CN107386098B - 屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩及与承台连接结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩，包括由两块相同的冷弯成型的半圆形钢、两块平钢板采用对接焊缝焊接组成的圆端形钢管；其底部焊接有端板，端板沿横桥向两端各留1个锚栓孔；圆端形钢管内侧填充有混凝土，其下部设钢套箍，钢套箍与圆端形钢管之间添加Teflon涂层，可避免套箍受竖向轴力。钢套箍与承台上表面之间设有橡胶垫层，防止钢套箍由于挤压过早屈曲。桥墩与承台连接采用灌浆金属波纹套筒埋入式连接方法，桥墩与承台可满足工厂预制，现场装配，快速施工。本发明抗震性能好、横向刚度大，钢套箍可有效抑制底部钢管鼓曲，提高桥墩延性，且施工便捷，现场工作量和湿作业少，易修复，可应用于重大桥梁工程的桥墩结构使用。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，尤其是涉及一种圆端形钢管混凝土桥墩。
背景技术
随着我国交通事业的发展，高速铁路、公路、跨海大桥等大量涌现。为保证桥梁结构的安全性，桥墩作为重要的承重构件，需具有较好的抗震性能。传统桥墩多采用钢筋混凝土桥墩，其承载力及延性较差，在强震作用下易发生破坏，修复困难。
近年来，钢管混凝土桥墩由于其良好的抗震性能及便捷的施工被应用于桥梁结构中。且由于桥梁横桥向刚度与顺桥向刚度差异大，在市政桥梁工程中，常将桥墩设计成圆端形截面以提高桥墩的横桥向刚度。因此圆端形钢管混凝土桥墩由于其横向刚度大，抗震性能好，在桥梁工程中有很好的应用前景。
国内外大量学者研究表明，钢管混凝土桥墩在地震作用时，墩底剪力和弯矩较大，其破坏模态为墩底钢管出现局部鼓曲，后鼓曲范围逐渐扩大，沿环向发展，最终由于混凝土压碎、钢管撕裂发生破坏。
目前，钢管混凝土桥墩与承台连接方式一般采用承压板连接和埋入式连接两种构造方法。其中承压板连接是指在钢管底端焊接端板，端板通过锚栓及锚固钢筋与承台连接，施工过程较为繁琐。埋入式连接是指钢管底端焊接端板，钢管下部与端板埋入承台内锚固，施工中多采用现浇式承台。为缩短桥梁施工工期，尽快开放交通，亟需提出一种可实现预制拼装的桥墩-承台连接方法，满足桥梁快速施工的需求。
可见，设计一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩，及研究一种可实现快速施工的该桥墩与承台连接方法是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩及与承台的连接结构和快速施工方法。所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩其目的在于克服钢筋混凝土桥墩承载力低、延性差的缺点，充分利用钢管混凝土结构抗震性能好的优势，满足桥墩横桥向与顺桥向抗弯刚度差异大的需求，并通过底部加钢套箍以抑制桥墩底部钢管的屈曲，提高圆端形钢管混凝土桥墩延性，避免强震作用下桥墩结构的破坏。所述桥墩与承台连接快速施工方法为灌浆金属波纹套筒埋入式连接，其目的在于提出一种可应用于预制桥墩、预制承台连接锚固的施工方法，满足桥梁快速施工的需求。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩，包括圆端形钢管,所述圆端形钢管由两块相同的冷弯成型的半圆形钢、两块平钢板采用对接焊缝焊接组成；所述圆端形钢管的底部焊接有端板，所述端板与所述圆端形钢管之间采用角焊缝焊接；所述端板沿横桥向两端各留1个锚栓孔，所述圆端形钢管内侧填充有混凝土。
所述圆端形钢管的下部自内向外依次设有Teflon涂层和钢套箍，所述钢套箍的底部设有橡胶垫层。
所述钢套箍由两块卡箍抱合而成，两块卡箍之间用高强螺栓紧固。
本发明屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构，承台是钢筋混凝土承台，所述钢筋混凝土承台的中央位置处设有用于埋置屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的槽，所述槽的深度为桥墩埋置深度，所述槽的侧壁由与钢筋混凝土承台嵌固的金属波纹套筒构成，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩通过预埋螺栓与所述钢筋混凝土承台临时固定；所述金属波纹套筒的水平投影的内轮廓与所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓是相似性，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓小于所述金属波纹套筒的水平投影的内轮廓，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与所述金属波纹套筒之间填充有纤维增强水泥。
所述橡胶垫层嵌在所述钢套箍的底面与所述纤维增强水泥的上平面之间。
