1.本发明涉及一种可更换节段的预制拼装混合墩及其施工方法，属于桥梁工程预制拼装桥墩的设计与施工技术领域。


背景技术：

2.桥墩不仅是桥梁的主要构件，而且对桥梁的抗震性能起到至关重要的作用。我国现行的公路桥梁抗震设计规范规定，采用延性抗震设计的桥梁应选择桥墩作为延性构件。因此，当遭遇强烈地震作用时，混凝土桥墩通常都会发生严重损坏甚至不可修复的破坏，从而严重影响桥梁的使用功能，甚至使公路交通长期中断，造成不可估量的经济损失。
3.另一方面，近年来桥梁建造已从传统的现浇施工模式开始转向绿色施工模式，桥梁上、下部结构同步预制装配化施工技术得到快速发展。目前，桥梁上部结构的预制装配化施工技术已趋向成熟，然而，如何确保预制拼装桥墩具有整体现浇桥墩的性能，是当前实现桥梁上、下部结构全预制装配化施工必须解决的问题。传统的预制墩柱拼装工艺有灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管连接、承插式连接、插槽式连接、后张预应力筋连接、法兰连接等，但常规连接构造存在施工困难、灌浆质量难以检测以及在地震作用下耗能能力差、震损后难以修复等问题，限制了全预制装配化桥梁施工技术的发展及应用，尤其是在高烈度地震区的推广应用。
4.近年来，桥梁抗震设计理念已从抗震、减隔震发展到震后可恢复性设计。可恢复功能抗震设计使结构在震后不需修复或稍加修复即可恢复正常使用，减小了结构震后功能中断带来的影响。目前，有多种技术途径可实现桥梁的震后可恢复性，包括摇摆结构、自复位结构、可更换构件结构等。结合预制拼装桥墩技术与可恢复功能抗震结构的优点，提出一种可更换节段的预制拼装混合墩及其实施方案，克服了传统预制拼装桥墩在地震作用下耗能能力差、震损后不易修复等问题，可满足工程的应用需要。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可更换节段的预制拼装混合墩及其施工方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可更换节段的预制拼装混合墩，包括由钢筋混凝土墩柱上节段和钢管混凝土芯柱、可更换的预制空心薄壁钢桥墩下节段共同组成的墩身，所述钢筋混凝土墩柱上节段和钢管混凝土芯柱预制为一体并插入承台预留的杯槽中，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段与钢筋混凝土墩柱上节段及承台之间均通过高强螺栓连接。
7.优选的，所述杯槽底部设置预埋钢板，以满足墩底局部承压的需要；所述钢管混凝土芯柱与杯槽之间的四周缝隙采用沥青麻刀填实，形成简易的墩底铰接构造。
8.优选的，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段采用普通钢或低屈服点钢材制作，截面形状为箱形，其钢箱段内部设置纵向加劲肋和开孔横隔板，顶部焊接下法兰，底部焊接柱脚
板；下法兰与预制空心薄壁钢桥墩下节段之间焊接有第一加劲肋，柱脚板与预制空心薄壁钢桥墩下节段之间焊接有第二加劲肋，预制空心薄壁钢桥墩下节段与承台之间通过柱脚板、承台内预埋的锚固钢板及第一高强螺栓进行可靠锚固连接。
9.优选的，所述钢筋混凝土墩柱上节段底部设置上法兰，钢筋混凝土墩柱上节段通过上、下法兰及第二高强螺栓与预制空心薄壁钢桥墩下节段实现可靠的螺接，从而形成混合墩柱；上、下法兰之间设有橡胶垫圈，以减少预制空心薄壁钢桥墩下节段承受的轴向压力。
10.优选的，所述钢筋混凝土墩柱上节段内部配有纵向受力钢筋和横向箍筋、底部设置开孔的上法兰，所述纵向受力钢筋底部与上法兰上表面之间采用焊接连接；所述钢管混凝土芯柱采用圆形高强钢管混凝土柱、底部设置有封仓钢板；所述钢管混凝土芯柱穿过开孔的上法兰进入钢筋混凝土墩柱上节段内，上法兰与钢管混凝土芯柱周边的高强钢管通过焊接连成整体，钢管混凝土芯柱与上法兰之间设置第三加劲肋；进入钢筋混凝土墩柱上节段内的钢管混凝土芯柱设置剪力钉，以实现内力的可靠传递。
