CN109577170A - 一种钢管混凝土桥墩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢管混凝土桥墩，包括横梁、墩柱以及系梁，所述系梁包括系梁主体和系梁耗能组件，所述系梁主体包括第一钢管、第一软管内芯、第一混凝土以及的第一连接板，所述系梁耗能组件包括第二钢管、第二软钢内芯、第一PVP膜、第二混凝土以及第二连接板，所述第二连接板和对应的所述第一连接板之间通过螺栓固定连接。通过设置系梁，提高了桥梁双柱墩横桥向的强度和刚度，地震作用下，系梁先于桥墩发生屈服，形成塑性铰并耗散地震能量，延缓了桥墩的损伤破坏过程，抗震性能相对较好；同时由于各连接板通过螺栓实现固定连接，震后可迅速替换耗能组件，实现快速修复。

Description

一种钢管混凝土桥墩

技术领域

本发明涉及一种桥墩结构，尤其是一种钢管混凝土桥墩。

背景技术

国内外许多次地震都表明，桥梁结构作为交通生命线中的重要组成部分，对灾后急救和恢复重建意义重大。但是，传统的桥墩多采用钢筋混凝土结构形式，而钢筋混凝土桥墩自重大、延性差，施工难度大，施工周期长，修复难度大、成本高，在国内外历次强震下均破坏严重且难以快速修复，给震后抢险救灾造成极大困难以及巨大的间接损失，因此，实现桥梁的可恢复性有着重大的研究价值。

随着中国现代城市的快速发展，互通立交以及高架桥越来越多，钢管混凝土桥墩的应用也越来越广泛。钢结构桥梁具有自重轻、承载能力高、抗震性能好等优点。易于工厂化制造、装配化施工，可缩短施工工期，改善现场作业条件；使施工安全性和质量得到有效控制，并使施工对城市生态环境和交通的影响减到最小。但是，现有的钢管混凝土桥墩形式在实际地震下易发生剪切破坏和超低周疲劳裂缝，震后很难修复或因修复时间很长而严重影响救灾和震后的应急和正常使用。

有鉴于此，本申请人对钢管混凝土桥墩的结构进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗震性能相对较好且震后可快速修复的钢管混凝土桥墩。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢管混凝土桥墩，包括横梁、两个以上位于所述横梁下方用于支撑所述横梁的墩柱以及连接在相邻两个所述墩柱之间的系梁，所述系梁包括水平布置的系梁主体和分别固定连接在所述系梁主体两端的系梁耗能组件，所述系梁主体包括第一钢管、穿插在所述第一钢管内的第一软管内芯、填充在所述第一钢管和所述第一软钢内芯之间的第一混凝土以及焊接在所述第一软钢内芯两端的第一连接板，所述系梁耗能组件包括第二钢管、穿插在所述第二钢管内的第二软钢内芯、覆盖在所述第二软钢内芯侧表面上的第一PVP膜、填充在所述第二钢管和所述第一PVP膜之间的第二混凝土以及焊接在所述第二软钢内芯一端的第二连接板，所述第二软钢内芯远离所述第二连接板的一端从所述第二钢管穿出并固定连接在对应的所述墩柱上，所述第二连接板和对应的所述第一连接板之间通过螺栓固定连接。

作为本发明的一种改进，所述第二软钢内芯从所述第二钢管穿出的部位上设置有多个纵横布置的加强肋。

作为本发明的一种改进，所述墩柱包括竖直布置的墩柱主体、固定连接在所述墩柱主体下端的墩柱耗能组件和固定连接在所述墩柱耗能组件下端的柱脚，所述墩柱主体包括第三钢管、穿插在所述第三钢管内的第三软钢内芯、填充在所述第三软钢内芯和所述第三钢管之间的第三混凝土以及焊接在所述第三软钢内芯下端的第三连接板，所述墩柱耗能组件包括第四钢管、穿插在所述第四钢管内的第四软钢内芯、覆盖在所述第四软钢内芯侧表面上的第二PVP膜、填充在所述第四钢管和所述第二PVP膜之间的第四混凝土以及焊接在所述第四软钢内芯两端的第四连接板，所述第四连接板和所述第三连接板或所述柱脚之间通过螺栓固定连接。

作为本发明的一种改进，所述第一钢管、所述第二钢管、所述第三钢管和所述第四钢管都为方形钢管，所述第一软钢内芯、所述第二软钢内芯、所述第三软钢内芯和所述第四软钢内芯的都为H形软钢。

