CN110067212A - 一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法 - Google Patents

一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，属土木工程领域。由承台、桥墩、高流动性早强水泥砂浆、不锈钢套管、耗能角钢、SMA组合环簧、水平螺杆、竖直螺杆、高强螺栓、纵筋、聚四氟乙烯薄膜组成。该方法的思想是将原墩底固结的桥墩改变为摇摆桥墩。修复时首先将损坏的混凝土清除，并将塑性铰区纵筋在桥墩底部截断。塑性铰区外包不锈钢套管并在套管中灌注高流动性早强水泥砂浆。耗能角钢和SMA组合环簧组成体外耗能体系。该方法施工操作简单，所需时间短，修复后的桥墩成为摇摆体系，避免了强震下修复后桥墩的再次损伤。不锈钢套管显著提升了修复桥墩的耐久性。体外耗能体系具有自复位功能，避免了角钢的破坏，简便易修。

Description

一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法
技术领域
本发明涉及震后修复的钢筋混凝土桥墩，特别涉及基于摇摆受力机理和外置耗能装置的震后修复钢筋混凝土桥墩。
背景技术
钢筋混凝土桥墩是桥梁工程的主要抗侧力构件，国内外历次大地震的震害表明，钢筋混凝土桥墩在强震下很容易发生破坏，不但会造成严重的经济损失和人员伤亡，更会严重影响震后救灾工作的及时开展，从而加重地震灾害。
将震后损坏的桥墩进行快速修复，不但可节省修复重建的费用，更重要的是迅速恢复交通生命线工程，确保震后应急救援工作的及时开展。遗憾的是，目前国内外开展的桥墩震后修复技术的研究极少，且存在以下问题：(1)修复后的桥墩抗震能力弱，很容易在下一次发生的地震中发生更严重的破坏。(2)修复桥墩所需时间长，不满足震后交通生命线迅速保通的要求。(3)修复后的桥墩耐久性差，成为临时性建筑，修复后不久即需拆除重建。
综合上述背景，钢筋混凝土桥墩在强震下很容易发生破坏，严重影响震后应急救援工作的开展。桥墩震后修复技术的要求首先是快速修复，以便于迅速恢复交通网络，另外，修复后的桥墩不应成为临时性建筑，而应具有优越的抗震性能和耐久性。因此，提出一种既能迅速恢复桥墩震后的使用功能，且修复后的桥墩又具有良好的抗震性能和耐久性，成为桥梁工程技术人员面临的重大挑战。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法。由承台、桥墩、高流动性早强水泥砂浆、不锈钢套管、耗能角钢、SMA组合环簧、水平螺杆、竖直螺杆、高强螺栓、纵筋、聚四氟乙烯薄膜组成。具体操作上，将破坏区域的纵筋截断，利用高流动性早强水泥砂浆修复破坏区域，且高流动性早强水泥砂浆外套不锈钢套管。利用耗能角钢和SMA组合环簧形成外置耗能体系。该修复技术由于采用高流动性早强水泥砂浆，将大大节省震后修复的时间，实现快速修复。在受力机理上，由于纵筋已经截断，修复后的桥墩成为摇摆体系，且由于高流动早强水泥砂浆抗压强度高，外包不锈钢套管又显著增强了其抗剪强度，强震下修复后的桥墩很难破坏，且具有很好的耐久性。耗能角钢和SMA组合环簧组成的外置耗能体系可显著增大修复后桥墩的耗能能力，并且SMA组合环簧的使用，显著增加了外置耗能体系的变形能力并可减少桥墩震后残余位移，角钢在强震下不易被拉断。
为达到以上目的，可通过以下技术方案实现：
一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，其特征在于，由承台(1)、桥墩(2)、高流动性早强水泥砂浆(3)、不锈钢套管(4)、耗能角钢(5)、SMA组合环簧(6)、水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)、高强螺栓(8)、纵筋(9)、聚四氟乙烯薄膜(10)组成。
SMA组合环簧(6)由相互扣合的SMA外环(12)和内环(13)组成。SMA外环(12)由镍钛合金制成，内环(13)由屈服强度在500-1000MPa的高强度钢制成。SMA外环(12)和内环(13)均呈环状，自上而下交替采用。SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面接触，相互扣合，且SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面均外贴聚四氟乙烯薄膜(10)。
