一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构及施工方法
技术领域
本发明涉及桥梁建造领域，尤其涉及一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构及施工方法。
背景技术
近年来，随着对预制拼装建筑的积极推进和技术发展，国内外对桥梁下部结构采用节段预制拼装法建造的研究成为热点，在铁路、城市轨道交通、公路、市政工程等领域，受桥墩受力需求、构造特点等不同的影响，对预制拼装式桥墩连接形式适用性不尽相同。
在市政工程领域，节段预制拼装式桥墩常用钢筋套筒灌浆连接技术，该连接需要在预制节段内预埋灌浆套筒和预留钢筋接头，对安装精度和施工要求高，当桥墩高度高或横断面尺寸较大时，受节段运输尺寸限制，桥墩沿高度方向需划分多个节段，当采用套筒灌浆连接时，每个钢筋设置接头，横断面上需要设置多个接头，每个节段拼装时均需对灌浆套筒进行连接，造成施工难度大、成本高，特别对于多节段、大尺寸桥墩，该连接技术受到一定限制。
在公路工程领域，节段预制拼装式桥墩也常用预应力束连接，在节段内预留预应力孔道，穿入预应力钢绞线形成节段间连接，该连接需对预应力进行张拉，预应力费用较高，预应力存在损失和失效风险，同时，采用预应力连接的拼装桥墩，根据国内外理论研究、试验验证及实践经验，该体系存在耗能能力弱、延性不足等问题，不适用于高震区。
发明内容
本发明提供一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构及施工方法，目的是解决现有技术问题，提供一种多节段、大断面桥墩拼装，该连接可靠，施工容差大、精度要求低，断面抗剪能力强，成本低，同时可以适用于高震区的抗震需求，减少残余位移，有利于拼装墩的震后修复的节段预制拼装式桥墩组合的连接结构及施工方法。
本发明解决问题采用的技术方案是：
一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构，具有墩柱和基座，墩柱位于基座上方，与基座固定连接，其特征在于：所述墩柱由第一节段、第二节段组成，第一节段的底部与基座连接，第一节段的顶部与第二节段的底部连接，所述第一节段和第二节段内分别预埋管道，所述第一节段和第二节段的底部分别设有挤胶槽，所述第一节段的顶部预设有剪力键，第一节段的下部侧壁上预设有压浆管，所述第二节段的底部设有剪力键槽，剪力键槽与剪力键相配合使用，剪力键槽的位置与第一节段顶部设有的剪力键相对应，剪力键槽的形状大小与剪力键相匹配；所述一部分管道内设有预应力束，预应力束的一端自第二节段预埋管道的顶端张拉，另一端自第一节段预埋管道的底部穿出与基座锚固；所述另一部分管道内设有延续的连接钢筋，连接钢筋之间通过机械连接固定，连接钢筋的一端位于第二节段的顶部，并与第二节段顶部固定连接，连接钢筋的另一端从第一节段底部穿出管道与基座顶部设有的接头钢筋机械连接固定。
所述第一节段、第二节段内预埋的一部分管道为波纹管孔道，另一部分管道为钢管，波纹管孔道内穿连接钢筋，钢管内穿预应力束，在所述波纹管孔道内灌注灌浆料。
所述第一节段与第二节段内预埋的波纹管孔道和钢管位置分别一一对应，第一节段内预埋的波纹管孔道与基座顶部设有的接头钢筋位置一一对应，机械连接固定的连接钢筋一端穿出第二节段顶部的波纹管孔道，通过钢筋锚固螺栓与钢筋锚固垫板的配合与第二节段的顶部固定连接，连接钢筋的另一端穿过第一节段内的波纹管孔道底部与基座顶部设有接头钢筋机械连接，所述波纹管孔道的直径比连接钢筋的直径大25cm。
所述基座内预埋钢管，基座内预埋的钢管与第一节段内预埋的钢管位置分别一一对应，预应力束的另一端穿过第一节段预埋的钢管、基座内预埋的钢管，并在基座内预埋钢管的端部锚固，基座上设有预应力压浆管，预应力压浆管与基座内预埋的钢管连通。
