一种自复位frp-钢-混凝土组合结构墩柱及施工方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于土建交通基础设施建设领域，涉及一种自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱预制装配技术。
技术背景
[0002]相比于现场浇筑桥墩立柱，预制拼装式桥墩立柱具有可规模化预制，运输和安装方便、缩短施工周期等优点，在桥梁建设领域得到比较广泛的应用。目前，一种常用的方法是墩柱阶段之间采用在预制构件端部预埋钢筋连接套筒，预埋钢筋连接套筒的预制拼装方式对施工精度和灌浆质量要求较高，在拼装施工过程中对各部件之间的准确定位和灌浆要求，使得上述连接方法的应用受到一定的限制，同时如果墩柱高度较高是，节段数量和套筒数量也会大大增加，延长施工工期并增加建设费用。目前比较常用的另一种预制拼装连接方法，借助在立柱预留的通孔内穿设预应力钢绞线的方式将立柱预制节段连接成一整体。相对于传统现浇混凝土桥墩，该连接方法的桥墩立柱的造价要高很多。另外，现场施工时需对预应力线进行张拉、灌浆等操作，施工工艺复杂，施工时间较长。现有的墩柱预制拼装方法均采用钢筋混凝土结构，在高温、高湿、酸碱盐等沿海环境及自然环境恶劣的高原地区适用性差。同时，考虑我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震发生频繁，市内立体交通为城市的生命通道，现浇墩柱及等现浇体系的预制装配墩柱结构在灾后可修复性差，影响灾后的短期通车及救援工作。
[0003]因此，本领域技术人员亟需研究一种能适应各种恶劣自然环境、具有一定自复位性能、施工进度较快、在震后可快速修复的预拼装墩柱及其连接方法。与现场浇筑桥墩立柱或者整体桥墩立柱相比，拼装式桥墩立柱具有可规模化预制，运输和安装方便、施工工期短等优点，在桥梁建设领域得到比较广泛的应用。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种在沿海及高原等恶劣环境中适用性强、自复位能力好、地震及碰撞等损伤后可修复性高且施工周期短的一种自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱及施工方法。
[0005 ]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱，包括由预制段拼接而成的结构主体，所述预制段包括钢内壳和混凝土外壳，其特征在于:在所述结构主体内还设置有延墩柱高度方向的预应力FRP筋，在所述预制段的混凝土外壳之间采用第一连接体连接，在所述预制段的钢内壳之间采用第二连接体连接，所述第一连接体为现浇混凝土体，该混凝土体的混凝土为高延性混凝土，高延性混凝土的强度等级高于节段预制的混凝土的强度等级，高延性混凝土的抗拉强度应比预制节段内混凝土抗拉强度高20%_50%;所述第二连接体包括一对连接件、连接所述一对连接件的耗能连接螺栓以及将所述连接件固连在所述钢内壳上的紧固件，所述耗能连接螺栓包括耗能螺杆以及两个螺帽，所述耗能螺杆穿在两个所述连接件上，所述两个螺帽紧固在所述耗能螺杆的两端，在所述钢内壳内表面设置FRP片。
[0006]所述第二连接体还包括橡胶垫，该橡胶垫位于两个钢内壳之间。
[0007]在所述钢内壳与连接件之间还设置有结构胶层。
[0008]一种自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱的施工方法，其特征在于:
预制段制作:采用型钢作为预制段内壳，在型钢的一侧浇筑与型钢成一体的作为预制段外壳的混凝土，在型钢的另一侧贴FRP片材；
预制段的拼接:在相互拼接的两个预制段的预制段内壳上分别紧固一个连接件，然后在两个连接件之间安装耗能连接螺栓;在相互拼接的两个预制段的预制段内壳之间填充高韧性混凝土材料进行连接；
张拉FRP筋:在预制段拼接完成后，张拉FRP筋作为后张无粘结预应力筋完成墩柱结构施工。
[0009]所述FRP片采用FRP布或FRP板材用树脂进行粘贴。
[0010]预制段内壳的连接处铺设橡胶垫。