11.优选的，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段底部焊接的柱脚板采用高强钢板制作，其板上开有呈阵列布置的螺栓孔。
12.优选的，所述承台内预埋的锚固钢板采用高强钢板加工而成，其上开有呈阵列布置的螺栓孔；与螺栓孔对应的位置处设置有高强螺母套管，高强螺母套管与锚固钢板底面采用焊接连接。
13.优选的，所述锚固钢板上所开的螺栓孔的环形排列方式与柱脚板上所开的螺栓孔的排列方式相同，两者一一对应。
14.优选的，所述承台上部预留可供钢管混凝土芯柱插入安装的杯槽，杯槽形状与钢管混凝土芯柱同形，杯槽内表面与钢管混凝土芯柱之间预留有一定的间隙，以允许墩身转动。
15.一种可更换节段的预制拼装混合墩的施工方法，按以下步骤进行：施工方法分成新建桥梁和既有桥梁震后受损需要更换两种情形：对于新建桥梁，其主要施工方法如下：（1）、墩身底部基础施工，绑扎承台钢筋，精确放样并安装承台内的锚固钢板、杯槽底部的预埋钢板及其它预埋件，安装承台模板，浇筑承台混凝土并养生到设计要求的强度；在基础施工过程中，平行作业进行钢筋混凝土墩柱上节段和钢管混凝土芯柱的一体预制、预制空心薄壁钢桥墩下节段的预制；（2）、安装预制空心薄壁钢桥墩下节段，初拧柱脚板与锚固钢板之间的第一高强螺栓；为便于安装和更换，预制空心薄壁钢桥墩下节段制作时分成左、右对称的两半钢箱段进行加工，焊接左、右两半钢箱段，焊接完成后，在下法兰上安放橡胶垫圈，并采取适当的限位措施，防止橡胶垫圈移位；（3）、施工承台预留杯槽底部和杯槽侧壁之间的沥青麻刀垫层；（4）、吊装钢筋混凝土墩柱上节段和钢管混凝土芯柱，就位后，拧紧上法兰与下法兰之间的第二高强螺栓，终拧柱脚板与锚固钢板之间的第一高强螺栓；（5）、安装桥梁上部结构，施工桥面系及其附属设施；对于震后受损需要更换的情形，其主要施工方法如下：
根据预制空心薄壁钢桥墩下节段的损伤情况，判断是否需要更换，对于需要更换的作如下处理：（1）、在钢筋混凝土墩柱上节段周围搭设临时斜向支撑，保证更换过程中墩身的安全稳定；（2）、拆除上法兰与下法兰之间的第二高强螺栓，以及柱脚板与锚固钢板之间的第一高强螺栓，切割并拆除需要更换的预制空心薄壁钢桥墩下节段，此时钢管混凝土芯柱起到支撑上部结构的作用，无需搭设临时竖向支撑系统；（3）、吊放新的预制空心薄壁钢桥墩下节段，按要求先初拧柱脚板与锚固钢板之间的第一高强螺栓，焊接左、右两半钢箱段；（4）、焊接完成后，拧紧上法兰与下法兰之间的第二高强螺栓，终拧柱脚板与锚固钢板之间的第一高强螺栓，完成预制空心薄壁钢桥墩下节段的更换。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构受力明确，传力可靠，且具有遭遇强震作用损坏后可更换节段、快速恢复功能的特性，解决了传统预制拼装桥墩耗能能力较差、震损后难以修复等问题。
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
18.图1为本发明的混合墩的整体结构图。
19.图2为本发明的混合墩整体结构俯视图。
20.图3为图1的a-a截面剖面图。
21.图4为图1的b-b截面剖面图。
22.图5为图1的c-c截面剖面图。
23.图6为图1的d-d截面剖面图。
具体实施方式
24.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