所述基座为现浇基座，基座顶部设有的接头钢筋长短不同。
所述剪力键为圆台形状，剪力键的竖向截面为等腰梯形，梯形的斜边与底边之间的夹角为45°，所述剪力键与剪力键槽之间啮合。
所述挤胶槽分别位于第一节段和第二节段的底部，将第一节段和第二节段分别分隔成多个区域，挤胶槽的水平方向截面为正方形或矩形，边长为2-10cm。
所述第一节段与第二节段之间设有加高节段，所述加高节段内设有的波纹管孔道和钢管的位置与第一节段、第二节段内设有的波纹管孔道和钢管位置分别一一对应，加高节段的底部结构与第二节段底部的结构相同，加高节段的顶部结构与第一节段顶部的结构相同。
一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构的施工方法，其特征在于：具有以下步骤
步骤一、现场浇注基座，第一节段、第二节段在工厂内预制完成；
步骤二、吊装第一节段，将连接钢筋穿入第一节段预埋的管道中，并临时固定在第一节段顶部；将第一节段支承在临时千斤顶上，通过临时千斤顶调整节段空间位置；然后解除连接钢筋临时固定，将连接钢筋下放至接头位置，将连接钢筋与接头钢筋一一对应机械连接固定，并将基座顶面区域进行凿毛，铺设砂浆垫层，拆除临时千斤顶，下放第一节段进行坐浆法安装，多余的浆体通过挤胶槽挤出，实现第一节段与基座间的连接；
步骤三、吊装第二节段，将临时千斤顶移至第一节段顶面，吊装第二节段，将连接钢筋穿入第二节段预埋的管道中，并临时固定在第二节段顶；将第二节段支承在临时千斤顶上，通过临时千斤顶调整第二节段空间位置；解除连接钢筋在第二节段顶部的临时固定，并将连接钢筋下放至与第一节段顶部接头的位置，将第一节段顶部的连接钢筋头部与第二节段底部的连接钢筋一一对应机械连接固定，在第一节段的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶，下放第二节段，将第一节段顶部设有的剪力键与第二节段底部设有的剪力键槽一一对应，第二节段进行挤胶法与第一节段安装固定，多余的胶体通过挤胶槽挤出，实现第二节段与第一节段间的固定连接；
步骤四、各节段拼装完成后清理挤胶槽的浆体，清理完成后进行填缝；
步骤五、通过压浆管将压浆料灌注入各连接钢筋所在的管道内，将连接钢筋锚固于预制节段中；
步骤六、将连接钢筋的一端在第二节段顶部固定；
步骤七、当设置预应力束时，将预应力束自第二节段顶部穿入预埋管道中，当穿入基座中时，通过锚固构造将预应力束与基座进行锚固连接，自第二节段顶端对预应力束逐一张拉，当采用粘结预应力时，将预应力压浆料灌注入预应力束贯穿的预埋管道中；
步骤八、待上述所有浆料养护完成后，拆除位于结构外的压浆管道，完成施工。
一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构的施工方法，其特征在于：当采用多个节段时，在第一节段和第二节段之间加设加高节段，在上述第二步和第三步之间增加步骤b，
步骤b、吊装加高节段，将临时千斤顶移至第一节段顶面，吊装加高节段，将连接钢筋穿入加高节段预埋的管道中，并临时固定在加高节段顶；将加高节段支承在临时千斤顶上，通过临时千斤顶调整加高节段空间位置；解除连接钢筋在加高节段顶部的临时固定，并将连接钢筋下放至与第一节段顶部接头的位置，将第一节段顶部的连接钢筋头部与加高节段底部的连接钢筋一一对应机械连接固定，在第一节段的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶，下放加高节段，将第一节段顶部设有的剪力键与加高节段底部设有的剪力键槽一一对应，加高节段进行挤胶法与第一节段安装固定，多余的胶体通过挤胶槽挤出，实现加高节段与第一节段间的固定连接；