本发明屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、圆端形钢管工厂预制：按照设计尺寸制作端板，在端板上沿桥墩横桥向两侧各设有1个锚栓孔；按照设计尺寸加工两块平钢板和两块形状相同冷弯成型的半圆形钢，将两块平钢板和两块半圆形钢采用对接焊缝焊接，并在底部采用角焊缝焊接上端板，从而构成屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分；
步骤二、钢筋混凝土承台工厂预制：按照钢筋混凝土承台的设计尺寸绑扎钢筋笼，在钢筋混凝土承台浇筑前，于桥墩埋置位置处设置金属波纹套筒为桥墩预留埋置空间，所述金属波纹套筒的截面尺寸大于桥墩底部的端板尺寸，所述金属波纹套筒的高度为桥墩埋置深度；并于与端板上锚栓孔对齐的位置处设置预埋锚栓；浇筑混凝土，得到预制钢筋混凝土承台；
步骤三、在施工现场，按照设计位置安装步骤二预制的钢筋混凝土承台，将步骤一制得的屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分，按照端板朝下竖立在钢筋混凝土承台内的金属波纹套筒中，且预埋锚栓与端板上的锚栓孔对齐，通过锚栓连接件将屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分与钢筋混凝土承台连接，使圆端形钢管于桥墩指定位置处临时固定；然后，向圆端形钢管内浇筑混凝土，从而构成了屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩；所述金属波纹套筒与屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩之间的空隙采用纤维增强水泥填充；
步骤四、待纤维增强水泥达到强度后，于圆端形钢管底部塑性铰区域涂覆Teflon涂层，在纤维增强水泥上平面上沿墩底四周粘结橡胶垫层，在所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的底部塑性铰区域、且位于橡胶垫层的上方安装钢套箍，并用高强螺栓紧固。
进一步讲，步骤一中，平钢板和半圆形钢的材质相同，并选用普通低碳钢、耐候钢和屈服强度在550MP以上的高强钢和不锈钢中的任何一种。
步骤三中，向圆端形钢管内浇筑的混凝土选自于普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土和橡胶混凝土中的任何一种。
步骤四中，所述钢套箍由两半圆端形钢板抱合组成，两半圆端形钢板沿圆端形钢管的长轴对称，其内径大于所述圆端形钢管的外径，高度等于Teflon涂层的涂覆高度，两半圆端形钢板通过高强螺栓于桥墩横桥向两端连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.充分利用钢材与混凝土材料的性能，圆端形钢管对混凝土起约束作用，可以提高混凝土抗压强度及延性。而混凝土材料可抑制钢管向内部屈曲。
2.地震作用下，圆端形钢管混凝土底部钢管易出现向外的局部鼓曲，混凝土开裂，鼓曲处由于疲劳易出现钢管的断裂，导致桥墩破坏。本发明增加底部钢套箍可有效抑制钢管向外局部鼓曲，提高桥墩延性，防止桥墩破坏引起的桥梁倒塌。
3.现有桥墩形式震后修复困难，本发明若在强震作用下桥墩底部钢套箍发生严重变形，可直接卸载钢套箍更换新的钢套箍，使震后修复更加便捷。
本发明该桥墩与承台连接的快速施工方法，与现有桥墩施工方法相比，施工简便，现场工作量和湿作业少，可实现预制桥墩、承台的连接，且连接节点具有较好的抗震性能。施工过程中无需支模，有利于缩短工期，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩及承台俯视图；
图2是本发明中圆端形钢管及端板示意图；
图3是本发明中预制承台示意图；
图4是本发明中圆端形钢管与承台连接结构示意图；
图5是本发明中圆端形钢管混凝土桥墩与承台连接示意图；
图6是本发明屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩构造示意图。
图中：
1-圆端形钢管 2-混凝土 3-钢套箍
4-橡胶垫层 5-端板 6-Teflon涂层
7-承台 8-金属波纹套筒 9-半圆形钢板
10-平钢板 11-锚栓孔 12-预埋锚栓
13-纤维增强水泥 14-高强螺栓 91-焊缝
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩，如图2所示，包括圆端形钢管1,所述圆端形钢管1由两块相同的冷弯成型的半圆形钢9、两块平钢板10采用对接焊缝焊接组成；所述圆端形钢管1的底部焊接有端板5，所述端板5与所述圆端形钢管1之间采用角焊缝焊接；所述端板5沿横桥向两端各留1个锚栓孔11，所述圆端形钢管1内侧填充有混凝土2，如图1和图5所示。所述圆端形钢管1的下部自内向外依次设有Teflon涂层6和钢套箍3，所述钢套箍3的底部设有橡胶垫层4，如图6所示。所述钢套箍3由两块卡箍抱合而成，两块卡箍之间用高强螺栓14紧固，如图1和图6所示.