[0011]本发明中装配式组合桥墩为摇摆柱结构体系，第一连接体和第二连接体在结构中发挥着重要作用并很大程度上影响装配式桥墩的力学性能。第一连接体为混凝土外壳之间的连接，要求采用高延性混凝土材料，填充的高延性混凝土厚度不宜少于I OOmm，具体按构件截面尺寸确定。要求高延性混凝土的强度等级高于节段预制的混凝土等级，抗拉强度应比预制节段内混凝土抗拉强度高20%_50%，同时由于高延性混凝土材料的弹性模量较低可满足大变形的要求。例如节段内采用C40等级的混凝土，则第一连接体的高延性混凝土抗压强度不宜低于50MPa，极限抗拉强度不宜低于4.0MPa，弹性模量应比C40混凝土小20%以上。第二连接体由连接翼缘和耗能螺栓组成，要求耗能螺栓需满足极限变形和耗能的要求，耗能螺栓材质可采用金属或复合材料，由于复合材料螺栓杆件力学性能为线弹性，因此，还需满足极限抗拉承载力的要求。由于采用了第一连接体和第二连接为墩柱的节点连接形式，保证了装配式墩柱之间具有良好的变形能力，通过节段之间的张开闭合及第一连接体和第二连接体的协同工作，可以达到良好的耗能能力。同时由于采用FRP筋作为摇摆墩柱的后张预应力筋，当墩柱结构中节段之间发生变形时，由于预应力的作用可使结构具有良好的自复位性能，减小结构的构件的残余变形，保证结构的正常使用。综上所述，由于第一连接体、第二连接体和预应力系统的协同作用，可保证此技术中的装配式摇摆墩柱结构在小震作用情况下具有良好的自复位性能，正常使用；中震和大震作用下，在预应力的作用下，结构通过第一连接体和第二连接体的变形或破坏耗能，保证结构预制构件的完整性，按损伤程度修补或更换第一、第二连接体可实现结构的快速修复，保证结构的正常使用。
[0012]由于本结构采用FRP片材和筋材，型钢结构不与外界环境直接接触，由于FRP材料具有良好的抗腐蚀能力，因此本技术方案提出的装配式桥墩在高温、高湿、酸碱盐等恶劣环境中应用具有良好的性能。
[0013]与现有技术相比，本发明组合结构桥墩及施工方法，采用型钢-混凝土组合制作拼装阶段、通过可替换的接缝灌浆材料(高延性混凝土)和耗能螺栓连接，高延性混凝土的强度等级高于节段预制的混凝土的强度等级，高延性混凝土的抗拉强度应比预制节段内混凝土抗拉强度高20%-50%，高延性混凝土材料的弹性模量较低可满足大变形的要求，具有自复位和可修复功能。
【附图说明】
[0014]图1为墩柱预制拼装构造图；
图2为预制墩柱节段剖面图；
图3为混凝土及型钢拼接缝构造图；
图4为型钢连接螺栓构造图；
图5为混凝土与型钢界面处理(喷砂层、剪力键)图。
[0015]其中:1.预应力FRP筋;2.型钢内壳;3.混凝土外壳;4.第一连接体;5.橡胶垫;6.第一连接体;7.型钢翼缘;8.耗能连接螺栓;9.剪力键;10.固定螺栓;11.FRP片；12.结构胶层；13.喷砂处理层。
【具体实施方式】
[0016]本发明在预制构件生产阶段采用的设备包括型钢拉挤成型设备和混凝土浇筑养护设备。根据设计的型钢尺寸形状设计制作模具，根据设计的型钢选用相应的复合材料纤维和树脂。同一批次型钢在制作过程中采用相同工艺和材料制作3个5Omm X 5Omm X 10mm立方柱测试其强度，测试强度满足设计强度的要求为合格；同一组成型构件选取最少一个构件测试其承载力，达到设计要求为合格;成型构件外观尺寸偏差为± 3mm，型钢壁厚和开孔直径误差为±2mm。满足上述要求范围合格构件，进行外观检查后可进行混凝土浇筑。
[0017]型钢合格后可进行混凝土准备工作，在与混凝土接触面进行喷砂处理。但外壳混凝土厚度大于250_时应在型钢预留孔道安装剪力键，剪力键尺寸和数量需满足要求，同时剪力键距型材边缘不宜小于150mm。浇筑混凝土时，同一批次浇筑的混凝土需取3个150m立方块同等条件下养护并测试其强度是否满足强度要求。浇筑混凝土完毕后按要求进行养护，达到28天龄期后方可运至施工现场吊装。
[0018]吊装墩柱预制节段时，吊装与承台相连的墩柱节段前在型钢与承台接触部位提前设置橡胶圈，并在承台预埋连接翼缘和预制墩柱连接翼缘间安装连接螺栓，后在混凝土接缝部位浇筑高韧性混凝土。上下墩柱节段连接与此类似，先在型钢连接部位铺设橡胶圈，然后吊装上部预制墩柱节段，再按照对称顺序安装连接螺栓，最后在混凝土接缝部位灌注高韧性混凝土完成墩柱节段连接。在安装连接螺栓时，应采用液压钳控制螺帽扭矩达到设计值。
[0019]墩柱节段吊装完成后，按设计顺序张拉预应力FRP筋至设计应力水平后在端部锚固，完成墩柱施工。
[0020]本发明中，墩柱预制节段高度根据可根据实际工程中桥墩高度设计，预制构件的高度宜介于lm-3m之间，且每个组合桥墩的预制节段个数不宜少于3。采用型钢作为组合墩柱节段的内壳、混凝土作为组合墩柱外壳形成组合桥墩预制节段。其特征在于考虑型钢的强度较高，可根据实际要求设计不同的混凝土与型钢壁厚，型钢需承担设计荷载的70%-80%。为了保证混凝土外壳与型钢内壳协同工作，需在型钢与混凝土界面进行喷砂处理，如混凝土壁厚和体积较大时，应在型钢壁上开洞安装剪力键。墩柱预制拼装施工方法可针对不同截面形状(矩形、圆形、椭圆形等)、不同尺寸的墩柱进行设计施工，不同截面墩柱的设计可参照上述要求。