所述步骤三变为：吊装第二节段，将临时千斤顶移至加高节段顶面，吊装第二节段，将连接钢筋穿入第二节段预埋的管道中，并临时固定在第二节段顶；将第二节段支承在临时千斤顶上，通过临时千斤顶调整第二节段空间位置；解除连接钢筋在第二节段顶部的临时固定，并将连接钢筋下放至与加高节段顶部接头的位置，将加高节段顶部的连接钢筋头部与第二节段底部的连接钢筋一一对应机械连接固定，在加高节段的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶，下放第二节段，将加高节段顶部设有的剪力键与第二节段底部设有的剪力键槽一一对应，第二节段进行挤胶法与加高节段安装固定，多余的胶体通过挤胶槽挤出，实现第二节段与加高节段间的固定连接。
本发明的有益效果：采用该连接构施工容差大、精度要求低，可适用多节段、大断面桥墩拼装，断面抗剪能力强，成本低；同时，可不设或少设预应力，耗能能力强，可使预制拼装式桥墩适用于高震区的抗震需求，减少残余位移，有利于拼装墩的震后修复。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的分解结构示意图；
图3是本发明第一节段顶部俯视图；
图4是本发明第二节段顶部俯视图；
图5是本发明剪力键结构示意图；
图6是本发明第一节段与基座连接施工前结构示意图；
图7是本发明第一节段与基座连接施工过程的结构示意图；
图8是本发明第一节段与第二节段施工前结构示意图；
图9是本发明预应力束施工过程结构示意图；
图10是本发明加高节段结构示意图；
图11是本发明增加一节加高节段后的结构示意图。
其中：1.墩柱；2.基座；3.第一节段；23.第一接缝；4.第二节段；34.第二接缝；5.连接钢筋；6.波纹管孔道；7.预应力束；8.钢管；9.接头钢筋；10.挤胶槽；11.剪力键；12.压浆管；13.剪力键槽；14.钢筋锚固螺栓；15.钢筋锚固垫板；16.预应力压浆管；17.加高节段；18.临时千斤顶；19.预应力压浆料；20.压浆料；21.机械连接。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1-9所示一种用于节段预制拼装式桥墩组合的连接结构，具有墩柱1和基座2，墩柱1位于基座2上方，与基座2固定连接，所述墩柱1由第一节段3、第二节段4组成，第一节段3的底部与基座2通过第一接缝23拼接连接，第一节段3的顶部与第二节段4的底部通过第二接缝34拼接连接，所述第一节段3和第二节段4内分别预埋管道，管道内穿连接钢筋5的为波纹管孔道6，波纹管孔道6内设有延续的连接钢筋5，连接钢筋5之间通过机械连接21固定，连接钢筋5的一端穿出第二节段4顶部的波纹管孔道通过钢筋锚固螺栓14与钢筋锚固垫板15的配合与第二节段4的顶部固定连接，另一端穿过第一节段3内的波纹管孔道底部与基座2顶部设有接头钢筋9通过机械连接21固定，管道内穿预应力束7的为钢管8，所述预应力束7的一端自第二节段4预埋钢管8的顶端张拉，另一端自第一节段3预埋钢管8的底部穿出与基座2锚固，所述第一节段3与第二节段4内预埋的波纹管孔道6的位置分别一一对应，所述第一节段3与第二节段4内预埋的钢管8的位置分别一一对应，第一节段3内预埋的波纹管孔道6与基座2顶部设有的接头钢筋9位置一一对应，所述第一节段3和第二节段4的底部分别设有挤胶槽10，所述第一节段3的顶部预设有剪力键11，第一节段3的下部侧壁上预设有压浆管12，所述第二节段4的底部设有剪力键槽13，剪力键槽13与剪力键11相配合使用，剪力键槽13的位置与第一节段顶部设有的剪力键11相对应，剪力键槽13的形状大小与剪力键11相匹配，所述基座2内预埋钢管8，基座2内预埋的钢管8与第一节段3内预埋的钢管8位置分别一一对应，预应力束7的另一端穿过第一节段3预埋的钢管8、基座2内预埋的钢管8，在基座2内预埋钢管8的端部锚固，基座2上设有预应力压浆管16，预应力压浆管16与基座2内预埋的钢管8连通，所述基座2为现浇基座，基座2顶部设有的接头钢筋9长短不同，所述波纹管孔道6的直径比连接钢筋5的直径大2-5cm。