本发明的屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构，如图1所示，承台是钢筋混凝土承台7，如图3所示，所述钢筋混凝土承台7的中央位置处设有用于埋置屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的槽，所述槽的深度为桥墩埋置深度，所述槽的侧壁由与钢筋混凝土承台7嵌固的金属波纹套筒8构成，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩通过预埋螺栓12与所述钢筋混凝土承台7临时固定；如图1所示，所述金属波纹套筒8的水平投影的内轮廓与所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓是相似性，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓小于所述金属波纹套筒8的水平投影的内轮廓，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与所述金属波纹管8之间填充有纤维增强水泥13，如图5和图6所示，所述橡胶垫层4嵌在所述钢套箍3的底面与所述纤维增强水泥13的上平面之间，如图6所示。
本发明中的屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，其中屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与钢筋混凝土承台7采用灌浆波纹套筒埋入式连接，桥墩与承台可满足工厂预制，现场装配，实现快速施工。具体步骤如下：
步骤一、圆端形钢管1工厂预制：按照设计尺寸制作端板5，在端板5上沿桥墩横桥向两侧各设有1个锚栓孔11；按照设计尺寸加工两块平钢板10和两块形状相同冷弯成型的半圆形钢9，将两块平钢板10和两块半圆形钢9采用对接焊缝焊接，图2中示出了焊缝91，并在底部采用角焊缝焊接上端板5，从而构成屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分；平钢板10和半圆形钢9的材质相同，可采用普通低碳钢、耐候钢、也可采用屈服强度在550MP以上的高强钢。若应用于跨江、跨水库、跨海大桥中，亦可采用不锈钢，提高其抗腐蚀能力。
步骤二、钢筋混凝土承台7工厂预制：按照钢筋混凝土承台7的设计尺寸绑扎钢筋笼，在钢筋混凝土承台7浇筑前，于桥墩埋置位置处设置金属波纹套筒8为桥墩预留埋置空间，所述金属波纹套筒8的截面尺寸大于桥墩底部的端板5尺寸，所述金属波纹套筒8的高度为桥墩埋置深度；并于与端板5上锚栓孔11对齐的位置处设置预埋锚栓12；浇筑混凝土，得到预制钢筋混凝土承台5；
步骤三、在施工现场，按照设计位置安装步骤二预制的钢筋混凝土承台7，将步骤一制得的屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分，按照端板5朝下竖立在钢筋混凝土承台7内的金属波纹套筒8中，且预埋锚栓12与端板5上的锚栓孔11对齐，通过锚栓连接件将屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分与钢筋混凝土承台7连接，使圆端形钢管1于桥墩指定位置处临时固定；然后，向圆端形钢管1内浇筑混凝土2，抑制钢管向内屈曲，从而构成了屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩；向圆端形钢管1内浇筑的混凝土2可采用普通混凝土、高强混凝土等，也可采用环保材料如再生混凝土、橡胶混凝土等。所述金属波纹套筒8与屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩之间的空隙采用纤维增强水泥13填充。
步骤四、待纤维增强水泥13达到强度后，于圆端形钢管1底部塑性铰区域涂覆Teflon涂层6，在纤维增强水泥13上平面上沿墩底四周粘结橡胶垫层4，所述橡胶垫层4嵌在所述钢套箍3的底面与所述纤维增强水泥13的上平面之间，从而将钢套箍3与承台上表面隔离开，以保证钢套箍3抑制圆端形钢管1底部向外鼓曲的同时，不传递弯矩和增加系统刚度。同时避免桥墩压弯时，防止底部钢套箍3由于挤压太早变形而丧失抑制屈曲的能力，避免墩底刚度过大对承台提出更高的要求。所述橡胶垫层4不宜过高，避免该处钢管壁向外鼓曲。在所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的底部塑性铰区域、且位于橡胶垫层4的上方安装钢套箍3，抑制底部钢管向外鼓曲；所述钢套箍3由两半圆端形钢板抱合组成，两半圆端形钢板沿圆端形钢管的长轴对称，其内径大于所述圆端形钢管1的外径，高度等于Teflon涂层6的涂覆高度，两半圆端形钢板通过高强螺栓14于桥墩横桥向两端连接。所述钢套箍3可更换，若强震作用导致底部钢套箍变形过大，可卸载原钢套箍更换新的钢套箍，使桥墩震后修复更便捷。
本发明中，所述钢套箍3与圆端形钢管1之间添加Teflon涂层6，所述Teflon涂层6具有高润滑、摩擦系数小的特点，可将钢套箍3与圆端形钢管1之间隔离开，避免钢套箍3承受竖向轴力，仅受横向力，对圆端形钢管1屈曲起抑制作用，使钢套箍3充分发挥对圆端形钢管混凝土桥墩的水平约束力。
本发明中所述桥墩与承台连接采用灌浆金属波纹套筒埋入式连接方法，桥墩与承台可满足工厂预制，现场装配，快速施工。本发明抗震性能好、横向刚度大，钢套箍可有效抑制底部钢管鼓曲，提高桥墩延性，且施工便捷，现场工作量和湿作业少，易修复，可应用于重大桥梁工程的桥墩结构使用
