使结构经过加固或者无需加固即可重新使用，降低了维修费用；桥梁墩柱结构在承受大震时，两种屈服点不同的钢筋均进入屈服状态，可有效吸收地震能量，减小震害。本专利技术的第二方面是提供一种预制上述桥梁复合墩柱结构的施工工艺，将若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎形成铰区钢筋骨架，在钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料进行纤维定向化，并将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，养护成型后装配即可。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术将纤维增强水泥基复合材料中的乱序纤维定向化，大幅提高纤维的有效利用率。2)本专利技术将定向纤维增强水泥基复合材料应用在桥梁墩柱塑性铰区，在外荷载作用下，当复合材料受拉开裂时，大量与拉力方向一致的纤维将有效分散荷载，并在该处塑性铰区形成大量细密的裂缝，进一步吸收荷载能量，减小桥梁墩柱损害。3)本专利技术通过在桥梁墩柱内设置“低屈服点钢筋+高强钢筋”的复合配筋形式，可使墩柱结构在不同地震强度下进入不同工作阶段，有效减轻地震灾害。在小震下，桥梁墩柱处于弹性工作阶段，震后无需修复；中震下，桥梁墩柱中的低屈服点钢筋进入屈服状态，吸收部分荷载能量，而高强钢筋仍处于弹性工作阶段，继续承受大部分荷载，并为墩柱结构提供一个震后恢复力，减少修复费用；大震下，两种钢筋均进入屈服状态，有效吸收地震荷载能量，减小震害。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为实施例中采用ECC定向机的结构示意图；图2为桥梁复合墩柱结构的装配示意图；图3为灌浆示意图；图4为定向纤维增强水泥基复合材料的桥梁复合墩柱结构示意图；图5为图4中1-1向视图；图6为图4中2-2向视图；图7为低周反复水平荷载作用试验下的加载装置图；其中，1、混凝土墩柱底座，2、混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，3、混凝土墩柱，4、铰区钢筋骨架，5、钢筋连接组件，6、接头钢筋，7、灌浆套筒。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。为了解决桥梁墩柱受拉区的结构的承本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，其特征是，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋或Ⅱ级钢筋，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋或Ⅳ级钢筋。

【技术特征摘要】
1.基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，其特征是，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋或Ⅱ级钢筋，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋或Ⅳ级钢筋。2.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，包括混凝土墩柱底座，混凝土墩柱底座埋设钢筋连接组件，钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的铰区钢筋骨架连接。3.如权利要求2所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的钢筋骨架通过灌浆套管连接。4.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，混凝土墩柱底座内设有底座钢筋骨架。5.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，墩柱塑性铰区内的高强钢筋围成的钢筋骨架的截面与墩柱塑性铰区的截面相似，墩柱塑性铰区内的低屈服点钢筋位于钢筋骨架的截面的边上。6.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，高强钢筋为4根Φ12的3级钢筋，低屈服点钢筋为4根Φ8的1级钢筋。7.如权利要求1所示的桥梁复合墩柱结构，其特征是，所述定向纤维增强水泥基复合材料中的原料以质量份数计，水330～340份，水泥590～...

【专利技术属性】
技术研发人员：管延华，吴佳杰，孙仁娟，葛智，王怡凯，王国刚，李洪印，夏培斋，王茂新，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37