SMA外环(12)共2个，每个SMA外环(12)包括2个内环面。内环(13)共3个，包括上内环(13-1)、下内环(13-3)、中内环(13-2)各1个。所有SMA外环(12)和内环(13)的上端面和下端面均为平面。上内环(13-1)、下内环(13-3)均各含1个外环面，中内环(13-2)含2个外环面。
高流动性早强水泥砂浆(3)流动度大于300mm，常温下24小时抗压强度大于20MPa。
一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法的施工步骤为：第一步，将桥墩(2)塑性铰区破碎的混凝土(11)清除干净，并将桥墩(2)破坏区域底部的纵筋(9)截断。第二步，桥墩(2)破坏区域外套不锈钢套管(4)，不锈钢套管(4)中预留水平孔洞，水平螺杆(7-1)穿过预留水平孔洞且通过高强螺栓(8)固定于不锈钢套管(4)。第三步，在不锈钢套管(4)内部浇筑高流动性早强水泥砂浆(3)。第四步，在承台(1)中钻孔，孔中灌注高流动性早强水泥砂浆(3)，然后植入竖直螺杆(7-2)。第五步，在桥墩(2)与承台(1)间安装耗能角钢(5)。耗能角钢(5)的竖直肢通过高强螺栓(8)和水平螺杆(7-1)与不锈钢套管(4)连接。耗能角钢(5)的水平肢通过竖直螺杆(7-2)与承台(1)相连。第六步，在耗能角钢(5)的水平肢上部安装SMA组合环簧(6)。SMA组合环簧(6)通过其上部的高强螺栓(8)固定于耗能角钢(5)水平肢的上部。SMA组合环簧(6)自锁前的承载力小于耗能角钢(5)屈服对应的承载力。
水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)均设置螺纹。水平螺杆(7-1)沿不锈钢套管(4)高度方向设置2排，水平螺杆(7-1)穿过不锈钢套管(4)，并在不锈钢套管(4)内侧设置高强螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-1)的锚固。在不锈钢套管(4)外侧，仍通过高强螺栓(8)将耗能角钢(5)的竖直肢与桥墩(2)连接。竖直螺杆(7-2)通过高流动性早强水泥砂浆(3)锚固于承台(1)中，竖直螺杆(7-2)仅设置1排。
不锈钢套管(4)与承台(1)之间预留20mm-30mm的空隙。
采用上述技术方案的本发明：
1.修复后的桥墩具有很高的抗震能力。外包不锈钢套管将显著增加高流动早强水泥砂浆与既有混凝土的粘结能力，增加了高流动性早强水泥砂浆的抗压强度和延性，增加了高流动性早强水泥砂浆的抗剪强度。使得修复后的桥墩很难发生破坏。
2.在受力机理上，由于修复时已经将纵筋截断，而高流动性早强水泥砂浆和混凝土本身抗拉强度不高，强震下，修复后桥墩将发生摇摆反应，通过摇摆反应降低桥墩的抗震能力需求，这将进一步增强修复后桥墩的抗震能力，使之不发生破坏。
3.该修复技术现场湿作业少，施工方便。浇筑的高流动性早强水泥砂浆可在短时间内硬化并具有很高的抗压强度，该修复技术所需时间短，可实现震后快速修复的效果。
4.不锈钢套管、高流动早强水泥砂浆等均具有良好的耐久性，显著增加了修复后桥墩的耐久性。
5.耗能角钢和SMA组合环簧组成了外置耗能体系。首先，该外置耗能体系可快速替换，即使将来强震下发生破坏，也可以快速修复。其次，SMA组合环簧与耗能角钢串联使用，将显著减少耗能角钢的变形需求，耗能角钢将不易发生拉断破坏，显著增加了外置耗能体系的变形能力。
6.SMA外环的内环面与内环的外环面均外贴聚四氟乙烯薄膜，相互之间具有很小的摩擦力。受压状态下，SMA组合环簧主要依靠SMA外环的张拉耗能，且由于SMA外环由镍钛合金制成，卸载后SMA外环收缩，SMA组合环簧具有良好的自复位能力。
