CN108824174B - 一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点，包括预制立柱和现浇承台，现浇承台内预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋锚固于预制立柱中从而将预制立柱与现浇承台连接成为整体，预制立柱底部外缘与现浇承台的接触面处设有一圈水汽密封圈；预制立柱在塑性铰区段弯起形成斜向弯起交叉抗剪钢筋；现浇承台上预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋穿过预制立柱的锚孔后通过螺帽锚固。该节点在塑性铰区段内的弯起纵向钢筋能抵抗弯矩和剪力共同产生的主拉应力，在发生地震时有效地限制裂缝的形成及发展，预应力螺纹粗钢筋的锚固方法替代原有的施工方法，可以避免主筋在贯穿节点核心区进行焊接连接而可能形成的薄弱环节。

Description

一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点

技术领域

本发明涉及桥梁抗震技术领域，具体涉及一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点。

背景技术

装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱的施工主要包括构件的预制以及现场的安装。其具有施工工期短、施工工艺成熟以及施工方便等优点，在公路桥梁，尤其是山区公路桥梁中得到了广泛的应用。

适于修筑装配式钢筋混凝土拱桥的山区公路多处于地震多发地区以及抗震设防要求较高地区。节点作为结构的传力构件，在地震作用下起到构件之间力的传递作用，是结构破坏的核心部位,它关系到整个结构的安全性和稳定性。地震作用下，一旦节点发生破坏，往往会引起毁灭性的后果，从而无法保证结构满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防相关要求。发生地震时，节点核心区的剪力很大，很容易发生脆性的剪切破坏。同时，地震作用其本质是对结构施加一种反复荷载，在此过程中钢筋会发生粘结退化现象，从而使得钢筋的锚固被削弱甚至发生破坏，使节点部位的强度、耗能性能下降。

对已建拱桥在历次地震中的病害进行调查后发现,在地震作用下，桥梁的节点部位比较容易出现病害，尤其是现场安装的预制立柱与主拱的节点部位比较容易出现较为严重的病害。对节点部位抗震性能的研究，最早是从房屋建筑领域框架节点开始的，经过长时间大量的研究，在其领域取得了大量的成果。然而，桥梁的节点和房屋建筑结构中框架的节点存在较大差异，不能直接套用房屋建筑结构中框架节点的抗震设计。并且，这些研究大多针对整体现浇节点，对预制节点的研究相对较少。在桥梁工程领域，我国颁布的《城市桥梁抗震设计规范》、《公路桥梁抗震规范》以及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中，虽然对节点做出了相关的要求，然而却并未明确地提供一种通用的设计方法，更加没有针对装配式节点提出相关要求。

根据已有的研究成果，现今采用的装配式拱桥预制立柱节点的设计，节点相对薄弱，与“强柱弱梁刚节点”的主流抗震概念不符，因此有必要提出一种具有良好抗震性能、且施工方便的装配式立柱节点。

发明内容

本发明为了解决上述问题，设计了一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点，该抗震节点可增加预制立柱节点部分的抗剪能力，确保立柱破坏前形成塑性铰，不发生剪切破坏；在塑性铰区域内的弯起纵向钢筋能抵抗弯矩和剪力共同产生的主拉应力，在发生地震时有效地限制裂缝的形成及发展；采用预应力螺纹粗钢筋的锚固方法替代原有的施工方法，可以避免主筋在贯穿节点核心区进行焊接连接而可能形成的薄弱环节，同时避免混凝土二次浇筑可能在结合面上形成的薄弱环节，同时该方法施工方便。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点，其特征在于，包括预制立柱和现浇承台，现浇承台内预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋锚固于预制立柱中从而将预制立柱与现浇承台连接成为整体，预制立柱底部外缘与现浇承台的接触面处设有一圈水汽密封圈；

所述的预制立柱为钢筋混凝土结构，预制立柱从上向下依次由支撑段、塑性铰区段和锚固连接段组成，塑性铰区段横桥向设有后浇凹槽，预制立柱底部的锚固连接段顺桥向向外扩散形成等腰梯形扩大底座，扩大底座上开有锚孔，锚孔处预埋有局部承压螺旋钢筋，预制立柱的通长纵向钢筋穿过支撑段后在塑性铰区段弯起形成斜向弯起交叉抗剪钢筋并于扩大底座底部形成闭合，塑性铰区段设有补强钢筋，补强钢筋的两端分别锚固于支撑段下部和锚固连接段上部；

所述的现浇承台为现浇钢筋混凝土结构，现浇承台上预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋的位置与预制立柱的锚孔位置对应，螺纹粗钢筋穿过预制立柱的锚孔后通过螺帽锚固，螺帽固定后的预制立柱的后浇凹槽中浇筑有纤维混凝土。

进一步的，所述的预制立柱中设有4根通长纵向钢筋，塑性铰区段配有4根补强钢筋且补强钢筋设置于通长纵向钢筋的外侧，支撑段的通长钢筋上绑扎有间距为200mm的箍筋，塑性铰区段的补强钢筋上绑扎有间距为100mm的箍筋，预制立柱的扩大底座的底角为45°，锚固连接段上开有4个贯通的锚孔，锚孔设置于锚固连接段的4条边的内侧。

