一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法

技术领域

本发明属于桥梁下部结构技术领域，具体涉及一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法。

背景技术

随着绿色化建造理念的推广和普及，预制拼装下部结构已在桥梁工程中得到广泛使用。目前，研究的重点和热点多集中于拼装连接结构的可靠性问题。现有技术途径下，已经能够做到桥墩和承台在正常使用状态下拼装接头处的连接性能与现浇构件无明显差异。后续需要重点解决的是下部结构承受荷载发生破损后，承灾构件的维修和更换问题。本发明专利针对后者尚未得到很好解决的问题提供技术思路和实施例，在以往预制、拼装和连接的基础上，进一步实现桥梁下部结构的易维修和可更换。

上述背景技术下，涉及的核心技术要点如下：

（1）作为主要承重构件的连接结构，能够传递和承受桥梁在运营状态中上部结构传递过来的所有竖向荷载，并具有一定抵抗水平荷载的能力。

（2）具有优异的延性变形能力，要求能够抵抗正常使用状态以外的荷载，如常遇车船撞击、常遇地震荷载使得目标构件能够在指定区域内产生损伤可控的牺牲破坏，有针对性保护其他构件。

（3）具有极限的限位机制，在遭受罕见极限荷载，如罕遇车船撞击、罕遇地震荷载时，下部结构具有极限位移能力约束机制，保证目标构件在指定倾斜范围程度内而不发生倾倒。

（4）承灾后损伤区域易维修，可更换。维修及更换成本小，操作方法和工艺简单、修复施工效率高，时间短，能够快速恢复至结构原本程度的功能特性。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法，该维修更换方法通过将预制拼装连接结构划分为三级工作状态，基于不同的工作状态，来选择相应的维修更换方法。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法，其特征在于所述维修更换方法包括以下步骤：

S1：将预制拼装连接结构划分为三级工作状态，分别为状态①、状态②、状态③，其中，所述状态①为运营荷载-正常使用阶段，所述状态②为常遇撞击、地震-可维修阶段，所述状态③为罕遇撞击、地震-需更换阶段；

所述预制拼装连接结构包括运营模块与承灾模块；

所述运营模块包括桥墩上节段、桥墩下节段、球座以及若干支撑件，所述球座包括居中固定于所述桥墩下节段顶面的凹形球座以及居中固定于所述桥墩上节段底面的凸形球冠，所述凸形球冠与所述凹形球座匹配安装，所述支撑件间隔绕设于所述球座的外侧一圈；所述支撑件包括自下而上依次设置的折腹式传力键、传动槽座以及上连接板，所述折腹式传力键固定设置于所述桥墩下节段的顶面，所述上连接板同所述桥墩上节段底面连接；

所述承灾模块包括可更换耗能元件以及限位槽座，所述限位槽座位于所述可更换耗能元件的两侧，所述可更换耗能元件水平安装于所述支撑件的圆形通孔之中，所述可更换耗能元件的两端半球型传力键对应延伸至所述限位槽座的槽孔之中；

S2：判断所述预制拼装连接结构所处的工作状态：

若所述预制拼装连接结构处于所述状态①，所述可更换耗能元件未发生变形或者处于弹性变形阶段，则无需进行维修或更换；

若所述预制拼装连接结构遭受所述状态②或所述状态③，所述预制拼装连接结构发生倾斜，则进行维修或更换工作，在所述桥墩上节段和所述桥墩下节段之间的间隙空间内设置一圈千斤顶，通过分别调节各所述千斤顶的顶升或下降，以将所述桥墩上节段调整至水平状态，然后进行所述上述折腹式传力键和所述可更换耗能元件的维修或更换工作。

所述可更换耗能元件为变截面钢制柱体，所述可更换耗能元件的中部与所述传动槽座的所述圆形通孔之间为活动连接并保持间隙配合。

所述限位槽座布置于相邻的所述支撑件之间且经下连接板同所述桥墩下节段的顶面之间固定，所述限位槽座的两侧分别开设有指向所述支撑件的所述槽孔，所述限位槽座与所述传动槽座呈环向布置，所述限位槽座的槽孔外侧封装有限位盖板。

所述传动槽座的径向两侧分别设置有所述限位槽座，所述限位槽座经下连接板同所述桥墩下节段的顶面之间固定，所述限位槽座指向所述传动槽座的一侧开设有所述槽孔，所述可更换耗能元件呈径向设置且其两端的所述半球型传力键插入至所述限位槽的槽孔之中，所述限位槽座的槽孔外侧封装有限位盖板。

所述限位盖板将嵌入在所述限位槽座的槽孔中的所述半球型传力键封装，使所述半球型传力键与所述限位槽座相铰接；

所述预制拼装连接结构遭受所述状态②时，所述可更换耗能元件发生有限塑性变形，此时所述半球型传力键不与所述限位盖板发生接触，此状态下：所述折腹式传力键在塑性工作区第一塑性刚度区KPA范围内工作，所述可更换耗能元件在弹性刚度区KEB或第一塑性工作区KPB范围内工作，所述可更换耗能元件的所述半球型传力键与所述限位槽座形成机械球铰的构造；