25.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.如图1~6所示，本实施例提供了一种可更换节段的预制拼装混合墩，包括由钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2、可更换的预制空心薄壁钢桥墩下节段4共同组成的墩身，所述钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2预制为一体并插入承台10预留的杯槽中，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段4与钢筋混凝土墩柱上节段1及承台10之间均通过高强螺栓连接。在结构受力方面，钢管混凝土芯柱2主要承受并传递轴力，预制空心薄壁钢桥墩下节段4主要承受并传递水平剪力和弯矩，传力机理明确且容易实现。
28.在本发明实施例中，为便于安装和更换，预制空心薄壁钢桥墩下节段4制作时应分成左、右对称的两半钢箱段进行加工；安装时左、右两半钢箱段采用单侧坡口焊缝焊接连接，顶部下法兰18及底部柱脚板19的拼缝可不焊接。
29.在本发明实施例中，所述杯槽底部设置预埋钢板9，以满足墩底局部承压的需要；所述钢管混凝土芯柱2与杯槽之间的四周缝隙采用沥青麻刀8填实，形成简易的墩底铰接构造。
30.在本发明实施例中，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段4采用普通钢或低屈服点钢材制作，截面形状为箱形，其钢箱段内部设置纵向加劲肋7和开孔横隔板16，顶部焊接下法兰18，底部焊接柱脚板19；下法兰18与预制空心薄壁钢桥墩下节段4之间焊接有第一加劲肋14，柱脚板19与预制空心薄壁钢桥墩下节段4之间焊接有第二加劲肋12，预制空心薄壁钢桥墩下节段4与承台10之间通过柱脚板19、承台10内预埋的锚固钢板5及第一高强螺栓15进行可靠锚固连接。
31.在本发明实施例中，所述钢筋混凝土墩柱上节段1底部设置上法兰3，钢筋混凝土墩柱上节段1通过上、下法兰及第二高强螺栓13与预制空心薄壁钢桥墩下节段4实现可靠的螺接，从而形成混合墩柱；上、下法兰之间设有橡胶垫圈20，以减少预制空心薄壁钢桥墩下节段4承受的轴向压力。在遭遇强震作用时，混合墩柱中只有预制空心薄壁钢桥墩下节段4发生屈服和塑性变形，利用钢材的良好塑性变形能力耗散地震能量，钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2始终保持在弹性未损坏的状态。
32.在本发明实施例中，所述钢筋混凝土墩柱上节段1按常规钢筋混凝土桥墩设计，内部配有纵向受力钢筋17和横向箍筋22、底部设置开孔的上法兰3，所述纵向受力钢筋17底部与上法兰3上表面之间采用焊接连接；所述钢管混凝土芯柱2按轴心受压构件设计，采用圆形高强钢管混凝土柱、底部设置有封仓钢板；所述钢管混凝土芯柱2穿过开孔的上法兰3进入钢筋混凝土墩柱上节段1内，上法兰3与钢管混凝土芯柱2周边的高强钢管通过焊接连成整体，钢管混凝土芯柱2与上法兰3之间设置第三加劲肋21；进入钢筋混凝土墩柱上节段1内的钢管混凝土芯柱2设置剪力钉11，以实现内力的可靠传递。
33.在本发明实施例中，所述预制空心薄壁钢桥墩下节段4底部焊接的柱脚板19采用高强钢板制作，其板上开有呈阵列布置的螺栓孔。预制空心薄壁钢桥墩下节段4按受弯构件设计，主要承受并传递水平剪力和弯矩。
34.在本发明实施例中，所述承台10内预埋的锚固钢板5采用高强钢板加工而成，其上开有呈阵列布置的螺栓孔；与螺栓孔对应的位置处设置有高强螺母套管6，高强螺母套管6与锚固钢板5底面采用焊接连接。焊接过程中应严格控制螺母套管的垂直度。
35.在本发明实施例中，所述锚固钢板5上所开的螺栓孔的环形排列方式与柱脚板19上所开的螺栓孔的排列方式相同，两者一一对应。应按要求严格放样。
