基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构及其制备方法
阅读说明：本技术 基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构及其制备方法 (Prefabricated assembled pier structure based on lightweight ultrahigh-performance concrete reinforced plastic hinge and preparation method thereof ) 是由 刘沐宇 张强 马润平 卢志芳 伍峰 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于土木建筑与交通运输业桥梁工程技术领域。基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构的制备方法,其特征在于包括如下步骤：1)浇筑普通混凝土段：预制墩柱由预制墩柱普通混凝土段和预制墩柱LUHPC段组成；用普通混凝土分别浇筑预制墩柱普通混凝土段和预制承台；2)浇筑预制墩柱LUHPC段：采用轻质超高性能混凝土(LUHPC)浇筑预制墩柱LUHPC段,得到预制墩柱；3)预制拼装：将预制墩柱吊装至预制承台上方,完成预制拼装连接。本发明充分利用了LUHPC的优点,在桥墩塑性铰区采用替换高度为b～2b的LUHPC增强后,可以显著提高桥墩的延性、耗能能力,且施工便利,施工质量高,抗震性能优越。(The invention belongs to the technical field of bridge engineering in civil construction and transportation industries. The preparation method of the prefabricated assembled pier structure based on the lightweight ultrahigh-performance concrete reinforced plastic hinge is characterized by comprising the following steps of: 1) pouring a common concrete section: the prefabricated pier column consists of a prefabricated pier column common concrete section and a prefabricated pier column LUHPC section; respectively pouring the common concrete section of the prefabricated pier stud and the prefabricated bearing platform by using common concrete; 2) pouring the LUHPC section of the prefabricated pier stud: pouring a LUHPC section of the prefabricated pier column by adopting light ultra-high performance concrete (LUHPC) to obtain the prefabricated pier column; 3) prefabricating and assembling: and hoisting the prefabricated pier stud to the position above the prefabricated bearing platform to complete the prefabricated assembling connection. The method fully utilizes the advantages of the LUHPC, can obviously improve the ductility and the energy consumption capacity of the pier after the plastic hinge area of the pier is enhanced by the LUHPC with the replacement height of b-2 b, and has convenient construction, high construction quality and excellent anti-seismic performance.)
技术领域