作为本发明的一种改进，所述墩柱耗能组件的高度为所述墩柱主体的横截面的宽度的1-1.2倍。

作为本发明的一种改进，所述第一钢管、所述第二钢管、所述第三钢管和所述第四钢管的壁厚相同，所述第一钢管和所述第二钢管的横截面的面积相同，所述第三钢管和所述第四钢管的横截面的面积相同，所述第一钢管的横截面的面积为所述第三钢管的横截面的面积的0.8倍。

作为本发明的一种改进，所述第二混凝土和所述第四混凝土为延性混凝土。

采用上述方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过设置系梁，提高了桥梁双柱墩横桥向的强度和刚度，地震作用下，系梁先于桥墩发生屈服，形成塑性铰并耗散地震能量，延缓了桥墩的损伤破坏过程，抗震性能相对较好；同时由于各连接板通过螺栓实现固定连接，震后可迅速替换耗能组件，实现快速修复。

2、系梁和墩柱的各个组成部分可以在工厂内加工制作，现场仅需吊装，也可以以钢管外壁为模板现场浇筑，施工工期短，施工快捷，也可以大大加快地震与突发事故后的道路修复速度。

3、系梁和墩柱的各个组成部分可实现设计标准化、制造工厂化、施工装配化，避免原材料制造及施工现场的环境污染，提高施工速度、缓解城市交通拥堵。

说明书附图

图1为本发明钢管混凝土桥墩的结构示意图，图中省略加强肋；

图2为图1中A-A位置的截面示意图；

图3为图1中B-B位置的截面示意图，图中省略螺栓；

图4为本发明中加强肋的布置结构示意；

图5为本发明加强肋另一视角的局部布置结构示意。

图中标示对应如下：

100-横梁； 200-墩柱；

210-墩柱主体； 211-第三钢管；

212-第三软钢内芯； 213-第三混凝土；

214-第三连接板； 220-墩柱耗能组件；

221-第四钢管； 222-第四软钢内芯；

224-第四混凝土； 225-第四连接板；

230-柱脚； 300-系梁；

310-系梁主体； 311-第一钢管；

312-第一软钢内芯； 313-第一混凝土；

314-第一连接板； 320-系梁耗能组件；

321-第二钢管； 322-第二软钢内芯；

324-第二混凝土； 325-第二连接板；

326-加强肋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-图5所示，本实施例提供的钢管混凝土桥墩，包括横梁100、两个以上位于横梁100下方用于支撑横梁100的墩柱200以及连接在相邻两个墩柱200之间的系梁300，其中，墩柱200的数量可以根据实际需要进行设置，在本实施例中以墩柱200有两个为例进行说明。

系梁300包括水平布置的系梁主体310和分别固定连接在系梁主体310两端的系梁耗能组件320，即系梁耗能组件320有两个。系梁主体310包括第一钢管311、穿插在第一钢管311内的第一软管内芯312、填充在第一钢管311和第一软钢内芯312之间的第一混凝土313以及焊接在第一软钢内芯312两端的第一连接板314，即第一连接板314有两个，两个第一连接板314同时抵顶在第一钢管311上，当然两个第一连接板314也可与第一钢管311焊接连接或通过高强度摩擦型螺栓连接，下文将会提及的各连接板和对应的钢管之间的连接结构与第一连接板314和第一钢管311之间的连接结构相同，将不再重复。优选的，第一连接板314以及下文将会提及的各连接板的周边都设置有锚栓孔，便于与对应的钢管连接。第一钢管311以及下文将会提及的各钢管都为普通钢管，其屈服强度高于第一软钢内芯312以及下文将会提及的各软钢内芯，即在本实施例中，各钢管的屈服强度高于各软钢内芯的屈服强度，这样可以防止地震时破坏由耗能组件的位置向主体的位置转移。第一混凝土313为常规的钢管混凝土桥墩中所使用的混凝土，其填满第一钢管311的内腔，需要说明的是，下文中提及的各混凝土也都填满对应的钢管的内腔。