所述预制拼装连接结构遭受所述状态③时，所述折腹式传力键在塑性工作区第一塑性刚度区KPA范围内工作，所述可更换耗能元件在第二塑性工作区KLB范围内工作，所述半球型传力键与所述限位盖板发生接触，所述可更换耗能元件的所述半球型传力键与所述限位槽座形成极限拉杆的构造。

本发明的优点是：

（1）除具备预制拼装连接结构节约施工工期的优点外，还具备承灾后易维修和可更换，可将结构性能水平迅速修复至原本功能特征水平的技术优势；

（2）本连接体系面向不同功能要求和荷载模式，分为3个受力状态，构件破坏模式、损伤程度、维修及更换方法的技术目标体系清晰，相关的技术实现途径明确；具有可靠、耐用、易换、可修的优点；

（3）所维修和更换的部件为折腹式传力键和可更换耗能元件，为局部修复和更换，费用成本较低。

附图说明

图1为本发明中桥墩上、下节段之间的预制拼装连接结构示意图；

图2为本发明中桥墩下节段顶面的结构布置立体示意图；

图3为本发明中桥墩上节段底面的凸形球冠立体示意图；

图4为本发明中桥墩下节段顶面的结构布置侧视图；

图5为本发明中传动槽座上的可更换耗能元件与限位槽座相配合的剖视图；

图6为本发明中传动槽座上的可更换耗能元件呈环向布置的立体视图；

图7为本发明中桥墩下节段顶面上传动槽座与限位槽的环向布置立体视图；

图8为本发明中桥墩下节段顶面上传动槽座与限位槽的径向布置立体视图；

图9为本发明中预制拼装结构在承台上节段与承台下节段之间呈环向布置的示意图；

图10为本发明中预制拼装结构在承台上节段与承台下节段之间呈径向布置的示意图；

图11为本发明中折腹式传力键的力学行为示意图；

图12为本发明中可更换耗能元件的力学行为示意图；

图13为本发明中折腹式传力键与可更换耗能元件的组合力学行为示意图。

实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-13，图中各标记分别为：下连接板1、支撑件2、上连接板3、传动槽座4、折腹式传力键5、凹形球座6、凸形球冠7、限位槽座8、限位盖板9、螺栓10、桥墩上节段11、桥墩下节段12、可更换耗能元件13、半球型传力键14、承台上节段21、承台下节段22。

实施例1：如图1-7所示，本实施例具体涉及一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法，该维修更换方法具体包括以下步骤：

S1：将预制拼装连接结构划分为三级工作状态，分别为状态①、状态②、状态③，其中，所述状态①为运营荷载-正常使用阶段，所述状态②为常遇撞击、地震-可维修阶段，所述状态③为罕遇撞击、地震-需更换阶段。

预制拼装连接结构包括运营模块与承灾模块。

如图1-4所示，运营模块包括桥墩上节段11、桥墩下节段12、球座以及若干支撑件2。其中，球座设置于桥墩上节段11和桥墩下节段12之间，球座包括居中固定于桥墩下节段12顶面上的凹形球座6以及居中固定于桥墩上节段11底面的凸形球冠7，且凸形球冠7对应装配于凹形球座6之内；各支撑件2以球座为中心间隔设置于球座的外侧，沿环向分布，支撑件2包括自下而上依次设置的折腹式传力键5、传动槽座4以及上连接板3，折腹式传力键5固定设置于桥墩下节段12的顶面，上连接板3同桥墩上节段11底面连接，在传动槽座4的中部位置开设有圆形通孔，以供承灾模块中的可更换耗能元件13横向安装并延伸向两侧，需要确保圆形通孔的内径同可更换耗能元件13的外径保持一致。

本实施例中的运营模块连接桥墩上节段11和桥墩下节段12，且具有清晰、连续、可靠的传力路径体系，用于抵抗桥梁结构在正常使用状态下车辆、温度等运营阶段荷载，该状态约定为状态①（运营荷载-正常使用阶段），由折腹式传力键5的弹性工作区（保证折腹式传力键5受荷水平在其弹性刚度KEA范围内）提供该受力状态下结构的刚度和强度需求。

