一種增強抗震墩柱及其建造方法與流程

本發明涉及鋼筋混凝土墩柱領域，具體涉及一種增強抗震墩柱及其建造方法。

背景技術：

地震是一種破壞力巨大的自然災害，全球范圍內強烈地震頻繁發生，給人民的生命財產安全造成嚴重威脅。在歷次大地震中，鋼筋混凝土結構均受到了嚴重的震損破壞，其中墩柱的損傷是一種主要的地震損傷形式。混凝土墩柱的抗震增強性能也得到了關注和大量的研究，得到的結論基本一致：如果增強后鋼筋混凝土墩柱具有較大的延性及變形能力，利用構件非彈性階段的耗能作用，結構可以承受較大的塑性變形而不致破壞。

目前提出的混凝土墩柱抗震增強技術多是通過約束混凝土來提高其強度和變形能力，在墩底增強材料和基礎間無剛性連接，增強后塑性鉸不會增多，位置也不發生變化，其抗震能力提高的幅度有限。

技術實現要素：

為了解決現有的鋼筋混凝土墩柱抗震能力較弱的問題，提供一種增強抗震墩柱及其建造方法，該增強抗震墩柱的抗震能力大幅提高，且結構簡單，便于推廣應用，并能顯著降低工程造價。

具體的，本發明提供一種增強抗震墩柱，其包括墩柱基礎；基礎預埋件，所述基礎預埋件預埋在所述墩柱基礎內；鋼筋混凝土墩柱，所述鋼筋混凝土墩柱澆筑在所述墩柱基礎上；以及增強鋼板，所述增強鋼板固定安裝在所述鋼筋混凝土墩柱的底部表面上，并與所述基礎預埋件固定連接，且所述增強鋼板具有預設厚度和預設高度，以在所述鋼筋混凝土墩柱的底部和所述增強鋼板的上緣處同時形成塑性鉸。

優選的，所述增強鋼板與所述基礎預埋件焊接為一體。

優選的，所述增強鋼板與所述基礎預埋件之間的焊縫強度大于鋼板的抗拉強度。

優選的，所述增強鋼板通過結構粘結劑和螺栓固定安裝在所述鋼筋混凝土墩柱的底部表面上。

優選的，所述基礎預埋件為槽鋼或工字鋼。

同時，本發明還提供該增強抗震墩柱的建造方法，其包括以下步驟：s1)施工墩柱基礎，并將基礎預埋件預埋在所述墩柱基礎內；s2)在所述墩柱基礎上施工鋼筋混凝土墩柱；s3)確定增強鋼板的厚度和高度并制作增強鋼板；s4)將所述增強鋼板固定安裝至所述鋼筋混凝土墩柱的底部表面上，并將所述增強鋼板與所述基礎預埋件固定連接；以及s5)養護步驟s4得到的構件以形成所述增強抗震墩柱。所述增強鋼板具有預設厚度和預設高度，以在所述鋼筋混凝土墩柱的底部和所述增強鋼板的上緣處同時形成塑性鉸。

優選的，所述預設高度和所述預設厚度依次通過以下步驟順序進行確定：

步驟1：設定所述增強鋼板的厚度；

步驟2：設定所述增強鋼板的高度；

步驟3：確定所述鋼筋混凝土墩柱的底部和增強鋼板上緣處的縱向鋼筋的極限應變；

步驟4：判斷在所述鋼筋混凝土墩柱的底部和增強鋼板上緣處是否同時形成塑性鉸；

如果沒有同時形成塑性鉸，則比較所述增強抗震墩柱的底部和所述增強鋼板上緣處的縱向鋼筋的極限應變的大小；如果所述增強鋼板上緣處的縱向鋼筋的極限應變較大，則增加所述增強鋼板的高度，并以增加后的所述增強鋼板的高度回到步驟2；如果所述增強抗震墩柱的底部的縱向鋼筋的極限應變較大，則減少所述增強鋼板的高度，并以減少后的所述增強鋼板的高度回到步驟2。

如果同時形成塑性鉸，則判斷所述高度是否符合要求；如果所述高度符合要求，則將所述厚度和所述高度設定為所述預設高度和所述預設厚度；如果所述高度太高，則減少所述增強鋼板的厚度，并以減少后的所述增強鋼板的厚度回到步驟1；如果所述高度太低，則增加所述增強鋼板的厚度，并增加后的所述增強鋼板的厚度回到步驟1；