本发明属于土木建筑与交通运输业桥梁工程
技术领域
，具体是涉及一种基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构及其制备方法，目的是提高预制拼装桥墩的抗震性能。背景技术
预制拼装桥墩具有施工便利、施工质量高、施工周期短、绿色环保等优点，在实际工程中正在得到逐步的推广和应用。预制拼装桥墩墩身与承台(预制承台)连接节点力学性能的可靠性直接影响到预制拼装桥墩的安全可使用性能，因此对预制拼装桥墩的抗震性能提出了更高的要求。在地震来临时，预制拼装桥墩墩身与底部承台(预制承台)连接的塑性铰区是桥墩的薄弱位置，桥墩底部的塑性铰区通常在地震后会发生混凝土大面积压碎和剥落，从而导致桥墩结构失效甚至倒塌。通过替换塑性铰区材料来增强桥墩抗震性能成为研究热点。目前替换材料主要为UHPC，但UHPC自重大、后期收缩大、需蒸养，施工工艺复杂。
轻质超高性能混凝土(Lightweight Ultra-High Performance Concrete，简称LUHPC)具有容重小、强度高、耐久性强、收缩小、免蒸养等优点。将LUHPC应用于预制拼装桥墩塑性铰区可以显著减小桥墩塑性铰区混凝土的损伤程度，提高桥墩的延性、耗能能力、塑性转动能力，能够显著提高预制拼装桥墩的抗震性能。同时LUHPC可以实现预制拼装桥墩构件的轻质化，解决UHPC桥墩自重大、收缩大、需蒸养、吊装难度大等难题，应用前景广阔。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构及其制备方法，可提高桥墩的抗震性能。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构，包括预制墩柱(或称：预制拼装桥墩墩身)和预制承台2，预制墩柱与预制承台2连接；其特征在于：预制墩柱由预制墩柱普通混凝土段1和预制墩柱LUHPC段3组成，预制墩柱LUHPC段3的上端与预制墩柱普通混凝土段1的下端相连(浇筑连接)，预制墩柱LUHPC段3的下端与预制承台2相连。
所述预制墩柱LUHPC段3的下端与预制承台2相连为：将预制墩柱伸出的纵向钢筋缓慢插入预制承台对应位置的预留灌浆孔5中，并将充分搅拌的高强灌浆料倒入预留灌浆孔5内，完成预制拼装连接。
所述预制墩柱LUHPC段3的高度H为b～2b，b为预制墩柱的截面宽度。
上述基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)浇筑普通混凝土段：预制墩柱由预制墩柱普通混凝土段1和预制墩柱LUHPC段3组成；首先分别进行预制墩柱、预制承台2的钢筋笼的绑扎和立模板，在预制墩柱LUHPC段3的上下端分别设置挡板，挡板上设有用于纵向钢筋穿过的孔洞，预制墩柱的钢筋笼的纵向钢筋穿过挡板上的孔洞，并使用泡沫胶封堵纵向钢筋穿过的孔洞；预制承台2内插入PVC管(PVC管在预制承台内部通过PVC管形成预留孔洞，PVC管的个数与预制墩柱的钢筋笼的纵向钢筋的个数相对应)；
再用普通混凝土分别浇筑预制墩柱普通混凝土段1和预制承台2；待预制承台2的混凝土初凝后将PVC管拔出(PVC管是为10-20个)，预制承台2上形成预留灌浆孔5；
2)浇筑预制墩柱LUHPC段：待普通混凝土养护3天后，撤除预制墩柱LUHPC段3的上端的挡板，对预制墩柱普通混凝土段1的连接界面(即预制墩柱普通混凝土段1的下端面)进行凿毛处理，通过高压水枪清洗混凝土凿毛界面的碎石和纵向钢筋上的泡沫胶，并在浇筑预制墩柱LUHPC段前，对普通混凝土与预制墩柱LUHPC段的连接界面进行预湿润处理；采用轻质超高性能混凝土(LUHPC)浇筑预制墩柱LUHPC段，得到预制墩柱(或称：预制拼装桥墩)；
3)预制拼装：对于预制墩柱，待轻质超高性能混凝土(LUHPC)养护28天后，撤除预制墩柱LUHPC段3的下端的挡板，将预制墩柱吊装至预制承台上方，将预制墩柱伸出的纵向钢筋缓慢插入承台对应位置的预留灌浆孔5中，并将充分搅拌的高强灌浆料倒入预留灌浆孔5内，完成预制拼装连接。
所述步骤1)中，预制墩柱、预制承台2的钢筋笼的纵向钢筋等级为HRB400，纵向钢筋直径d为12mm，挡板宽度为预制墩柱的截面宽度，挡板厚度不小于1.5cm。
所述步骤2)中普通混凝土界面的凿毛深度不小于10mm，预制墩柱LUHPC段3的高度H为b～2b(LUHPC替换高度为b～2b)，b为预制墩柱的截面宽度。
所述步骤3)中，预留灌浆孔5的直径D为3d(d为纵向钢筋直径)，纵向钢筋锚固长度h1为15d，预留灌浆孔5的深度h2不低于16d。
所述预制墩柱LUHPC段3的轻质超高性能混凝土(LUHPC)抗压强度不低于110MPa、劈裂抗拉强度不低于12MPa、弹性模量不低于3.8×104MPa、表观密度低于2100kg/m3。
所述普通混凝土为C30～C80混凝土。
所述固定承台管道4通过PVC管形成，用于穿过锚固钢筋，从而防止桥墩滑动和翘起。