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构，承台是钢筋混凝土承台(7)，屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的结构是：该桥墩包括圆端形钢管(1),所述圆端形钢管(1)由两块相同的冷弯成型的半圆形钢(9)、两块平钢板(10)采用对接焊缝焊接组成；所述圆端形钢管(1)的底部焊接有端板(5)，所述端板(5)与所述圆端形钢管(1)之间采用角焊缝焊接；所述端板(5)沿横桥向两端各留1个锚栓孔(11)，所述圆端形钢管(1)内侧填充有混凝土(2)；所述圆端形钢管(1)的下部塑性铰区域自内向外依次设有Teflon涂层(6)和钢套箍(3)，所述钢套箍(3)的底部设有橡胶垫层(4)；
其特征在于，所述钢筋混凝土承台(7)的中央位置处设有用于埋置所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的槽，所述槽的深度为桥墩埋置深度，所述槽的侧壁由与钢筋混凝土承台(7)嵌固的金属波纹套筒(8)构成，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩通过预埋锚栓(12)与所述钢筋混凝土承台(7)临时固定；所述金属波纹套筒(8)的水平投影的内轮廓与所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓是相似性，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的水平投影的外轮廓小于所述金属波纹套筒(8)的水平投影的内轮廓，所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与所述金属波纹套筒(8)之间填充有纤维增强水泥(13)。
2.根据权利要求1所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构，其特征在于，所述橡胶垫层(4)嵌在所述钢套箍(3)的底面与所述纤维增强水泥(13)的上平面之间。
3.根据权利要求1或2所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、圆端形钢管(1)工厂预制：按照设计尺寸制作端板(5)，在端板(5)上沿桥墩横桥向两侧各设有1个锚栓孔(11)；按照设计尺寸加工两块平钢板(10)和两块形状相同冷弯成型的半圆形钢(9)，将两块平钢板(10)和两块半圆形钢(9)采用对接焊缝焊接，并在底部采用角焊缝焊接上端板(5)，从而构成屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分；
步骤二、钢筋混凝土承台(7)工厂预制：按照钢筋混凝土承台(7)的设计尺寸绑扎钢筋笼，在钢筋混凝土承台(7)浇筑前，于桥墩埋置位置处设置金属波纹套筒(8)为桥墩预留埋置空间，所述金属波纹套筒(8)的截面尺寸大于桥墩底部的端板(5)尺寸，所述金属波纹套筒(8)的高度为桥墩埋置深度；并于与端板(5)上锚栓孔(11)对齐的位置处设置预埋锚栓(12)；浇筑混凝土，得到预制的钢筋混凝土承台(7)；
步骤三、在施工现场，按照设计位置安装步骤二预制的钢筋混凝土承台(7)，将步骤一制得的屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分，按照端板(5)朝下竖立在钢筋混凝土承台(7)内的金属波纹套筒(8)中，且预埋锚栓(12)与端板(5)上的锚栓孔(11)对齐，通过锚栓连接件将屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩的钢结构部分与钢筋混凝土承台(7)连接，使圆端形钢管(1)于桥墩指定位置处临时固定；然后，向圆端形钢管(1)内浇筑混凝土(2)，从而构成了屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩；所述金属波纹套筒(8)与屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩之间的空隙采用纤维增强水泥(13)填充；
步骤四、待纤维增强水泥(13)达到强度后，于圆端形钢管(1)底部塑性铰区域涂覆Teflon涂层(6)，在纤维增强水泥(13)上平面上沿墩底四周粘结橡胶垫层(4)，在所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩底部的塑性铰区域、且位于橡胶垫层(4)的上方安装钢套箍(3)，并用高强螺栓(14)紧固。
4.根据权利要求3所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，其特征在于，步骤三中，向圆端形钢管(1)内浇筑的混凝土(2)选自于普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土和橡胶混凝土中的任何一种。
5.根据权利要求3所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，其特征在于，步骤一中，平钢板(10)和半圆形钢(9)的材质相同。
6.根据权利要求3所述屈曲抑制圆端型钢管混凝土桥墩与承台的连接结构的施工方法，其特征在于，步骤四中，所述钢套箍(3)由两半圆端形钢板抱合组成，两半圆端形钢板沿圆端形钢管的长轴对称，其内径大于所述圆端形钢管(1)的外径，高度等于Teflon涂层(6)的涂覆高度，两半圆端形钢板通过高强螺栓(14)于桥墩横桥向两端连接。
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