7.设计上，可设计SMA组合环簧自锁前的承载力小于耗能角钢屈服对应的承载力。当SMA组合环簧受压变形到一定程度时，内环相互接触，SMA外环不再张拉，SMA组合环簧“自锁”。由于SMA组合环簧具有“自锁”功能，SMA组合环簧的变形达到最大时，SMA组合环簧自锁，自锁后荷载主要由高强钢制成的内环承担，可有效保护SMA组合环簧不发生破坏。SMA组合环簧自锁前，由于耗能角钢尚未屈服，且SMA组合环簧具有良好的自复位能力，卸载后，SMA组合环簧和耗能角钢自动复位，将显著减少桥墩残余变形。
与传统的桥墩震后修复技术相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，修复后桥墩的抗震能力高。由于采用摇摆体系减少了震后修复桥墩的抗震需求，且外包不锈钢套管显著增加了高流动性早强水泥砂浆与既有混凝土的粘结能力，增加了高流动早强水泥砂浆的抗压强度和延性，增加了修复后桥墩的抗剪强度。其二，该修复技术现场湿作业少，施工方便，高流动早强水泥砂浆可快速硬化，实现了震后快速修复的目的。其三，修复后桥墩具有良好的耐久性。由于高流动早强水泥砂浆和不锈钢套管均具有良好的耐久性，使得修复后的桥墩可长久使用。其四，修复后的桥墩具有很好的耗能能力，且外置耗能装置便于修复替换。耗能角钢与SMA组合环簧串联使用，显著增加了耗能体系的变形能力，且即使外置耗能装置发生破坏，也便于修复替换。其五，耗能角钢屈服前，由于SMA组合环簧具有自锁和自复位功能，此时外置耗能体系具有显著的自复位能力，可显著减少修复后桥墩的震后残余变形。其六，与其它震后修复技术相比，本发明提出的震后修复技术受力机理更为简单明确，便于设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
本发明共7幅附图,其中：
图1为本发明的总体示意图。
图2为本发明桥墩修复前的示意图。
图3为本发明将桥墩破坏的混凝土清除、纵筋截断后的示意图。
图4为本发明修复过程中安装不锈钢套管后的示意图。
图5为本发明SMA组合环簧剖面图。
图6为本发明SMA组合环簧立体图。
图7为本发明SMA组合环簧各部件立体图及组装图。
图中：1—承台，2—桥墩，3—高流动性早强水泥砂浆，4—不锈钢套管，5—耗能角钢，6—SMA组合环簧，7-1—水平螺杆，7-2—竖直螺杆，8—高强螺栓，9—纵筋，10—聚四氟乙烯薄膜，11—破碎的混凝土，12—SMA外环，13-1—上内环，13-2—中内环，13-3—下内环。
具体实施方式
如图所示的一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，主要由承台(1)、桥墩(2)、高流动性早强水泥砂浆(3)、不锈钢套管(4)、耗能角钢(5)、SMA组合环簧(6)、水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)、高强螺栓(8)、纵筋(9)、聚四氟乙烯薄膜(10)组成。
SMA组合环簧(6)由相互扣合的SMA外环(12)和内环(13)组成。SMA外环(12)由镍钛合金制成，内环(13)由屈服强度在500-1000MPa的高强度钢制成。SMA外环(12)和内环(13)均呈环状，自上而下交替采用。SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面接触，相互扣合，且SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面均外贴聚四氟乙烯薄膜(10)。
SMA外环(12)共2个，每个SMA外环(12)包括2个内环面。内环(13)共3个，包括上内环(13-1)、下内环(13-3)、中内环(13-2)各1个。所有SMA外环(12)和内环(13)的上端面和下端面均为平面。上内环(13-1)、下内环(13-3)均各含1个外环面，中内环(13-2)含2个外环面。
高流动性早强水泥砂浆(3)流动度大于300mm，常温下24小时抗压强度大于20MPa。