本发明通过替换预制墩柱的塑性铰区材料为LUHPC，替换高度为b～2b，从而形成预制拼装桥墩结构，以达到有效提升预制拼装桥墩抗震性能的目的。
本发明预制拼装桥墩结构及其制备方法基本原理如下：
首先浇筑预制墩柱(或称预制拼装桥墩)的普通混凝土段(即预制墩柱普通混凝土段)，再浇筑预制拼装桥墩塑性铰区的LUHPC段(即预制墩柱LUHPC段3)，待LUHPC养护28天后，再将预制墩柱与预制承台连接在一起形成预制拼装桥墩结构，预制拼装普通混凝土桥墩在塑性铰区易发生损坏，其抗震性能弱，将超高性能混凝土材料LUHPC应用于塑性铰区，增强了塑性铰区材料性能，实现了提高预制拼装桥墩抗震性能的目的，通过试验确定LUHPC替换高度为b～2b。
本发明的有益效果与优点如下：
轻质超高性能混凝土(LUHPC)中钢纤维能够有效地限制裂缝的开展，从而延缓桥墩破坏的发生，将对提高桥墩的延性具有很好的作用，同时预制墩柱LUHPC段内的钢纤维在水平推-拉过程中耗散了大量的能量，极大地提高了桥墩的耗能能力。LUHPC高抗压强度可以保证预制拼装桥墩一侧发生翘起且与预制承台脱开时，另一侧混凝土不被压碎；LUHPC高抗拉强度可以显著减小墩柱混凝土的剥落范围，使得更大面积的混凝土与钢筋共同受力，提高其水平极限承载力和刚度。LUHPC的高延性使得桥墩的塑性转动能力增强，可以提供给结构更大的变形能力。LUHPC可以实现桥墩构件的轻质化，更有利于现场吊装施工。本发明的预制拼装桥墩结构及其制备方法不但可以显著提高桥墩的延性、耗能能力和塑性转动能力，并延缓其等效刚度的退化，而且操作简单、施工质量高、施工周期短、绿色环保，具有广泛的应用前景，具体如下：
(1)LUHPC中钢纤维能够有效地限制裂缝的开展，从而延缓桥墩破坏的发生，将对提高桥墩的延性具有很好的作用，同时LUHPC段内的钢纤维在水平推-拉过程中耗散了大量的能量，极大地提高了桥墩的耗能能力。
(2)LUHPC高抗压强度可以保证桥墩一侧发生翘起且与预制承台脱开时，另一侧混凝土不被压碎；LUHPC高抗拉强度可以显著减小墩柱混凝土的剥落范围，使得更大面积的混凝土与钢筋共同受力，提高其水平极限承载力和刚度。
(3)LUHPC的高延性使得桥墩的塑性转动能力增强，可以提供给结构更大的变形能力。
(4)LUHPC可以实现桥墩构件的轻质化，更有利于现场吊装施工。
(5)本发明充分利用了LUHPC容重小、强度高、耐久性强、收缩小、免蒸养等优点，在桥墩塑性铰区采用替换高度为b～2b的LUHPC增强后，可以显著提高桥墩的延性、耗能能力，且施工便利，施工质量高，抗震性能优越。
附图说明
图1为本发明预制拼装桥墩结构的示意图(塑性铰采用LUHPC增强)。
图2为本发明预制拼装桥墩结构的试件尺寸及配筋示意图(塑性铰采用LUHPC增强)。(a)为预制墩柱的截面配筋图、(b)为预制承台的侧视图、(c)为预制墩柱的正视图、(d)为预制承台的俯视图、(e)为预制承台的正视图。
图3为本发明LUHPC替换0的预制拼装桥墩结构(或称预制拼装桥墩)的试件破坏示意图。
图4为本发明LUHPC替换b的预制拼装桥墩结构的试件破坏示意图。
图5为本发明LUHPC替换2b的预制拼装桥墩结构的试件破坏示意图
图中：1.预制墩柱普通混凝土段；2.预制承台；3.预制墩柱LUHPC段；4.固定承台管道；5.预留灌浆孔；h为预制墩柱的高度，H为预制墩柱LUHPC段3的高度，b为预制墩柱截面宽度。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
如图1所示，基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构，包括预制墩柱(或称：预制拼装桥墩墩身)和预制承台2，预制墩柱与预制承台2连接；预制墩柱由预制墩柱普通混凝土段1和预制墩柱LUHPC段3组成，预制墩柱LUHPC段3的上端与预制墩柱普通混凝土段1的下端相连(浇筑连接)，预制墩柱LUHPC段3的下端与预制承台2相连(预留灌浆孔连接方式：将预制墩柱伸出的纵向钢筋缓慢插入承台对应位置的预留灌浆孔5中，并将充分搅拌的高强灌浆料倒入预留灌浆孔5内，完成预制拼装连接，使预制墩柱LUHPC段3与预制承台2连接在一起)。
所述预制墩柱LUHPC段3的钢筋笼与预制墩柱普通混凝土段1的钢筋笼连接成一体。
所述预制墩柱LUHPC段3的高度H为b～2b，b为预制墩柱的截面宽度。
上述基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构的制备方法，包括如下步骤：
1)浇筑普通混凝土段：如图1所示，预制墩柱由预制墩柱普通混凝土段1和预制墩柱LUHPC段3组成；首先分别进行预制墩柱、预制承台2的钢筋笼的绑扎和立模板，在预制墩柱LUHPC段3的上下端分别设置挡板(为了描述方便，图1中的上方为上、下方为下)，挡板上设有用于纵向钢筋穿过的孔洞，预制墩柱的钢筋笼的纵向钢筋穿过挡板上的孔洞，并使用泡沫胶封堵纵向钢筋穿过的孔洞；预制承台2内插入PVC管(PVC管在预制承台内部通过PVC管形成预留孔洞)；