直到確定同時形成塑性鉸時的所述增強鋼板的預設厚度和預設高度。

優選的，當所述鋼筋混凝土墩柱的底部和所述增強鋼板上緣處的縱向鋼筋同時達到極限應變，則判斷在所述鋼筋混凝土墩柱的底部和增強鋼板上緣處同時形成塑性鉸。

優選的，當所述增強鋼板的高度為所述鋼筋混凝土墩柱的高度的1/5～1/2時，判斷所述增強鋼板的高度符合要求。

優選的，所述步驟s4中，所述增強鋼板通過結構粘結劑粘貼安裝在所述鋼筋混凝土墩柱的表面并通過和螺栓固定。。

根據本發明提供的增強抗震墩柱，可以在增強抗震墩柱的墩底區域和增強鋼板上緣區域同時形成塑性鉸，墩柱的抗震承載力、變形能力和地震耗能能力等抗震能力指標大幅提高，而且本發明提供的增強抗震墩柱的結構簡單，建造方便，性價比高。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的增強抗震墩柱的結構示意圖；

圖2是圖1中的a-a截面示意圖；

圖3是本發明一個實施例中確定增強鋼板厚度和高度的流程圖；

圖4是鋼筋混凝土墩柱在墩柱底部區域形成雙塑性鉸的條件示意圖；

圖5是本發明一個實施例中的鋼筋混凝土墩柱在不同的增強鋼板厚度條件下的極限承載側向力曲線圖；

圖6是本發明一個實施例中的鋼筋混凝土墩柱在不同的增強鋼板厚度條件下的墩頂極限位移曲線圖；

圖7是本發明一個實施例中的鋼筋混凝土墩柱在不同的增強鋼板厚度條件下的抗彎剛度曲線圖；

圖8是本發明一個實施例中的鋼筋混凝土墩柱在不同的增強鋼板厚度條件下的滯回耗能能力曲線圖。

具體實施方式

為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合圖1～圖3對本發明提供的增強抗震墩柱做詳細說明。

參照圖1、圖2所示的增強抗震墩柱的結構示意圖，本發明提供的增強抗震墩柱包括墩柱基礎1、基礎預埋件2、增強鋼板3和鋼筋混凝土墩柱5。

其中，基礎預埋件2預埋在墩柱基礎1內，基礎預埋件2對保證增強抗震墩柱的墩底截面上增強鋼板3和墩柱5共同受力非常重要，一般可以是槽鋼、工字鋼等，槽鋼和工字鋼包括腹板和翼緣。可以理解的是，基礎預埋件2應可靠錨固于墩柱基礎1內。

增強鋼板3固定安裝在鋼筋混凝土墩柱5的底部表面上，并與基礎預埋件2固定連接。在本發明的一些實施例中，增強鋼板3通過焊接的方式與基礎預埋件2固定連接在一起，即通過焊縫將增強鋼板3與基礎預埋件2連接在一起。

可以理解的是，本發明中對于將增強鋼板3固定安裝至鋼筋混凝土墩柱5的底部表面上的方式沒有特殊限定，可以采用本領域技術人員公知的方式將增強鋼板3固定安裝在鋼筋混凝土墩柱5的底部表面上。

如圖1所示，在本發明的一個實施例中，增強鋼板3通過設有結構粘結膠層(圖中未示出)和螺栓4固定安裝在鋼筋混凝土墩柱5的底部表面上，保證增強鋼板3與鋼筋混凝土墩柱5在增強范圍內的每個截面共同受力。對于粘結劑和螺栓4的工作原理為本領域技術人員公知，本發明對此不作詳細描述。

可以理解的是，墩柱基礎1和鋼筋混凝土墩柱5的結構和構造，本發明對此沒有特殊限定，可以為本領域常見的形式。

圖3中虛線s1為墩柱受到的地震作用，虛線s2為增強抗震墩柱的地震抗力。一般而言，墩柱受到的地震作用自墩頂向墩底增加，而在墩底塑性鉸a區域(即圖1虛線框a區域)由于鋼板的作用橋墩抗震能力較高，在增強鋼板3上緣塑性鉸b區域(即圖1虛線框b區域)抗震能力稍低，因此本發明通過調整增強鋼板3的厚度和高度來同時在墩底和增強鋼板3的上緣使墩柱抗力和地震作用平衡，使該兩個區域縱向鋼筋同時達到極限應變，形成兩個塑性鉸，即雙塑性鉸。