一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法的施工步骤为：第一步，将桥墩(2)塑性铰区破碎的混凝土(11)清除干净，并将桥墩(2)破坏区域底部的纵筋(9)截断。第二步，桥墩(2)破坏区域外套不锈钢套管(4)，不锈钢套管(4)中预留水平孔洞，水平螺杆(7-1)穿过预留水平孔洞且通过高强螺栓(8)固定于不锈钢套管(4)。第三步，在不锈钢套管(4)内部浇筑高流动性早强水泥砂浆(3)。第四步，在承台(1)中钻孔，孔中灌注高流动性早强水泥砂浆(3)，然后植入竖直螺杆(7-2)。第五步，在桥墩(2)与承台(1)间安装耗能角钢(5)。耗能角钢(5)的竖直肢通过高强螺栓(8)和水平螺杆(7-1)与不锈钢套管(4)连接。耗能角钢(5)的水平肢通过竖直螺杆(7-2)与承台(1)相连。第六步，在耗能角钢(5)的水平肢上部安装SMA组合环簧(6)。SMA组合环簧(6)通过其上部的高强螺栓(8)固定于耗能角钢(5)水平肢的上部。SMA组合环簧(6)自锁前的承载力小于耗能角钢(5)屈服对应的承载力。
水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)均设置螺纹。水平螺杆(7-1)沿不锈钢套管(4)高度方向设置2排，水平螺杆(7-1)穿过不锈钢套管(4)，并在不锈钢套管(4)内侧设置高强螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-1)的锚固。在不锈钢套管(4)外侧，仍通过高强螺栓(8)将耗能角钢(5)的竖直肢与桥墩(2)连接。竖直螺杆(7-2)通过高流动性早强水泥砂浆(3)锚固于承台(1)中，竖直螺杆(7-2)仅设置1排。
不锈钢套管(4)与承台(1)之间预留20mm-30mm的空隙。
采用上述技术方案的本发明：
1.修复后的桥墩具有很高的抗震能力。外包不锈钢套管将显著增加高流动早强水泥砂浆与既有混凝土的粘结能力，增加了高流动性早强水泥砂浆的抗压强度和延性，增加了高流动性早强水泥砂浆的抗剪强度。使得修复后的桥墩很难发生破坏。
2.在受力机理上，由于修复时已经将纵筋截断，而高流动性早强水泥砂浆和混凝土本身抗拉强度不高，强震下，修复后桥墩将发生摇摆反应，通过摇摆反应降低桥墩的抗震能力需求，这将进一步增强修复后桥墩的抗震能力，使之不发生破坏。
3.该修复技术现场湿作业少，施工方便。浇筑的高流动性早强水泥砂浆可在短时间内硬化并具有很高的抗压强度，该修复技术所需时间短，可实现震后快速修复的效果。
4.不锈钢套管、高流动早强水泥砂浆等均具有良好的耐久性，显著增加了修复后桥墩的耐久性。
5.耗能角钢和SMA组合环簧组成了外置耗能体系。首先，该外置耗能体系可快速替换，即使将来强震下发生破坏，也可以快速修复。其次，SMA组合环簧与耗能角钢串联使用，将显著减少耗能角钢的变形需求，耗能角钢将不易发生拉断破坏，显著增加了外置耗能体系的变形能力。
6.SMA外环的内环面与内环的外环面均外贴聚四氟乙烯薄膜，相互之间具有很小的摩擦力。受压状态下，SMA组合环簧主要依靠SMA外环的张拉耗能，且由于SMA外环由镍钛合金制成，卸载后SMA外环收缩，SMA组合环簧具有良好的自复位能力。
7.设计上，可设计SMA组合环簧自锁前的承载力小于耗能角钢屈服对应的承载力。当SMA组合环簧受压变形到一定程度时，内环相互接触，SMA外环不再张拉，SMA组合环簧“自锁”。由于SMA组合环簧具有“自锁”功能，SMA组合环簧的变形达到最大时，SMA组合环簧自锁，自锁后荷载主要由高强钢制成的内环承担，可有效保护SMA组合环簧不发生破坏。SMA组合环簧自锁前，由于耗能角钢尚未屈服，且SMA组合环簧具有良好的自复位能力，卸载后，SMA组合环簧和耗能角钢自动复位，将显著减少桥墩残余变形。
综上，本发明提出了一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法。主要由承台、桥墩、高流动性早强水泥砂浆、不锈钢套管、耗能角钢、SMA组合环簧、水平螺杆、竖直螺杆、高强螺栓、纵筋、聚四氟乙烯薄膜组成。与传统的桥墩震后修复技术相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，修复后桥墩的抗震能力高。由于采用摇摆体系减少了震后修复桥墩的抗震需求，且外包不锈钢套管显著增加了高流动性早强水泥砂浆与既有混凝土的粘结能力，增加了高流动早强水泥砂浆的抗压强度和延性，增加了修复后桥墩的抗剪强度。