36.在本发明实施例中，所述承台10上部预留可供钢管混凝土芯柱2插入安装的杯槽，杯槽形状与钢管混凝土芯柱2同形，杯槽内表面与钢管混凝土芯柱2之间预留有一定的间隙，以允许墩身转动。
37.一种可更换节段的预制拼装混合墩的施工方法，按以下步骤进行：施工方法分成新建桥梁和既有桥梁震后受损需要更换两种情形：对于新建桥梁，其主要施工方法如下：
（1）、墩身底部基础施工，绑扎承台钢筋，精确放样并安装承台内的锚固钢板5、杯槽底部的预埋钢板9及其它预埋件，安装承台模板，浇筑承台混凝土并养生到设计要求的强度；在基础施工过程中，平行作业进行钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2的一体预制、预制空心薄壁钢桥墩下节段4的预制；（2）、安装预制空心薄壁钢桥墩下节段4，初拧柱脚板19与锚固钢板5之间的第一高强螺栓15；为便于安装和更换，预制空心薄壁钢桥墩下节段4制作时分成左、右对称的两半钢箱段进行加工，焊接左、右两半钢箱段，焊接完成后，在下法兰18上安放橡胶垫圈20，并采取适当的限位措施，防止橡胶垫圈20移位；（3）、施工承台10预留杯槽底部和杯槽侧壁之间的沥青麻刀8垫层；（4）、吊装钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2，就位后，拧紧上法兰3与下法兰18之间的第二高强螺栓13，终拧柱脚板19与锚固钢板5之间的第一高强螺栓15；（5）、安装桥梁上部结构，施工桥面系及其附属设施；对于震后受损需要更换的情形，其主要施工方法如下：根据预制空心薄壁钢桥墩下节段4的损伤情况，判断是否需要更换，对于需要更换的作如下处理：（1）、在钢筋混凝土墩柱上节段1周围搭设临时斜向支撑，保证更换过程中墩身的安全稳定；（2）、拆除上法兰3与下法兰18之间的第二高强螺栓13，以及柱脚板19与锚固钢板5之间的第一高强螺栓15，切割并拆除需要更换的预制空心薄壁钢桥墩下节段4，此时钢管混凝土芯柱2起到支撑上部结构的作用，无需搭设临时竖向支撑系统；（3）、吊放新的预制空心薄壁钢桥墩下节段4，按要求先初拧柱脚板19与锚固钢板5之间的第一高强螺栓15，焊接左、右两半钢箱段；（4）、焊接完成后，拧紧上法兰3与下法兰18之间的第二高强螺栓13，终拧柱脚板19与锚固钢板5之间的第一高强螺栓15，完成预制空心薄壁钢桥墩下节段4的更换。
38.在构造方面，一体预制的钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2插入承台的预留杯槽中，形成简易的墩底铰接构造；预制空心薄壁钢桥墩下节段4与钢筋混凝土墩柱上节段1及承台之间均通过高强螺栓连接，构造设计简单，且易于安装和更换，解决了常规预制拼装桥墩连接构造施工困难、灌浆质量难以检测等技术难题。在设计方面，钢筋混凝土墩柱上节段1按常规钢筋混凝土桥墩设计，钢管混凝土芯柱2按轴心受压构件设计，以承受轴力为主，预制空心薄壁钢桥墩下节段4按受弯构件设计，主要承受剪力和弯矩作用，结构受力明确，传力可靠。特别地，在遭遇强震作用时，混合墩柱中只有预制空心薄壁钢桥墩下节段4发生屈服和塑性变形，利用钢材的良好塑性变形能力耗散地震能量，钢筋混凝土墩柱上节段1和钢管混凝土芯柱2始终保持在弹性未损坏的状态；震后根据预制空心薄壁钢桥墩下节段4的损伤情况，判断是否需要更换，更换过程中，钢管混凝土芯柱2起到支撑上部结构的作用，无需另外搭设强大的临时竖向支撑系统，更换过程安全、方便、高效，可实现桥梁震后使用功能的快速恢复，解决了常规预制拼装桥墩在地震作用下耗能能力差、震损后不易修复等技术难题。
39.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等
效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。