[0021]翼缘板厚度根据计算所得且不宜低于20mm。耗能连接螺栓直径和数量按设计要求计算且每面螺栓个数不应少于3个，螺栓可采用高延性金属，要求螺栓具有一定的延性，满足变形的要求。型钢上下阶段拼装部位需铺设橡胶垫。
[0022]混凝土外壳通过在预制拼装阶段缝之间的预留缝隙填充高韧性混凝土材料进行连接。要求设计预留缝间距不宜低于30mm，填充材料可选用高韧性混凝土，同时填充的混凝土强度等级不宜低于预制墩柱阶段混凝土外壳的混凝土强度等级，在灌注接缝的混凝土材料时应将上下混凝土阶段的接触面清洗保证填充材料与外壳混凝土有效的粘结。
[0023]本发明涉及的；本发明采用的FRP-钢-混凝土组合结构具有耐高温、高湿、酸碱盐等性能，在沿海、冻害严重及高原等自然环境恶劣的区域具有较好的适用性;本发明通过FRP预应力筋控制结构的残余变形，并将损伤控制在耗能螺栓和混凝土预留缝填充材料等预制构件连接部位，地震后可通过更换连接填充材料实现地震后的早期修复。
【主权项】
1.一种自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱，包括由预制段拼接而成的结构主体，所述预制段包括钢内壳和混凝土外壳，其特征在于:在所述结构主体内还设置有沿墩柱高度方向的预应力FRP筋，在所述预制段的混凝土外壳之间采用第一连接体连接，在所述预制段的钢内壳之间采用第二连接体连接，所述第一连接体为现浇混凝土体，该混凝土体的混凝土为高延性混凝土，高延性混凝土的强度等级高于节段预制的混凝土的强度等级，高延性混凝土的抗拉强度应比预制节段内混凝土抗拉强度高20%-50%;所述第二连接体包括一对连接件、连接所述一对连接件的耗能连接螺栓以及将所述连接件固连在所述钢内壳上的紧固件，所述耗能连接螺栓包括耗能螺杆以及两个螺帽，所述耗能螺杆穿在两个所述连接件上，所述两个螺帽紧固在所述耗能螺杆的两端，在所述钢内壳内表面设置FRP片材。2.根据权利要求1所述的自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱，其特征在于:所述第二连接体还包括橡胶垫，该橡胶垫位于两个钢内壳之间。3.根据权利要求1所述的自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱，其特征在于:在所述钢内壳与连接件之间还设置有结构胶层。4.一种如权利要求1所述的自复位FRP-钢-混凝土组合结构墩柱的施工方法，其特征在于: 预制段制作:采用型钢作为预制段内壳，在型钢的一侧浇筑与型钢成一体的作为预制段外壳的混凝土，在型钢的另一侧贴FRP片材； 预制段的拼接:在相互拼接的两个预制段的预制段内壳上分别紧固一个连接件，然后在两个连接件之间安装耗能连接螺栓;在相互拼接的两个预制段的预制段内壳之间填充高延性混凝土材料进行连接； 张拉FRP筋:在预制段拼接完成后，张拉FRP筋作为后张无粘结预应力筋完成墩柱结构施工。5.根据权利要求4所述的施工方法，其特征在于:所述FRP片材采用FRP布或FRP板材用树脂进行粘贴，FRP中纤维方向桥墩高度方向垂直。6.根据权利要求4所述的施工方法，其特征在于:预制段内壳的连接处铺设橡胶垫。
【专利摘要】本发明公开了一种自复位FRP?钢?混凝土组合结构墩柱及施工方法，其中组合结构桥墩包括由预制段拼接而成的结构主体，预制段包括钢内壳和混凝土外壳，在结构主体内还设置有预应力FRP筋，在预制段的混凝土外壳之间采用第一连接体连接，在预制段的钢内壳之间采用第二连接体连接，第一连接体为现浇混凝土体，该混凝土体的混凝土为高延性混凝土；第二连接体包括一对连接件、连接一对连接件的耗能连接螺栓以及将连接件固连在钢内壳上的紧固件，耗能连接螺栓包括耗能螺杆以及两个螺帽，在钢内壳内表面设置FRP片材。与现有技术相比，本发明采用型钢?混凝土组合制作拼装阶段、通过可替换的接缝灌浆材料和耗能螺栓连接，具有自复位、可修复和耐腐蚀功能。
【IPC分类】E01D21/00, E01D101/28, E01D19/02
【公开号】CN105714673
【申请号】CN201610092085
【发明人】吴智深, 汪昕, 范家俊, 张建东
【申请人】东南大学, 江苏绿材谷新材料科技发展有限公司, 苏交科集团股份有限公司