进一步的，所述的通长纵向钢筋和补强钢筋选用HRP335或HRB400型钢筋且直径不小于20mm，箍筋选用HPB235型钢筋且直径不小于12mm。

本发明的有益效果是：(1)通过加密箍筋，能够加强预制立柱节点部分的抗剪能力，确保立柱破坏前形成塑性铰，不发生剪切破坏；

(2)在塑性铰区段内的弯起纵向钢筋能抵抗弯矩和剪力共同产生的主拉应力，在发生地震时有效地限制裂缝的形成及发展；

(3)采用预应力螺纹粗钢筋的锚固方法替代原有的施工方法，可以避免主筋在贯穿节点核心区进行焊接连接而可能形成的薄弱环节，同时避免混凝土二次浇筑可能在结合面上形成的薄弱环节，同时该方法施工方便。

附图说明：

图1是原设计预制立柱节点结构示意图；

图2是原设计顺桥向预制立柱节点内部配筋图；

图3是原设计横桥向预制立柱节点内部配筋图；

图4是本发明预制立柱节点结构示意图

图5是本发明顺桥向预制立柱节点内部配筋图；

图6是顺桥向预制立柱的扩大底座的俯视结构示意图；

图7是发明横桥向预制立柱节点内部配筋图；

图8是本发明横桥向预制立柱的扩大底座的俯视结构示意图；

图9是原设计预制立柱节点抗震试验截面布置示意图；

图10是本发明预制立柱节点抗震试验截面布置示意图；

图11是原设计和本发明在相同截面的传感器布置示意图；

图12是原设计与本发明的立柱节点在相同抗震条件试验下的骨架曲线对比图；

图13是原设计与本发明立柱节点在线相同抗震试验条件下的节点弯矩-转角曲线对比图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-预制立柱，11-后浇凹槽，101-通长纵向钢筋，102-箍筋，103-补强钢筋，104-交叉抗剪钢筋，105-塑性铰区段，106-后浇纤维混凝土，111-锚孔；2-现浇承台，21-螺纹粗钢筋；3-螺帽，31-局部承压螺旋钢筋；4-水汽密封圈。

具体实施方式:

本发明的具体实施方式如下：

实施例1

(1)预埋螺纹粗钢筋

钢筋混凝土拱桥，完成主拱圈的施工后，浇筑现浇承台2，在现浇承台2内，对应每根立柱预埋4根螺纹粗钢筋21，预埋位置如附图4及附图5所示，对应步骤(6)中预制立柱的锚孔111位置。螺纹粗钢筋21采用HRP335或HRB400，钢筋规格根据受力计算确定，但直径不得小于32mm。

(2)计算塑性铰区段高度

不同的拱桥设计中，或者同一拱桥中位置不同的立柱，由于截面尺寸、立柱长度以及配筋等不尽相同，其塑性铰区段105都不同。首先需要依据规范计算出不同预制立柱的塑性铰区段105高的。

(3)纵向钢筋起弯

在预制立柱的塑性铰区段105内，弯起预制立柱1的通长纵向钢筋101，形成斜向弯起交叉抗剪钢筋104。如附图4所示，立柱的顺桥向或横桥向两侧相对的弯起钢筋，在预制立柱1底部形成闭合。通长纵向钢筋101采用HRP335或HRB400，钢筋规格根据受力计算确定，但钢筋直径不得小于20mm。

(4)增加纵向钢筋

如附图5及附图6所示，由于原预制立柱1的通长纵向钢筋101在塑性铰区段弯起形成交叉抗剪钢筋104，该区域内纵向钢筋减少。因此，需在该区域增加补强钢筋103，作为替代预制立柱的通长纵向钢筋101。补强钢筋103的规格与通长纵向钢筋101相同，且其上端锚固长度不得低于塑性铰区段105高度加上规范所规定的钢筋锚固长度之和。

(5)加密箍筋

如附图7及附图8所示，预制立柱的箍筋102一般采用HPB235，间距为200mm。为了加强节点抗剪能力，在塑性铰区段105内需要对箍筋102进行加密，在该区域内箍筋102间距采用100mm。箍筋102直径不得小于12mm。

(6)锚固预制立柱

预制立柱1节点构造在顺桥向及横桥向有一定区别。

在顺桥向，如附图5所示，预制立柱1底部向外沿45°扩大至一定范围，锚孔111设置在扩大底座上，在锚孔111处预埋局部承压螺旋钢筋31。安装预制立柱1时，直接通过螺帽3拧紧施加预加力进行锚固。

在横桥向，如附图7所示，在预制立柱1底部向内收缩一部分，锚孔111设置在收缩后的预制立柱两侧，在锚孔111处预埋局部承压螺旋钢筋31，安装预制立柱1时，直接通过螺帽3拧紧施加预加力进行锚固，安装完毕后采用后浇纤维混凝土106将预制立柱的后浇凹槽11的空缺部分填充饱满。且保证后浇混凝土表面的光滑和平整。

