一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系及施工方法技术

一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系及施工方法，属桥梁工程领域，主要由承台、中墩、边墩、预制盖梁等组成。所有桥墩均采用不锈钢管混凝土，工厂预制完成，且钢管两端设置抗拔环，截面中间布置无粘结预应力筋。中墩截面尺寸大于左右两侧的边墩，施工完毕后中墩与承台、盖梁交界部位钢管沿环向截断。边墩上下两端缠绕环向CFRP(碳纤维布)。该结构体系利用预制结构的施工优势，在正常使用状态下耐久性风险低。强震下，中墩转化为摇摆‑自复位体系，延长结构自振周期，本身不发生损伤破坏，且提供多柱墩体系的轴向承载力。边墩在强震下类似于钢管混凝土，可提供侧向强度、刚度和耗能能力，但承受的轴力很小，不发生倒塌破坏。

A Multi-Column Pier System with High Durability and Earthquake Collapse Resistance and Its Construction Method

A multi-column pier system with high durability and anti-seismic collapse and its construction method belong to the field of bridge engineering, mainly composed of caps, middle piers, side piers, prefabricated cap beams, etc. All piers are made of stainless steel pipe concrete, which is prefabricated by the factory. Pull-out rings are set at both ends of the steel pipe and unbonded prestressing tendons are arranged in the middle of the section. The section size of the middle pier is larger than that of the side piers on both sides. After construction, the steel pipe at the junction of the middle pier, the cap and the cap beam is truncated along the circumferential direction. Ring CFRP (carbon fiber sheet) is wound at both ends of side pier. The structure system takes advantage of the construction advantages of prefabricated structure and has low durability risk under normal service conditions. Under strong earthquakes, the middle pier is transformed into a swaying and self-resetting system, which prolongs the natural vibration period of the structure, does not damage itself, and provides the axial bearing capacity of the multi-column pier system. Side pier is similar to concrete filled steel tube under strong earthquake, which can provide lateral strength, stiffness and energy dissipation capacity, but it bears little axial force and does not collapse.