所述剪力键11为圆台形状，剪力键11的竖向截面为等腰梯形，梯形的斜边与底边之间的夹角为45°，所述剪力键11与剪力键槽13之间啮合。
所述挤胶槽10分别位于第一节段3和第二节段4的底部，将第一节段3和第二节段4分别分隔成多个区域，挤胶槽10的水平方向截面为正方形或矩形，边长为2-10cm，当第一节段3和第二节段4的底部分别设两个挤胶槽10时，第一节段3和第二节段4的底部均分为三个区域。
如图10、图11所示当采用多个节段时，在第一节段3和第二节段4之间加设加高节段17，所述加高节段17内设有的波纹管孔道6和钢管8的位置与第一节段3、第二节段4内设有的波纹管孔道6和钢管8位置分别一一对应，加高节段17的底部结构与第二节段底部的结构相同，加高节段的顶部结构与第一节段顶部的结构相同。
所述加高节段17可以为多个。
实施上述结构的具体步骤如下：
步骤一、现场浇注基座2，第一节段3、第二节段4在工厂内预制完成；
步骤二、吊装第一节段3时，将连接钢筋5穿入第一节段预埋的波纹管孔道6中，并临时固定在第一节段3顶部；将第一节段3支承在临时千斤顶18上，通过临时千斤顶18调整第一节段3的空间位置；然后解除连接钢筋5临时固定，将连接钢筋5下放至接头位置，将连接钢筋5与接头钢筋9一一对应并通过机械连接21固定，并将基座2顶面区域进行凿毛，铺设砂浆垫层，拆除临时千斤顶18，下放第一节段3进行坐浆法安装，多余的浆体通过挤胶槽10挤出，实现第一节段3与基座2间的连接；
步骤三、吊装第二节段4时，将临时千斤顶18移至第一节段3顶面，吊装第二节段4，将连接钢筋5穿入第二节段4预埋的波纹管孔道6中，并临时固定在第二节段4顶；将第二节段4支承在临时千斤顶18上，通过临时千斤顶18调整第二节段4的空间位置；解除连接钢筋5在第二节段4顶部的临时固定，并将连接钢筋5下放至与第一节段3顶部接头的位置，将第一节段3顶部的连接钢筋5头部与第二节段4底部的连接钢筋5一一对应并通过机械连接21固定，在第一节段3的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶18，下放第二节段4，将第一节段4顶部设有的剪力键11与第二节段4底部设有的剪力键槽13一一对应，第二节段4进行挤胶法与第一节段3安装固定，多余的胶体通过挤胶槽挤出，实现第二节段4与第一节段3间的固定连接；
步骤四、各节段拼装完成后清理挤胶槽10的浆体，清理完成后进行填缝；
步骤五、通过压浆管12将压浆料20灌注入各连接钢筋所在的管道内，将连接钢筋5锚固于预制节段中；
步骤六、将连接钢筋5的一端在第二节段4顶部固定；
步骤七、当设置预应力束7时，将预应力束7自第二节段4顶部穿入预埋钢管8中，当穿入基座2中时，通过锚固构造将预应力束7与基座2进行锚固连接，自第二节段4顶端对预应力束7逐一张拉，当采用粘结预应力时，将预应力压浆料19通过预应力压浆管16灌注入预应力束7贯穿的预埋钢管8中；
步骤八、待上述所有浆料养护完成后，拆除位于结构外的压浆管12和预应力压浆管16，完成施工。
当采用多个节段时，在第一节段3和第二节段4之间加设加高节段17，在上述第二步和第三步之间增加步骤b，