系梁耗能组件320包括第二钢管321、穿插在第二钢管321内的第二软钢内芯322、覆盖在第二软钢内芯322侧表面上的第一PVP膜(图中未示出)、填充在第二钢管321和第一PVP膜之间的第二混凝土324以及焊接在第二软钢内芯322朝向系梁主体310一端的第二连接板325，其中在第二软钢内芯322侧表面上覆盖第一PVP膜的作用是为了消除第二软钢内芯322和第二混凝土324之间的黏结。第二软钢内芯322远离第二连接板325的一端从第二钢管321穿出并固定连接在对应的墩柱200上，因此，在与第二软钢内芯322从第二钢管321穿出的部位处没有第二混凝土324的存在，当然该部位也可以不覆盖第一PVP膜，即第二软钢内芯322从第二钢管321穿出的部位裸露在外。优选的，为了防止第二软钢内芯322从第二钢管321穿出的部位出现屈曲现象，本实施例中在第二软钢内芯322从第二钢管321穿出的部位上设置有多个纵横布置的加强肋326。第二连接板325和对应的第一连接板314之间通过螺栓固定连接，该螺栓以及下文将会提及的各螺栓都为可从市场上直接购买获得的高强度摩擦型螺栓，这类螺栓通常包括螺柱、螺旋连接在该螺柱上的两个螺母以及与螺母配合的垫片，有助于防止长期使用过程中螺栓松动。此外，第二混凝土324最好为延性混凝土，其变形能力也比常规的钢管混凝土桥墩中所使用的混凝土大。

系梁300的存在构成了钢管混凝土桥墩抗震的第一道防线，也有助于提高钢管混凝土桥墩的横向强度和刚度。当地震发生时，系梁300先于桥墩柱200发生破坏，通过其两端的系梁耗能组件320消耗地震能量，延缓墩柱200的损伤破坏过程。同时系梁耗能组件320损耗后可通过拆卸螺栓实现快速更换，恢复系梁300的抗震能力。此外，由于第一PVP膜的存在，当系梁耗能组件320承受拉力时，第二软钢内芯322伸长并与第二混凝土324相对滑动，不会引起位于第二钢管321内部的第二混凝土324拉裂，当系梁耗能组件320承受压力时，第二软钢内芯322会和第二混凝土324共同承受压力。

墩柱200包括竖直布置的墩柱主体210、固定连接在墩柱主体210下端的墩柱耗能组件220和固定连接在墩柱耗能组件220下端的柱脚230，其中柱脚230的结构与常规的钢管混凝土桥墩相同，并非本实施例的重点，此处不再详述。墩柱主体210包括第三钢管211、穿插在第三钢管211内的第三软钢内芯212、填充在第三软钢内芯212和第三钢管211之间的第三混凝土213以及焊接在第三软钢内芯212下端的第三连接板214，其中第三混凝土213也为常规的钢管混凝土桥墩中所使用的混凝土，其与第一混凝土313的区别仅仅是用量不同。此外，第二软钢内芯322远离第二连接板325的一端焊接在第三钢管211上。

墩柱耗能组件220包括第四钢管221、穿插在第四钢管221内的第四软钢内芯222、覆盖在第四软钢内芯222侧表面上的第二PVP膜(图中未示出)、填充在第四钢管221和第二PVP膜之间的第四混凝土224以及焊接在第四软钢内芯222两端的第四连接板225，即第四连接板225有两个。第二PVP膜的作用与第一PVP膜的作用相同，此处不再详述。第四连接板225和第三连接板214或柱脚230之间通过螺栓固定连接，具体的，两个第四连接板225分别与第三连接板214和柱脚230通过上文提及的高强度摩擦型螺栓一一对应固定连接。此外，第四混凝土224最好也为延性混凝土，其与第二混凝土324的区别仅仅是用量不同。

墩柱耗能组件220的存在构成了钢管混凝土桥墩抗震的第一道防线，一旦系梁耗能组件320丧失耗能性能，可通过第四软钢内芯222和第四混凝土224消耗地震能量，同时墩柱耗能组件220损耗后可通过拆卸螺栓实现快速更换，恢复墩柱耗能组件220的抗震能力。

优选的，第一钢管311、第二钢管321、第三钢管211和第四钢管221都为方形钢管，且第一钢管311、第二钢管321、第三钢管211和第四钢管221的壁厚相同。第一钢管311和第二钢管321的横截面的长度和面积相同，第三钢管211和第四钢管222的长度和横截面的面积相同，而第一钢管311的横截面的面积为第三钢管211的横截面的面积的0.8倍。此外，第一钢管311和第三钢管211的强度最好高于第二钢管321和第四钢管221的强度，以提高对应的主体的承载力，保护破坏率先发生在耗能组件所在的位置处。需要说明的是，在本实施例中，各部件的横截面为与对应的部件的长度方向垂直的截面。