其二，该修复技术现场湿作业少，施工方便，高流动早强水泥砂浆可快速硬化，实现了震后快速修复的目的。其三，修复后桥墩具有良好的耐久性。由于高流动早强水泥砂浆和不锈钢套管均具有良好的耐久性，使得修复后的桥墩可长久使用。其四，修复后的桥墩具有很好的耗能能力，且外置耗能装置便于修复替换。耗能角钢与SMA组合环簧串联使用，显著增加了耗能体系的变形能力，且即使外置耗能装置发生破坏，也便于修复替换。其五，耗能角钢屈服前，由于SMA组合环簧具有自锁和自复位功能，此时外置耗能体系具有显著的自复位能力，可显著减少修复后桥墩的震后残余变形。其六，与其它震后修复技术相比，本发明提出的震后修复技术受力机理更为简单明确，便于设计。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，其特征在于，结构包括承台(1)、桥墩(2)、高流动性早强水泥砂浆(3)、不锈钢套管(4)、耗能角钢(5)、SMA组合环簧(6)、水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)、高强螺栓(8)、纵筋(9)和聚四氟乙烯薄膜(10)；
SMA组合环簧(6)由相互扣合的SMA外环(12)和内环(13)组成；SMA外环(12)由镍钛合金制成，内环(13)由屈服强度在500-1000MPa的高强度钢制成；SMA外环(12)和内环(13)均呈环状，自上而下交替采用；SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面接触，相互扣合，且SMA外环(12)的内环面与内环(13)的外环面均外贴聚四氟乙烯薄膜(10)；
SMA外环(12)共2个，每个SMA外环(12)包括2个内环面；内环(13)共3个，包括上内环(13-1)、下内环(13-3)、中内环(13-2)各1个；所有SMA外环(12)和内环(13)的上端面和下端面均为平面；上内环(13-1)、下内环(13-3)均各含1个外环面，中内环(13-2)含2个外环面；
高流动性早强水泥砂浆(3)流动度大于300mm，常温下24小时抗压强度大于20MPa；
施工步骤为：第一步，将桥墩(2)塑性铰区破碎的混凝土(11)清除干净，并将桥墩(2)破坏区域底部的纵筋(9)截断；第二步，桥墩(2)破坏区域外套不锈钢套管(4)，不锈钢套管(4)中预留水平孔洞，水平螺杆(7-1)穿过预留水平孔洞且通过高强螺栓(8)固定于不锈钢套管(4)；第三步，在不锈钢套管(4)内部浇筑高流动性早强水泥砂浆(3)；第四步，在承台(1)中钻孔，孔中灌注高流动性早强水泥砂浆(3)，然后植入竖直螺杆(7-2)；第五步，在桥墩(2)与承台(1)间安装耗能角钢(5)；耗能角钢(5)的竖直肢通过高强螺栓(8)和水平螺杆(7-1)与不锈钢套管(4)连接；耗能角钢(5)的水平肢通过竖直螺杆(7-2)与承台(1)相连；第六步，在耗能角钢(5)的水平肢上部安装SMA组合环簧(6)；SMA组合环簧(6)通过其上部的高强螺栓(8)固定于耗能角钢(5)水平肢的上部；SMA组合环簧(6)自锁前的承载力小于耗能角钢(5)屈服对应的承载力。
2.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，其特征在于：水平螺杆(7-1)、竖直螺杆(7-2)均设置螺纹；水平螺杆(7-1)沿不锈钢套管(4)高度方向设置2排，水平螺杆(7-1)穿过不锈钢套管(4)，并在不锈钢套管(4)内侧设置高强螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-1)的锚固；在不锈钢套管(4)外侧，仍通过高强螺栓(8)将耗能角钢(5)的竖直肢与桥墩(2)连接；竖直螺杆(7-2)通过高流动性早强水泥砂浆(3)锚固于承台(1)中，竖直螺杆(7-2)仅设置1排。
3.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土桥墩震后快速修复方法，其特征在于：不锈钢套管(4)与承台(1)之间预留20mm-30mm的空隙。
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