雙塑性鉸可以吸收更多的地震能量，增加墩柱的變形能力和地震抗震力，進而可以有效的降低震害、提高混凝土墩柱的抗震能力。塑性鉸的工作原理為本領域技術人員所公知，本發明對此不作詳細描述。

在本發明的一些實施例中，本發明還提供一種增強抗震墩柱的建造方法，包括以下步驟：

s1)施工墩柱基礎，并將基礎預埋件預埋在所述墩柱基礎內；

s2)在所述墩柱基礎上施工鋼筋混凝土墩柱；

s3)確定增強鋼板的厚度和高度并制作增強鋼板；

s4)將所述增強鋼板固定安裝至所述鋼筋混凝土墩柱的底部表面上，并將所述增強鋼板與所述基礎預埋件固定連接；以及

s5)養護步驟s4得到的構件以形成所述增強抗震墩柱，

所述增強鋼板具有預設厚度和預設高度，以在所述鋼筋混凝土墩柱的底部和所述增強鋼板的上緣處同時形成塑性鉸。

具體的，在本發明的一些實施例中，首先施工墩柱基礎1，并在墩柱基礎1中預埋基礎預埋件2。墩柱基礎1以及基礎預埋件2的施工方法可以采用現有技術中常用的施工方法，本發明對此沒有特殊限定。

基礎預埋件2可以為槽鋼或者工字鋼，一般而言，在基礎預埋件2槽鋼或者工字鋼的翼緣和腹板圍成的區域內可布置多根增強鋼筋6，以保證基礎預埋件2與墩柱基礎1可靠錨固。可以理解的是，基礎預埋件2環繞在鋼筋混凝土墩柱5的底面的周圍，且基礎預埋件2的頂面應保持水平，以便和增強鋼板3固定連接在一起。

然后，在墩柱基礎1上施工鋼筋混凝土墩柱5，鋼筋混凝土墩柱5的施工方法為本領域技術人員所公知，在此，本發明不作詳細描述。可以理解的是，在施工鋼筋混凝土墩柱的墩柱5時，需要預留多組混凝土棱柱體試塊和鋼筋試件，準確測量鋼筋混凝土墩柱5中混凝土和鋼筋的力學參數。

可以理解的是，本發明對于墩柱基礎1、基礎預埋件2、螺栓4、結構粘結膠、鋼筋混凝土墩柱5以及增強鋼板3的材料沒有特殊限定，可以為本領域常用的混凝土材料、鋼材和粘結膠，具體可以根據鋼筋混凝土墩柱的情況加以選擇。

然后，根據鋼筋混凝土墩柱5的結構形式、尺寸、配筋、材料性能等確定增強鋼板3的預設厚度t和預設高度h。增強鋼板3的預設厚度和預設高度確定的關鍵是可以在鋼筋混凝土墩柱5的底部區域和增強鋼板3上緣處同時塑性鉸，即雙塑性鉸結構。雙塑性鉸判斷的標準可以采用本領域技術人員所公知的方法，本發明的一些實施例中采用的判斷方法是鋼筋混凝土墩柱5底部和增強鋼板3上緣這兩個位置的縱向鋼筋同時達到極限應變。鋼筋混凝土墩柱5的底部和增強鋼板3上緣處這兩個位置的縱向鋼筋的極限應變可以通過本領域技術人員所公知的方法確定，例如，在本發明的一些實施例中，可以采用非線性纖維截面來進行鋼筋混凝土墩柱5地震響應時程計算或進行pushover分析來確定。地震響應時程計算或pushover分析方法為本領域技術人員所公知，本發明在此不再贅述。

在本發明的一些實施例中，增強鋼板3的預設厚度t和預設高度h可通過以下流程順序進行確定，可參照圖4：

步驟1：設定增強鋼板3的厚度；

步驟2：設定增強鋼板3的高度；

步驟3：確定鋼筋混凝土墩柱5的底部和增強鋼板3上緣處的縱向鋼筋的極限應變；例如，可以根據地震響應時程計算或者pushover分析確定墩底和增強鋼板上緣處的縱向鋼筋的極限應變；

步驟4：判斷在鋼筋混凝土墩柱5的底部和增強鋼板3上緣處是否同時形成塑性鉸。

如果鋼筋混凝土墩柱5的底部和增強鋼板3上緣處的縱向鋼筋同時達到極限應變，則可判定在鋼筋混凝土墩柱的底部和增強鋼板上緣處同時形成塑性鉸；如果沒有形成雙塑性鉸，則比較增強鋼板上緣處的鋼筋應變和墩底的縱向鋼筋應變大小。