【技术实现步骤摘要】
一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系及施工方法
本专利技术涉及新型桥梁多柱墩，特别涉及采用预制拼装结构和高耐久性、抗地震倒塌设计的桥梁多柱墩体系。
技术介绍
多柱墩在我国城市大型桥梁工程建设中应用广泛。目前的桥梁多柱墩抗震设计以延性抗震设计为依据，强震下桥墩中形成塑性铰以消耗地震能量。但延性抗震设计首先会造成桥墩的严重损伤破坏和较大的震后残余位移，不利于桥墩的震后修复；且延性抗震设计的桥墩在强震下仍存在较大的倒塌破坏风险。利用预制拼装结构的施工优势，将桥梁的大部分部件工厂预制，现场拼装完成，可大大加快施工进度，并有效提高构件的施工质量。在预制拼装结构的基础上，放松桥墩与下部承台、上部盖梁间的连结，形成摇摆-自复位结构，可大大减轻上部结构承受的地震力，并利用特殊的构造措施避免摇摆-自复位结构在强震下的损伤破坏，有利于多柱墩的震后功能快速恢复。但应当注意到，预制拼装结构目前存在几个问题，其一是预制拼装结构在等同现浇和摇摆-自复位体系间的抉择。因等同现浇体系受力机理类似于整体现浇形式，工程技术人员对其在施工及使用过程中安全性更有把握，但等同现浇体系难以实现结构的地震损伤控制设计，震后不易修复。而摇摆-自复位结构体系虽易实现多柱墩的地震损伤控制设计，但目前工程技术人员对其施工及使用过程中的安全性信心不足。第二个关键问题是预制拼装结构体系的耐久性很值得关注，因体系中采用了预应力筋，且摇摆-自复位体系由于人为设置了摇摆接缝，外界侵蚀性介质易侵入结构中，更对结构的耐久性不利。综合上述背景，现有的多柱墩抗震设计面临较大困难。因此，提出一种既有很好的耐久性，又具有良好抗地震倒塌能力的多柱墩体系；既利用目前国家大力推广的预制拼装结构体系施工快、节约劳动力的优点，又顺应结构抗震向地震损伤控制设计和震后功能恢复方向发展的趋势，成为桥梁工程设计人员面临的重大挑战。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术问题，提出一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系及施工方法，由承台、左边墩、右边墩、中墩、预制盖梁、无粘结预应力筋、自密实微膨胀高强混凝土、抗拔环、环形钢板、栓钉、不锈钢管、截断环、环向CFRP(碳纤维布)、剪力键组成。具体操作上，将多柱墩体系的左、右墩设置为等同现浇的预制装配式结构，通过采用承插式连结、环形钢板、栓钉，抗拔环等一系列的构造措施增强左、右墩与承台、盖梁的连结，且保证其良好的抗侧向强度、刚度和耗能能力。利用中墩在强震前和强震后的体系转换，既保证了中墩在正常服役时的耐久性，又保证了其在强震下发生摇摆-自复位反应，可显著减轻中墩的地震损伤破坏，并依靠中墩提高结构的竖向刚度、强度和抗地震倒塌能力。上述高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系及施工方法将保证桥梁具有良好的耐久性和抗地震倒塌能力，且施工方便，便于安装，震后可修复性良好。上述技术措施将在城市大型桥梁建设中具有广泛应用前景。为达到以上目的，可通过以下技术方案实现：一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系，主要由承台(1)、左边墩(2-1)、右边墩(2-2)、中墩(3)、预制盖梁(4)、无粘结预应力筋(5)、自密实微膨胀高强混凝土(6)、抗拔环(7)、环形钢板(8)、栓钉(9)、不锈钢管(10)、截断环(11)、环向CFRP(12)、剪力键(13)、预留插槽(14)组成。在承台(1)上部左右两侧分别设置左边墩(2-1)和右边墩(2-2)，中间设置中墩(3)，墩顶设置预制盖梁(4)。中墩(3)的截面尺寸较左边墩(2-1)和右边墩(2-2)明显偏大，左边墩(2-1)和右边墩(2-2)截面尺寸相等。左边墩(2-1)、右边墩(2-2)和中墩(3)均外套不锈钢管(10)，内填自密实微膨胀高强混凝土(6)，不锈钢管(10)两端焊接环形的抗拔环(7)。所有桥墩内部均不设置纵筋和箍筋，左边墩(2-1)和右边墩(2-2)的上下两端外包环向CFRP(12)。中墩(3)上下两端与预制盖梁(4)、承台(1)交界部位设置截断环(11)，截断环(11)将不锈钢管(10)截断形成截断环(11)，截断环(11)的高度为20-40mm。所有桥墩截面中心均设置无粘结预应力筋(5)，无粘结预应力筋(5)上下分别锚固于墩顶和墩底位置，且锚固端深入不锈钢管(10)内部。所有桥墩均工厂预制，墩底与承台(1)、墩顶与预制盖梁(4)采用承插式连结。承台(1)和预制盖梁(4)施工过程中设置预留插槽(14)，待桥墩插入后在预留插槽(14)中浇筑自密实微膨胀高强混凝土(6)。预留插槽(14)为圆柱形空腔体，周围设置环形钢板(8)，钢板上焊接栓钉(9)。剪力键(13)由方钢管制成，埋置于中墩(3)上下两端与预制盖梁(4)、承台(1)交界部位截面中间。中墩(3)的截面尺寸是左边墩(2-1)和右边墩(2-2)截面面积的2-3倍。自密实微膨胀高强混凝土(6)的强度等级在C40-C60之间，塌落扩展度在600mm-700mm之间，膨胀率在2×10-4-6×10-4范围内。一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系的施工方法，包括如下施工步骤：步骤一，承台(1)现场施工，同时左边墩(2-1)、右边墩(2-2)、中墩(3)、预制盖梁(4)工厂预制完成。承台(1)和预制盖梁(4)施工过程中，环形钢板(8)可作为预留插槽(14)的施工模板。步骤二，左边墩(2-1)、右边墩(2-2)、中墩(3)的不锈钢管(10)两端均焊接抗拔环(7)，然后采用自密实微膨胀高强混凝土(6)填充各桥墩两侧锚固端至抗拔环(7)间的空隙。步骤三，所有桥墩底部插入承台(1)、顶部插入预制盖梁(4)的预留插槽(14)中，并在桥墩与承台(1)间、桥墩与预制盖梁(4)间浇筑自密实微膨胀高强混凝土(6)。步骤四，采用现场切割将中墩(3)的不锈钢管(10)上下两端截断，通过在不锈钢管(10)与承台(1)、预制盖梁(4)连结部位切割高20-40mm的截断环(11)完成。步骤五，将左边墩(2-1)、右边墩(2-2)上下两端缠绕环向CFRP(12)。采用上述技术方案的本专利技术：1.强震下，由于混凝土抗拉强度低，中墩的受力体系转变为摇摆-自复位体系，延长了结构自振周期，减轻了结构承受的地震力和损伤破坏。且中墩由于截面大，竖向刚度大，将承受体系绝大部分的重力荷载，极大增加体系的抗倒塌能力。2.中墩上下两端的不锈钢管被截断环截断，在正常使用状态下，混凝土可作为内部无粘结预应力筋的保护层，提高无粘结预应力筋的耐久性。该体系无粘结预应力筋的锚固端埋置于底部承台和顶部的预制盖梁中，可避免外界侵蚀性介质的影响，且所有桥墩均外套不锈钢管。上述措施使体系耐久性大大提高。3.中墩的不锈钢管，由于两端截断成为套管结构，仅在环向约束混凝土，不承受竖向应力，可保证中墩的混凝土很大的侧向变形下不发生压碎破坏。左、右边墩的不锈钢管一方面在横向约束核心混凝土不发生压碎破坏，另一方面提供体系侧向刚度、强度和耗能能力，且由于两侧外包环向CFRP(碳纤维布)，强震下钢管不发生屈曲破坏，提高了体系的变形能力和耗能能力。4.该体系所有桥墩均外包不锈钢管，施工时不锈钢管可作为内部混凝土浇筑的模板，避免了支模等施工过程。另外，该体系除承台外，其余部件均可工厂预制，现场仅需拼装和浇筑少量的混凝土，可大大加快施工进度，减轻施工过程对周围环境的影响。5.该体系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系，其特征在于，包括承台(1)、左边墩(2‑1)、右边墩(2‑2)、中墩(3)、预制盖梁(4)、无粘结预应力筋(5)、自密实微膨胀高强混凝土(6)、抗拔环(7)、环形钢板(8)、栓钉(9)、不锈钢管(10)、截断环(11)、环向CFRP(12)、剪力键(13)、预留插槽(14)；在承台(1)上部左右两侧分别设置左边墩(2‑1)和右边墩(2‑2)，中间设置中墩(3)，墩顶设置预制盖梁(4)；中墩(3)的截面尺寸较左边墩(2‑1)和右边墩(2‑2)大，左边墩(2‑1)和右边墩(2‑2)截面尺寸相等；左边墩(2‑1)、右边墩(2‑2)和中墩(3)均外套不锈钢管(10)，内填自密实微膨胀高强混凝土(6)，不锈钢管(10)两端焊接环形的抗拔环(7)；所有桥墩内部均不设置纵筋和箍筋，左边墩(2‑1)和右边墩(2‑2)的上下两端外包环向CFRP(12)；中墩(3)上下两端与预制盖梁(4)、承台(1)交界部位设置截断环(11)，将不锈钢管(10)截断形成截断环(11)，截断环(11)的高度为20‑40mm；所有桥墩截面中心均设置无粘结预应力筋(5)，无粘结预应力筋(5)上下分别锚固于墩顶和墩底位置，且锚固端深入不锈钢管(10)内部；所有桥墩均工厂预制，墩底与承台(1)、墩顶与预制盖梁(4)采用承插式连结；承台(1)和预制盖梁(4)施工过程中设置预留插槽(14)，待桥墩插入后在预留插槽(14)中浇筑自密实微膨胀高强混凝土(6)；预留插槽(14)为圆柱形空腔体，周围设置环形钢板(8)，钢板上焊接栓钉(9)；剪力键(13)由方钢管制成，埋置于中墩(3)上下两端与预制盖梁(4)、承台(1)交界部位截面中间。...