进行预制立柱1与现浇承台2安装时，需要在两构件结合面安装水汽密封圈4，防止水汽进入导致预埋螺纹粗钢筋21锈蚀。

实施例2

本实施例中通过原设计与本发明在相同的抗震试验条件下验证本发明所产生的有益效果

原设计节点的结构如附图1、附图2及附图3所示：

(1)预埋钢筋

钢筋混凝土拱桥，完成主拱圈的施工后，浇筑现浇承台，在现浇承台内，对应每根预制立柱预埋8根第一螺纹粗钢筋和20根第二螺纹粗钢筋，规格都为直径为20mm的HRB335钢筋。第一螺纹粗钢筋用于步骤(3)中与预制立柱纵向钢筋进行焊接连接，第一螺纹粗钢筋作为步骤(3)中后浇混凝土部分的锚入钢筋。预埋位置如附图1、附图2及附图3所示，第一螺纹粗钢筋对应步骤(2)中预制立柱纵向钢筋位置。

(2)预制立柱

如附图1、附图2及附图3所示，预制立柱纵向钢筋规格为直径为20mm的HRB335钢筋。立柱底部向内收缩，形成后浇凹槽，纵向钢筋延伸至后浇凹槽内部，用于步骤(3)安装时与承台的预埋钢筋205进行焊接连接。预制立柱箍筋规格为直径为8mm的HPB235钢筋，间距采用150mm。预制立柱纵向钢筋贯通于后浇凹槽处并用第二箍筋加密，第二箍筋规格为直径8mm的HPB235钢筋。

(3)锚固预制立柱

将预制立柱纵向钢筋及承台预埋钢筋，如207所示进行现场焊接后，浇筑纤维混凝土，进行养护后节点制作完成。

试验主要目的在于验证不同设计方法的最大承载力以及耗能能力，采用在模型立柱柱顶施加水平向往复位移的拟静力试验方法能够满足要求，加载位移大小0mm开始，每个循环增加2mm，一直加载到构件承载能力开始呈现下降趋势为止。

加载过程中，对钢筋、混凝土的应变以及试件的位移进行了记录，原设计以及本发明传感器布置位置分别如附图9及附图10所示。在图所示的四个测试截面上，如附图11所示，分别在纵向钢筋、箍筋以及混凝土表面布置了应变测点，同时在该截面上还布置了水平方向的位移计。

将通试验结果对比，本发明的节点在抗震性能方面取得了以下效果：

(1)通过对比附图12所示的原设计与本发明的立柱节点骨架曲线可知，本发明的节点具有更高的屈服点、强度以及更好的耗能能力，反应了在发生地震来时，本发明能更好的吸收地震能量，具有更好的抗倒塌能力。

(2)通过对比附图13所示的原设计与本发明的立柱节点弯矩-转角曲线可知，本发明与原设计相比，在同等转角的情况下可以承担更大的弯矩，或可以认为在同等地震强度情况下，本发明的变形较小，能更好的保护结构稳定，消耗地震能量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种装配式钢筋混凝土拱桥预制立柱抗震节点，其特征在于，包括预制立柱和现浇承台，现浇承台内预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋锚固于预制立柱中从而将预制立柱与现浇承台连接成为整体，预制立柱底部外缘与现浇承台的接触面处设有一圈水汽密封圈；

所述的预制立柱为钢筋混凝土结构，预制立柱从上向下依次由支撑段、塑性铰区段和锚固连接段组成，塑性铰区段横桥向设有后浇凹槽，预制立柱底部的锚固连接段顺桥向向外扩散形成等腰梯形扩大底座，扩大底座上开有锚孔，锚孔处预埋有局部承压螺旋钢筋，预制立柱的通长纵向钢筋穿过支撑段后在塑性铰区段弯起形成斜向弯起交叉抗剪钢筋并于扩大底座底部形成闭合，塑性铰区段设有补强钢筋，补强钢筋的两端分别锚固于支撑段下部和锚固连接段上部；

所述的现浇承台为现浇钢筋混凝土结构，现浇承台上预埋有螺纹粗钢筋，螺纹粗钢筋的位置与预制立柱的锚孔位置对应，螺纹粗钢筋穿过预制立柱的锚孔后通过螺帽锚固，螺帽固定后的预制立柱的后浇凹槽中浇筑有纤维混凝土；

所述的预制立柱中设有4根通长纵向钢筋，塑性铰区段配有4根补强钢筋且补强钢筋设置于通长纵向钢筋的外侧，支撑段的通长钢筋上绑扎有间距为200mm的箍筋，塑性铰区段的补强钢筋上绑扎有间距为100mm的箍筋，预制立柱的扩大底座的底角为45°，锚固连接段上开有4个贯通的锚孔，锚孔设置于锚固连接段的4条边的内侧；

所述的通长纵向钢筋和补强钢筋选用HRP335或HRB400型钢筋且直径不小于20mm，箍筋选用HPB235型钢筋且直径不小于12mm。