如果增強鋼板上緣的縱向鋼筋的應變較大，需要增加增強鋼板高度h，然后回到步驟2，如果墩底縱向鋼筋應變較大，則需要減小增強鋼板高度h；然后回到步驟2。

如果同時形成雙塑性鉸，則判斷增強鋼板的高度是否符合要求。在本發明的一些實施例中，增強鋼板的高度為鋼筋混凝土墩柱高度的1/5～1/2范圍內時符合要求。

如果增強鋼板的高度不符合要求，即如果高度h太高，則減小增強鋼板的厚度t，然后回到步驟1,；如果高度h太低，則增加增強鋼板的厚度t，然后回到步驟1)。

直到確定合理的增強鋼板的厚度和高度，進而有效在鋼筋混凝土墩柱的底部與增強鋼板的上緣處形成雙塑性鉸增強方案。

進而在鋼筋混凝土墩柱5養護至設計強度的85％后，可將制作好的增強鋼板3固定安裝至墩柱5的底部區域表面上。可以理解的是，對于鋼筋混凝土構件的養護可以采用本領域技術人員所公知的方案進行，本發明對此沒有特殊限定。可以理解的是，本發明中對于將增強鋼板3粘貼至墩柱5的底部表面上的方式沒有特殊限定，可以采用本領域技術人員公知的技術。

例如，如圖1所示，在本發明的一個實施例中，增強鋼板3通過結構粘結膠粘貼到鋼筋混凝土墩柱5的表面，然后通過螺栓4加壓固定。常用的粘貼鋼板的流程如下：

1)在鋼筋混凝土墩柱5的表面預定螺栓4的位置鉆孔，清孔并采用化學粘結置入螺栓4，可以理解的是，螺栓的間距宜稍密；

2)在增強鋼板3范圍內鑿毛鋼筋混凝土墩柱5的表面，露出堅硬層，使用高壓空氣和丙酮清洗表面的浮塵；打磨預制好的增強鋼板3內表面，直至露出金屬質地。可以理解的是，打磨時粗糙度宜大，打磨紋路盡量與鋼板受力方向垂直，之后用丙酮清洗鋼板表面；

3)鋼筋混凝土墩柱5的增強范圍內和增強鋼板3粘結面上涂抹結構粘結膠，粘結膠厚度控制在1～3mm，且中間厚邊緣薄；

4)粘貼增強鋼板3至鋼筋混凝土墩柱5的底部表面上，用螺栓4和其它加壓器材對增強鋼板3加壓。加壓是保證界面粘結質量的重要步驟。然后焊接增強鋼板3開口的豎向側邊使增強鋼板3形成一個整體。

接下來在粘結結構膠還未完全凝固前把增強鋼板3與墩柱基礎1中的基礎預埋件2焊接。粘結界面未固化可以釋放由于焊接造成的界面應力。在本發明的實施例中，焊縫的抗拉能力大于增強鋼板3的抗拉強度，以保證墩底可以形成一個塑性鉸

最后，對得到的構件進行養護，以形成增強抗震墩柱。

圖5-圖8所示為通過試驗和有限元計算所得到的本發明一個實施例中的增強抗震墩柱在增強鋼板3不同厚度條件下的抗震能力的相關結果，其中a、b、c和d點分別為鋼筋混凝土墩柱在墩底和增強鋼板3的上緣處同時形成塑性鉸的最優情況。從中可以看出，相較于僅在墩底形成單塑性鉸(增強鋼板較薄或原始未增強墩柱)的方案和僅在增強鋼板3上緣形成單塑性鉸(增強鋼板較厚)的方案而言，本發明實施例提供的鋼筋混凝土墩柱在墩底和增強鋼板3的上緣處同時形成塑性鉸后可以大幅提高鋼筋混凝土墩柱的側向承載力、變形量和耗能能力，同時能夠降低墩柱抗彎剛度，進而顯著的提高鋼筋混凝土墩柱的抗震性能。

本發明結構構造簡單，施工方便，便于工程應用，在同等地震抗力的條件下減小墩柱截面面積，節省建設空間，減少建設投資。

本發明提供的增強抗震墩柱可以用于承載較高烈度地震作用的情況，也可以用于承載很大普通使用荷載的情況。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，只要運用本發明說明書和附圖內容所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。