【技术特征摘要】
1.一种高耐久性抗地震倒塌的多柱墩体系，其特征在于，包括承台(1)、左边墩(2-1)、右边墩(2-2)、中墩(3)、预制盖梁(4)、无粘结预应力筋(5)、自密实微膨胀高强混凝土(6)、抗拔环(7)、环形钢板(8)、栓钉(9)、不锈钢管(10)、截断环(11)、环向CFRP(12)、剪力键(13)、预留插槽(14)；在承台(1)上部左右两侧分别设置左边墩(2-1)和右边墩(2-2)，中间设置中墩(3)，墩顶设置预制盖梁(4)；中墩(3)的截面尺寸较左边墩(2-1)和右边墩(2-2)大，左边墩(2-1)和右边墩(2-2)截面尺寸相等；左边墩(2-1)、右边墩(2-2)和中墩(3)均外套不锈钢管(10)，内填自密实微膨胀高强混凝土(6)，不锈钢管(10)两端焊接环形的抗拔环(7)；所有桥墩内部均不设置纵筋和箍筋，左边墩(2-1)和右边墩(2-2)的上下两端外包环向CFRP(12)；中墩(3)上下两端与预制盖梁(4)、承台(1)交界部位设置截断环(11)，将不锈钢管(10)截断形成截断环(11)，截断环(11)的高度为20-40mm；所有桥墩截面中心均设置无粘结预应力筋(5)，无粘结预应力筋(5)上下分别锚固于墩顶和墩底位置，且锚固端深入不锈钢管(10)内部；所有桥墩均工厂预制，墩底与承台(1)、墩顶与预制盖梁(4)采用承插式连结；承台(1)和预制盖梁(4)施工过程中设置预留插槽(14)，待桥墩插入后在预留插槽(14)中浇筑自密实微膨胀高强混凝土(6)；预留插槽(14)为圆柱形空腔体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙治国，张振涛，管璐，何福，刘瑜丽，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：北京,11