再用普通混凝土分别浇筑预制墩柱普通混凝土段1和预制承台2；待预制承台2的混凝土初凝后将PVC管拔出(PVC管是为10-20个)，预制承台2上形成预留灌浆孔5；
2)浇筑预制墩柱LUHPC段：待普通混凝土养护3天后，撤除预制墩柱LUHPC段3的上端的挡板，对预制墩柱普通混凝土段1的连接界面(即下端面)进行凿毛处理，通过高压水枪清洗混凝土凿毛界面的碎石和纵向钢筋上的泡沫胶，并在浇筑预制墩柱LUHPC段前，对普通混凝土与预制墩柱LUHPC段的连接界面进行预湿润处理；如图1所示，采用轻质超高性能混凝土(LUHPC)浇筑预制墩柱LUHPC段，得到预制墩柱(或称：预制拼装桥墩)；
3)预制拼装：对于预制墩柱，待轻质超高性能混凝土(LUHPC)养护28天后，撤除预制墩柱LUHPC段3的下端的挡板，将预制墩柱吊装至预制承台上方，将预制墩柱伸出的纵向钢筋缓慢插入承台对应位置的预留灌浆孔5中，并将充分搅拌的高强灌浆料倒入预留灌浆孔5内，完成预制拼装连接。
所述步骤1)中，预制墩柱、预制承台2的钢筋笼的纵向钢筋等级为HRB400，纵向钢筋直径d为12mm，挡板宽度为预制墩柱的截面宽度，挡板厚度不小于1.5cm。
所述步骤2)中普通混凝土界面的凿毛深度不小于10mm，预制墩柱LUHPC段3的高度H为b～2b(LUHPC替换高度为b～2b)，b为预制墩柱的截面宽度。
所述步骤3)中，预留灌浆孔5的直径D为3d(d为纵向钢筋直径)，纵向钢筋锚固长度h1为15d，预留灌浆孔5的深度h2不低于16d。
所述预制墩柱LUHPC段3的轻质超高性能混凝土(LUHPC)抗压强度不低于110MPa、劈裂抗拉强度不低于12MPa、弹性模量不低于3.8×104MPa、表观密度低于2100kg/m3。
所述普通混凝土为C30～C80混凝土。
所述固定承台管道4通过PVC管形成，用于穿过锚固钢筋，从而防止桥墩滑动和翘起。
具体应用实施例：
开展基于轻质超高性能混凝土增强塑性铰的预制拼装桥墩结构的拟静力试验，并对比分析LUHPC替换高度为0、b、2b的桥墩试件各项抗震性能指标。具体步骤如下：
(1)浇筑普通混凝土段：首先进行预制墩柱和承台钢筋笼的绑扎和立模板，在预制墩柱LUHPC段的上下端设置挡板，并使用泡沫胶封堵纵向钢筋穿过的孔洞，在预制承台内部通过PVC管形成预留孔洞，待混凝土初凝后将PVC管缓慢拔出。如附图1所示，分别浇预制墩柱普通混凝土段1和预制承台，普通混凝土等级为C50，墩柱截面尺寸为300mm×300mm，承台尺寸为1500mm×430mm×370mm，纵向钢筋和箍筋均采用HRB400级钢筋，纵向钢筋的直径为12mm，箍筋直径为8mm。普通混凝土性能参数见表1，钢筋力学性能见表2。
表1普通混凝土立方体抗压强度
表2钢筋力学性能参数
(2)浇筑LUHPC段：待普通混凝土养护3天后，对连接界面进行凿毛处理，通过高压水枪清洗混凝土凿毛界面的碎石和纵向钢筋上的泡沫胶，并在浇筑LUHPC前，对普通混凝土与LUHPC的连接界面进行预湿润处理。如附图1所示，采用轻质超高性能混凝土(LUHPC)浇筑预制墩柱LUHPC段，得到预制墩柱，LUHPC性能参数见表3，表4。
表3 LUHPC立方体抗压强度
表4LUHPC试块劈裂抗拉强度
(3)预制拼装：对于预制拼装桥墩，待LUHPC养护28天后，将预制墩柱吊装至预制承台上方，将预制墩柱伸出的纵向钢筋缓慢插入承台对应位置的预留灌浆孔5中，并将充分搅拌的高强灌浆料倒入预留灌浆孔5内，完成预制拼装连接，高强灌浆料性能参数见表5。
表5高强灌浆料试块抗压强度
(4)预制拼装完成并养护28天后，对桥墩试件开展拟静力试验，并通过滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度特性、累积耗能、塑性转动等参数对试件的抗震性能进行评估。
表6统计了LUHPC替换高度分别为b和2b时，预制拼装桥墩的极限承载力Fmax、延性μ、极限偏移率D、累积耗能E、偏移率为3.25％的等效刚度K、最大平均曲率值φmax等抗震性能指标较普通混凝土桥墩的提高程度。其中偏移率为水平加载位移与水平荷载到桥墩底部距离的比值。
表6实测抗震性能评价指标提高系数
对于LUHPC替换高度为b～2b的预制拼装桥墩结构(或称：预制拼装桥墩)，其极限承载力提升4％～6％、延性提升17％～24％、极限偏移率提升14％～29％、累积耗能提升32％～63％、等效刚度提升10％～25％、平均曲率提升27％～127％。本发明提出的预制拼装桥墩结构显著提升了桥墩的各项抗震性能指标，实现了提高预制拼装桥墩抗震性能的目的。
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