优选的，墩柱耗能组件220的高度为墩柱主体210的横截面的宽度的1-1.2倍。此外，在本实施例中，第一软钢内芯312、第二软钢内芯322、第三软钢内芯212和第四软钢内芯22的都为H形软钢，即各软钢内芯312的横截面都呈H形。H形软钢在被破坏前有明显的预兆，如出现较大的变形等(即塑性破坏)，内嵌在对应的混凝土中的H形软钢受压时有向外屈曲变形趋势，但其向外屈曲变形受到对应的混凝土和钢管的限制，极大提高了钢管混凝土桥墩的耗能能力和抗震性能；同时，由于第二软钢内芯322远离第二连接板325的一端从第二钢管321穿出，可通过检测第二软管内芯322穿出的部位的屈服状况，迅速评定震后钢管混凝土桥墩的抗震性能。需要说明的是，第二软钢内芯322从第二钢管321穿出的部位不宜过大以防止其屈曲，而多个纵横布置的加强肋326的具体设置数量根据系梁耗能组件320横截面的长宽比确定，当该长宽比相对较小时，可少设置或不设置加强肋326，当该长宽比相对较大时，可适当增加加强肋326。

墩柱200和系梁300的制作方法是类似的，在本实施例中以墩柱200为例进行说明，其制作方法包括以下步骤：

S1，首先根据实际建造的桥墩尺寸来确定出墩柱耗能组件220的尺寸，在本实施例中墩柱耗能组件220的高度取方形墩柱200的横截面宽度的1.2倍。

S2，对于墩柱耗能组件220，依据外壁方钢管的高度确定延性混凝土的浇筑位置，把延性混凝土浇筑在与外壁方钢管相同高度处，其中外壁方钢管可作为模板浇筑。

S3，对于墩柱主体210，浇筑混凝土前，需将H形软钢内芯的底部焊接在相应的连接板上，并且在H形软钢内芯的表面敷上一层PVP膜或者脱模剂，以消除H形软钢内芯与混凝土之间的黏结。

S4，H软钢内芯要多出外壁方钢管预定的高度，H形软钢内芯高出外壁方钢管的部分直接与对应的连接板焊接。

S5，浇筑成型后，采用高强度摩擦型螺栓将墩柱200的各个部分固定连接在一起。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，如将上述H形软钢变更为十字形软钢等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种钢管混凝土桥墩，包括横梁、两个以上位于所述横梁下方用于支撑所述横梁的墩柱以及连接在相邻两个所述墩柱之间的系梁，其特征在于，所述系梁包括水平布置的系梁主体和分别固定连接在所述系梁主体两端的系梁耗能组件，所述系梁主体包括第一钢管、穿插在所述第一钢管内的第一软管内芯、填充在所述第一钢管和所述第一软钢内芯之间的第一混凝土以及焊接在所述第一软钢内芯两端的第一连接板，所述系梁耗能组件包括第二钢管、穿插在所述第二钢管内的第二软钢内芯、覆盖在所述第二软钢内芯侧表面上的第一PVP膜、填充在所述第二钢管和所述第一PVP膜之间的第二混凝土以及焊接在所述第二软钢内芯一端的第二连接板，所述第二软钢内芯远离所述第二连接板的一端从所述第二钢管穿出并固定连接在对应的所述墩柱上，所述第二连接板和对应的所述第一连接板之间通过螺栓固定连接。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述第二软钢内芯从所述第二钢管穿出的部位上设置有多个纵横布置的加强肋。

3.如权利要求1或2所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述墩柱包括竖直布置的墩柱主体、固定连接在所述墩柱主体下端的墩柱耗能组件和固定连接在所述墩柱耗能组件下端的柱脚，所述墩柱主体包括第三钢管、穿插在所述第三钢管内的第三软钢内芯、填充在所述第三软钢内芯和所述第三钢管之间的第三混凝土以及焊接在所述第三软钢内芯下端的第三连接板，所述墩柱耗能组件包括第四钢管、穿插在所述第四钢管内的第四软钢内芯、覆盖在所述第四软钢内芯侧表面上的第二PVP膜、填充在所述第四钢管和所述第二PVP膜之间的第四混凝土以及焊接在所述第四软钢内芯两端的第四连接板，所述第四连接板和所述第三连接板或所述柱脚之间通过螺栓固定连接。

4.如权利要求3所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述第一钢管、所述第二钢管、所述第三钢管和所述第四钢管都为方形钢管，所述第一软钢内芯、所述第二软钢内芯、所述第三软钢内芯和所述第四软钢内芯的都为H形软钢。

5.如权利要求4所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述墩柱耗能组件的高度为所述墩柱主体的横截面的宽度的1-1.2倍。

6.如权利要求3所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述第一钢管、所述第二钢管、所述第三钢管和所述第四钢管的壁厚相同，所述第一钢管和所述第二钢管的横截面的面积相同，所述第三钢管和所述第四钢管的横截面的面积相同，所述第一钢管的横截面的面积为所述第三钢管的横截面的面积的0.8倍。

7.如权利要求3所述的钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述第二混凝土和所述第四混凝土为延性混凝土。