如图1-7所示，承灾模块包括可更换耗能元件13、限位槽座8以及限位盖板9。其中，各限位槽座8布置于相邻的传动槽座4之间，且各限位槽座8呈环向布设，限位槽座8经下连接板1固定于桥墩下节段12的顶面；各限位槽座8的两侧分别开设槽孔，可更换耗能元件13为一对称式结构，且为按等应变原理设计的变截面钢制柱体，可更换耗能元件13的中部与传动槽座4活动连接并保持间隙配合，方便现场安装和拆卸；可更换耗能元件13的两端部设置有半球型传力键14，半球型传力键14深入到限位槽座8的槽孔之中，且限位盖板9通过螺栓10封装固定在限位槽座8的槽孔之外，将半球型传力键14嵌入并封固在限位槽座8的槽孔中。需要说明的是，限位槽座8和限位盖板9均为沿半球型传力键14对称的可拆卸式两半组结构。现场施工时，可以先将可更换耗能元件13及其半球型传力键14安装就位、然后在指定位置处组装限位槽座8，并通过螺栓10实现与定位好的限位槽座8和限位盖板9的连接。可以预见的是，上述构造安装环节也为其拆卸提供了很好的解决问题思路：先安装的后拆卸，后安装的先拆卸。

如图11-13所示，折腹式传力键5的力学行为请参见图11，可更换耗能元件13的力学行为请参见图12。折腹式传力键5和可更换耗能元件13的组合力学行为（结构综合力学行为）请参见图13。关于采用本实施例中桥梁下部结构的多级工作状态可描述为：

状态①（运营荷载-正常使用阶段）：由折腹式传力键5弹性工作区（保证传力键受荷水平在其弹性刚度KEA范围内）提供该受力状态下结构的刚度和强度需求，可更换耗能元件13未发生变形或者处于弹性变形阶段（结构总体工作状态处于图13中区域①）。

状态②（常遇撞击、地震-可维修阶段）：可更换耗能元件13发生有限塑性变形，此时半球型传力键14不与限位盖板9发生接触，此状态下：折腹式传力键5在塑性工作区第一塑性刚度区KPA范围内工作，可更换耗能元件13在弹性刚度区KEB或第一塑性工作区KPB范围内工作。该状态下，结构整体表现出良好的塑性延性变形能力且控制在可接受范围之内，本拼装连接结构形成一种类似于“机械球铰”的构造，耗散外部荷载所产生的能量。（结构总体工作状态处于附图13中区域②），该状态下可更换耗能元件13发生有限损伤，可根据情况选择性进行修复。

状态③（罕遇撞击、地震-需更换阶段）：可更换耗能元件13发生极限塑性变形，此时半球型传力键14与限位盖板9发生接触，此状态下：折腹式传力键5在塑性工作区第一塑性刚度区KPA范围内工作，可更换耗能元件13在第二塑性工作区KLB范围内工作。该状态下，结构发生较大的变形，本拼装连接结构形成一种类似于“极限拉杆”的构造，限制桥墩11发生进一步倾斜。（结构总体工作状态处于附图13中区域③），该状态下可更换耗能元件13发生较为严重的损伤，承灾后一般需要进行更换。

（S2）判断预制拼装连接结构所处的工作状态：

若预制拼装连接结构处于状态①，可更换耗能元件13未发生变形或者处于弹性变形阶段，则无需进行维修或更换。

若预制拼装连接结构遭受状态②或状态③，预制拼装连接结构发生倾斜，则需要进行维修或更换工作，在桥墩上节段11和桥墩下节段12之间的间隙空间内设置一圈千斤顶，通过分别调节各千斤顶的顶升或下降，以将桥墩上节段11调整至水平状态，然后进行折腹式传力键5和可更换耗能元件13的维修或更换工作。关于折腹式传力键5的更换工作，可在结构调平后，将已破损的元件刨除之后，重新焊接新的折腹式传力键5。

本实施例的有益效果为：

（1）除具备预制拼装连接结构节约施工工期的优点外，还具备承灾后易维修和可更换，可将结构性能水平迅速修复至原本功能特征水平的技术优势；

（2）本连接体系面向不同功能要求和荷载模式，分为3个受力状态，构件破坏模式、损伤程度、维修及更换方法的技术目标体系清晰，相关的技术实现途径明确；具有可靠、耐用、易换、可修的优点；

（3）所维修和更换的部件为折腹式传力键和可更换耗能元件，为局部修复和更换，费用成本较低。

实施例2：如图8所示，本实施例具体涉及一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法，与实施例1的主要区别在于，本实施例中的承灾模块呈径向布置，具体而言，设置在传动槽座4上的可更换耗能元件13呈水平径向布置，因此，可更换耗能元件13的两端半球型传力键14也分别对应设置有限位槽座8，限位槽座8面向半球型传力键14的一侧面上开设有槽孔，且半球型传力键14深入到限位槽座8的槽孔之中，且限位盖板9通过螺栓10封装固定在限位槽座8的槽孔之外，将半球型传力键14嵌入并封固在限位槽座8的槽孔中。也就是说，本实施例中的维修更换方法可以适应不同布置方式的预制拼装连接结构。

实施例3：如图9和10所示，本实施例具体涉及一种桥梁下部预制拼装连接结构的维修更换方法，本实施例与实施例1的主要区别在于，预制拼装连接是设置在承台上节段21和承台下节段22之间的，也就是说，本实施例中的维修更换方法可以适应不同的桥梁下部结构。