一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构及其施工方法

本发明涉及一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构及其施工方法，属于在役桥梁抗震加固领域。

背景技术：

1、钢结构因低碳、轻质、绿色、环保、抗震性能优越和工业化程度高等优点，已成为我国土木行业发展的重要趋势。目前，钢结构已经广泛应用于桥梁结构。钢桥墩在制造时可以进行预制，不需要在现场进行大量施工，节省了工期和人工成本。随着城市交通拥堵的加剧，采用钢桥可以有效地解决城市道路交通拥堵问题，提高城市交通的通行率和质量。因此，钢桥墩逐渐广泛应用于城市公路桥梁，甚至跨海桥梁。

2、截至2022年底，我国公路桥梁达103.3万座，总长约8576万延米，其中特大桥8816座,总长约1621万延米。技术等级三、四类、五类的危桥、旧桥占比超过25%，我国公路桥梁面临危病桥梁多、老旧桥梁多、低荷载桥梁多等突出问题。大量早期建设的桥梁存在抗震设计缺陷甚至未经抗震设计；部分桥梁在使用过程特别是恶劣环境中材料性能退化显著；最新版《中国地震动参数区划图》将全国基本地震动峰值加速度0.10g（ⅶ度）及以上区域面积从49%上升到58%，桥梁抗震需求进一步提高；因此，由于设计缺陷、材料劣化或标准提高等导致我国一大批在役危旧桥梁抗震能力严重不足，抗震性能亟待提升。桥梁作为生命线工程，要求桥梁工程能够抵御自然或人为因素引发的严重灾害并最大程度维持其功能，以及在灾后快速恢复的性能，以保证震后生命线畅通。

3、对既有桥梁进行抗震加固能够提高其在地震作用下抗震性能，但常见的抗震加固技术大多是基于延性和减隔震理念，地震作用下会产生较大损伤或残余位移，且很难通过震后修复快速恢复到可使用范围，严重影响震后交通生命线畅通。因此，该问题成为制约既有桥梁抗震韧性提升的主要瓶颈问题。自复位摇摆结构在地震作用下能够实现减小桥墩损伤且降低震后残余位移的目的，能够保证震后功能快速可恢复。目前自复位摇摆结构的研究多集中于新建结构，尚缺少将基于延性设计理念的桥墩结构改造成基于摇摆的桥墩结构的技术方法。此外，自复位耗能元件目前已应用于桥梁加固领域，但亟待将自复位摇摆理念与自复位耗能元件结合用于钢桥墩抗震韧性提升领域。因此，针对在役钢桥墩，亟需提出一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构及其施工方法，旨在采用施工速度快，安装便捷的方式提升钢桥墩抗震能力，降低墩底损伤，减小震后残余位移，提升钢桥墩震后功能可恢复性与抗震韧性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的上述缺陷，为了解决在役钢桥墩在地震荷载作用下墩底塑性铰区域损伤严重，震后残余位移大以及震后功能可恢复性差等问题，本发明提出了一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构及其施工方法，旨在提升在役钢桥墩的抗震韧性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构，包括在役钢桥墩以及既有承台，还包括墩底钢连接件、墩底连接锚杆、增设墩底钢连接件、钢肋板、墩底钢板以及自复位耗能元件；

4、所述在役钢桥墩通过墩底钢连接件以及墩底连接锚杆与既有承台连接；所述墩底连接锚杆上部安装有碟簧垫片，碟簧垫片设置在墩底连接锚杆顶部螺母与墩底钢连接件之间；所述既有承台预留有自复位耗能元件的安装空间；在既有承台顶部布置有所述墩底钢板，在墩底钢连接件两侧焊接有增设墩底钢连接件以扩大墩底钢连接件用于摇摆；所述在役钢桥墩与墩底钢连接件上焊接有所述钢肋板以增加整体性；所述自复位耗能元件由钢外套管、耗能钢芯、挡块以及组合碟簧组成，兼具耗能和自复位能力；自复位耗能元件的钢外套管顶部与墩底钢板焊接；

5、所述钢外套管固定在安装空间内，耗能钢芯设置在钢外套管内部，并能够在钢外套管内上下移动，所述耗能钢芯依次穿过墩底钢板以及增设墩底钢连接件，并通过螺母和垫片固定在增设墩底钢连接件顶部；所述耗能钢芯外壁以及钢外套管内壁上均设置有相对设置的多组挡块，每组挡块之间设置有组合碟簧；钢外套管、耗能钢芯的相对移动可带动挡块压缩组合碟簧；所述自复位耗能元件设置在既有承台预留的安装空间内，并通过高性能灌浆料或超高性能混凝土uhpc实现与增设墩底钢连接件以及既有承台的连接。

6、进一步地，所述螺母与碟簧垫片之间的初始预紧力需要能够满足钢桥墩正常使用状态墩底固结所需预紧力；所述既有承台上预留的自复位耗能元件安装空间的横截面积不小于自复位耗能元件横截面积的3倍，保证自复位耗能元件与既有承台连接的可靠性；既有承台上预留的自复位耗能元件安装空间，其切除混凝土的总体积不超过既有承台体积的1/10，避免由于切除体积过大影响既有承台的承载能力与可靠性；所述在役钢桥墩在采取抗震韧性提升措施前，要对其剩余承载能力进行评估，保证其剩余承载能力或采取加固措施后承载能力超过原承载能力的80%，再采取抗震韧性提升措施。

7、进一步地，所述墩底钢连接件在与增设墩底钢连接件焊接前要保证焊接面干净、平整、无严重锈迹；所述焊接钢肋板的厚度不小于在役钢桥墩壁厚的1/2，数量与位置根据墩底钢连接件和墩底连接锚杆具体构造决定。