步骤b、吊装加高节段17时，将临时千斤顶18移至第一节段3顶面，吊装加高节段17，将连接钢筋5穿入加高节段17预埋的波纹管孔道6中，并临时固定在加高节段顶；将加高节段17支承在临时千斤顶18上，通过临时千斤顶18调整加高节段17的空间位置；解除连接钢筋5在加高节段17顶部的临时固定，并将连接钢筋5下放至与第一节段3顶部接头的位置，将第一节段3顶部的连接钢筋5头部与加高节段17底部的连接钢筋一一对应并机械连接21连接，在第一节段3的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶18，下放加高节段17，将第一节段3顶部设有的剪力键11与加高节段17底部设有的剪力键槽13一一对应，加高节段17进行挤胶法与第一节段3安装固定，多余的胶体通过挤胶槽挤出，实现加高节段17与第一节段3间的固定连接；
所述步骤三变为：吊装第二节段，将临时千斤顶18移至加高节段17顶面，将连接钢筋5穿入第二节段4预埋的波纹管孔道64中，并临时固定在第二节段顶；将第二节段支承在临时千斤顶18上，通过临时千斤顶18调整第二节段4空间位置；解除连接钢筋5在第二节段顶部的临时固定，并将连接钢筋5下放至与加高节段17顶部接头的位置，将加高节段17顶部的连接钢筋5头部与第二节段4底部的连接钢筋5一一对应并通过机械连接21固定，在加高节段17的顶部铺设环氧树脂胶，拆除临时千斤顶18，下放第二节段4，将加高节段17顶部设有的剪力键11与第二节段底部设有的剪力键槽13一一对应，第二节段4进行挤胶法与加高节段17安装固定，多余的胶体通过挤胶槽10挤出，实现第二节段4与加高节段17间的固定连接。
采用上述结构及施工方法，节段间钢筋连接可靠，质量易于控制，同一断面上接头可相互错开。桥墩钢筋下部伸入基座内，上部采用锚固板加强，钢筋连接和锚固可靠，保证预制拼装桥墩各节段间连接性能；同时，普通钢筋为拼装式桥墩提供了明确和可靠的耗能作用，克服了预应力拼装墩滞回曲线不饱满、耗能不足的缺陷，可使本方案适用于高震区，为预制拼装桥墩应用于高震区提供了一种解决方案。
为减轻大尺寸实体断面节段重量，节段可采用轻质混凝土制造，在满足节段拼装式桥墩强度、刚度要求的前提下，减小了节段重量，方便运输和吊装。
钢筋采用预埋波纹管孔道的形式，施工容差大、精度要求低，现场钢筋穿入方便，截面采用大直径、大间距钢筋，满足结构受力性能情况下减少钢筋根数和接头数，方便现场施工。
墩身截面设置挤胶槽，采用分仓坐浆法施工，有利于保证接缝面密实度和施工质量，有效解决大尺寸桥墩断面间连接问题，当设两个挤胶槽时，将桥墩截面分为三个区域，当采用坐浆施工时，保证每个区域沿四个方向均出胶，保证接缝胶结材料的质量和密实度；如不设置挤胶槽，对于大面积断面拼接则易导致坐浆面空鼓、不密实等问题，影响接缝面质量。
节段间设置圆台型剪力键，该剪力键各方向抗剪面积相等，提供的抗剪能力相当，满足不同方向地震作用时的抗剪需求，而常规采用的矩形剪力键，各方向抗剪能力强弱不一，对抵抗不同方向的地震不利；剪力键采用圆台形状，使得剪力键承受的局部集中应力减小，圆弧面造型减小了剪力键承受的弯矩，保证剪力键以抗剪为主，防止剪力键过早因弯曲破坏而丧失抵抗能力。
节段拼装过程中，设置临时千斤顶对节段的三维空间位置进行精确调整，节段支撑在临时千斤顶上时，通过预拼装及时调整节段高程和平面位置，临时千斤顶支承于节段底面上，不占用外部空间，无需在节段上设置预埋件，安装拆除方便，保证了节段精确拼装。
节段内部可根据需要设置少量预应力束，通过预应力束提供的预压力，保证接缝在一般工况下不开裂，提高接缝的耐久性，同时，预应力束可采用无粘结预应力，为桥墩提供自复位能力，当桥墩在地震作用下发生摆动时，预应力束提供的回复力能使桥墩恢复到初始位置，从而减少残余位移，有利于拼装墩的震后修复，避免桥墩虽未倒塌但因无法修复而不得不拆除重建。