8、进一步地，所述墩底钢板与既有承台间设置有墩底钢板锚固件；所述墩底连接锚杆、钢肋板以及自复位耗能元件均对称设置在在役钢桥墩四周，其中，自复位耗能元件设置在墩底钢连接件和墩底连接锚杆的外周，且钢肋板为梯形钢肋板。

9、进一步地，所述耗能钢芯采用低屈服点的钢材或不锈钢材制成。

10、进一步地，所有自复位耗能元件中组合碟簧提供的恢复力、在役钢桥墩自重提供的恢复力以及碟簧垫片受压提供的恢复力之和，需要大于在役钢桥墩在摇摆过程中的产生倾覆荷载。

11、进一步地，所述增设墩底钢连接件的最外缘需要在墩底钢板最外缘内，便于改造后钢桥墩的摇摆；所述墩底钢板锚固件螺杆设置有螺纹，用于增加其与高性能灌浆料或超高性能混凝土uhpc的粘结可靠性。

12、上述在役钢桥墩抗震韧性提升结构的施工方法，包括如下步骤：

13、s1.评估在役钢桥墩的剩余承载力，设计增设墩底钢连接件、钢肋板和自复位耗能元件的尺寸；

14、s2.释放在役钢桥墩墩底钢连接件的螺母，延长墩底连接锚杆，安装碟簧垫片，利用螺母向碟簧垫片施加钢桥墩正常工作所需预紧力；

15、s3.处理既有承台混凝土，为自复位耗能元件预留安装空间；并凿毛既有承台空洞内混凝土壁，增加与高性能灌浆料或超高性能混凝土uhpc的粘结力；

16、s4.安装墩底钢板，焊接增设墩底钢连接件和钢肋板，保证在役钢桥墩与增设墩底钢连接件的整体性；

17、s5.安装自复位耗能元件；

18、s6.在既有承台预留空洞中浇筑高性能灌浆料或超高性能混凝土uhpc。

19、另一种在役钢桥墩抗震韧性提升结构，包括在役钢桥墩以及既有承台，其特征在于：还包括墩底钢连接件、墩底连接锚杆、增设墩底钢连接件、钢肋板、墩底钢板以及自复位耗能元件；

20、所述在役钢桥墩通过墩底钢连接件以及墩底连接锚杆与既有承台连接；所述墩底连接锚杆上部安装有碟簧垫片，碟簧垫片设置在墩底连接锚杆顶部螺帽与墩底钢连接件之间；在既有承台顶部布置有所述墩底钢板，在墩底钢连接件两侧焊接有增设墩底钢连接件以扩大墩底钢连接件用于摇摆；所述在役钢桥墩与墩底钢连接件上焊接有所述钢肋板以增加整体性；所述自复位耗能元件由钢外套管、耗能钢芯、挡块以及组合碟簧组成，兼具耗能和自复位能力；自复位耗能元件的钢外套管顶部与墩底钢板焊接；所述钢外套管、耗能钢芯分别相对设置在自复位耗能元件的一端，二者之间可相对运动，其中，耗能钢芯设置在钢外套管内部，耗能钢芯外壁以及钢外套管内壁上均设置有相对设置的多组挡块，每组挡块之间设置有组合碟簧；钢外套管、耗能钢芯的相对移动可带动挡块压缩组合碟簧；所述自复位耗能元件外置斜向连接于所述在役钢桥墩与墩底钢板之间。

21、上述在役钢桥墩抗震韧性提升结构的应用，该在役钢桥墩抗震韧性提升结构适用于圆形桥墩或其它截面形式的钢桥墩，且所述钢桥墩为单柱墩或双柱墩。

22、相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

23、本发明将在役钢桥墩底部改造成摇摆结构，利用墩底摇摆提升在役钢桥墩的自复位能力。利用自复位耗能元件和碟簧垫片的耗能能力，耗散地震能量，降低改造后钢桥墩墩底损伤；利用自复位耗能元件中组合碟簧和螺母下碟簧垫片提供的自复位能力，进一步降低改造后钢桥墩的残余位移。改造后的钢桥墩具有优越的耗能能力与震后功能可恢复性，降低地震作用下墩底损伤与残余位移，提升在役钢桥墩的抗震韧性。具体如下：

24、1.本发明利用增设墩底钢连接件和墩底钢板、螺母与碟簧垫片，将在役钢桥墩墩底固结连接改造成墩底可摇摆的连接构造形式，利用摇摆结构自复位能力强的特点，以及碟簧垫片的恢复力，以降低桥墩震后残余位移，提升其震后功能可恢复性。

25、2.自复位耗能元件将耗能钢芯和组合碟簧并联，利用耗能钢芯的耗能能力与组合碟簧的自恢复能力，耗散地震能力，降低钢桥墩底部的损伤，减小震后残余位移，提升改造后桥墩的功能可恢复性。

26、3.释放既有承台与在役钢桥墩连接的墩底螺母，在墩底钢连接件与螺母间设置碟簧垫片，不仅能够将墩底由固结变成摇摆，还能够利用碟簧垫片变形耗散能量，利用碟簧垫片的恢复力提升桥墩的功能可恢复性。

27、4.本发明中自复位耗能元件布置灵活，可以布置于既有承台内部，也可以布置于墩底外部，制作安装简单，使用便捷。

28、5.本发明将在役钢桥墩与自复位耗能元件并联，不仅能够提升改造后桥墩的震后功能可恢复性，而且能够提升在役钢桥墩的承载能力与耗能能力。

29、6.提出的在役钢桥墩抗震韧性提升结构及其施工方法构造简单，施工便捷，施工周期短，现场湿作业量小，降低由于改造施工造成的对既有交通的干扰；本发明适用场景广泛，对不同桥墩截面形式、单柱墩和双柱墩均适用。