一种PBL板-FRP筋连接的混凝土组合桥墩及建造方法

技术领域

本发明涉及一种PBL板-FRP筋连接的混凝土组合桥墩及其建造方法，属于土木工程领域。

背景技术

研究发现，跨海大桥所处的海洋环境具有较强的腐蚀性，因此，目前桥墩的建造通常全断面采用造价高昂的海工混凝土。然而，由于桥墩内部具有较好的密闭性，因此采用海工混凝土较为浪费，而海工混凝土的防侵蚀能力又不足以使得外层混凝土抵抗海水的腐蚀，导致一些跨海桥梁仍然出现了严重的腐蚀问题，影响桥梁的结构安全和使用寿命。

目前，跨海大桥的桥墩施工方法主要为采用钢模板的整体现浇施工方法和全截面预制拼装的施工方法。由于跨海大桥桥墩数量一般较多，采用现浇施工时，钢模板数量巨大，且处于海洋极端环境中，钢模板锈蚀速度较快，重复利用次数少，提高建造成本的同时造成了大量的浪费。

目前，桥墩结构主要采用普通钢筋作为结构的框架体系，然而，普通钢筋极易受到海水的腐蚀而发生锈蚀，从而降低钢筋的强度。

UHPC作为一种新技术水泥基材料，具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗渗性，可以有效防止海水的侵蚀，满足海洋等恶劣极端环境条件下的耐久性要求，而普通混凝土完全能够满足桥墩内部结构的材性要求。

然而，UHPC与普通混凝土结合会存在其连接界面为零剪力连接，容易由结合力不够导致相对滑动等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种PBL板-FRP筋连接的混凝土组合桥墩及其建造方法以至少解决现有技术中UHPC与普通混凝土结合力不够的问题。

技术方案：本发明提供一种PBL板-FRP筋连接的混凝土组合桥墩，包括：

UHPC模壳；

内核混凝土，位于所述UHPC模壳内；

连接机构，包括：

多个钢板，间隔埋设于所述UHPC模壳内；

多个PBL板，沿桥墩高度方向间隔设置，每个PBL板部分固定于所述UHPC模壳内，其他部分固定于所述内核混凝土内，每一所述钢板与多个所述PBL板焊接固定；

多个FRP筋，分别穿设于所述多个PBL板。

进一步的，所述PBL板为环形，所述PBL板内侧设有多个凸起，每一凸起设有孔洞以插入FRP筋。

进一步的，所述UHPC模壳掺有细微钢纤维。

进一步的，所述FRP筋的两头通过环形锚具锚固收紧，环形锚具和环形PBL板的接触面采用焊接的形式固定。

进一步的，所述钢板沿桥墩中心对称布置。

本发明还提供一种PBL板-FRP筋连接的混凝土组合桥墩建造方法，包括：

将多个PBL板分别沿桥墩高度方向间隔焊接在钢板上；

浇筑UHPC模壳，在UHPC模壳的浇筑过程中， PBL板的部分结构和钢板埋置在UHPC模壳内部；

将FRP筋穿入PBL板预留的孔洞中并进行固定；

在UHPC模壳内浇筑混凝土。

进一步的，在步骤将FRP筋穿入PBL板预留的孔洞中并进行固定中，采用环形锚具将FRP筋的两头锚固收紧，将环形锚具和PBL板的接触面焊接。

进一步的，所述PBL板预留的孔洞的直径略大于FRP筋的直径，环形锚具的直径略大于孔洞的直径。

进一步的，UHPC模壳采用预制装配的方法进行浇筑。

进一步的，根据桥墩所受实际荷载作用大小计算界面连接处的总剪力，除以单片PBL板可提供的承载力，计算出单个桥墩所需的PBL板的总个数，将PBL板沿着桥墩的高度从上到下等间距分布在整个桥墩的高度上。

有益效果：本发明对比已有技术具有以下优点：

1）UHPC作为一种新技术水泥基材料，具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗渗性，可以有效防止海水的侵蚀，满足海洋等恶劣极端环境条件下的耐久性要求，而内核混凝土完全能够满足桥墩内部结构的材性要求。本申请将具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗渗性的UHPC材料置于结构的外层，内部则采用现浇的内核混凝土，在提高防侵蚀能力的同时节约了造价。使得该种组合桥墩能够适用于海洋或者咸水湖等氯离子浓度高的恶劣极端环境条件下的大跨径桥梁。同时，UHPC强度高，截面厚度较小，吊装质量小，不需要大型的吊装和运输设备，连接相对简单，无需预应力措施。

2）本申请的连接机构具有如下优点：a、连接机构将零剪力连接的界面干接缝变为完全剪力连接，显著提升结构的界面连接性能与整体性；b、使用连接机构可以省去了预制构件和现浇构件的连接施工工序，方便了施工，提高施工的效率；c、连接机构的各组件为轻质装置，没有增加UHPC永久模壳的重量，便于施工和吊装；d、显著提升了桥墩的承载能力；e、在相同要求下，有连接体系的桥墩可以减小尺寸，降低造价，节约成本；f、通过在UHPC模壳内预埋连接体系，能够对UHPC模壳进行支撑，进一步提高UHPC模壳的强度，并且能够将现浇内核混凝土内核与UHPC模壳连成整体。

3）UHPC制成的永久模壳在施工过程中可作为现浇混凝土的模板，从而节省了大量的钢模板且免除了拆模的工序，减少资源浪费的同时节省了工程的附加支出。而采用全截面预制拼装的施工方法，需要大型吊装设备、运输设备和预制场地，及构件之间的连接需要预应力等措施，施工难度大、且用工效率低。同时，UHPC制作的永久模壳强度高，截面厚度较小，吊装质量小，不需要大型的吊装和运输设备，连接相对简单，无需预应力措施。同时采用预制的UHPC永久模壳可以节省大量的钢模板，在减小施工难度的同时，有效的降低工程的造价。

4）FRP筋作为一种纤维复合型材料，具有质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀性强、材料结合力强等特点。相较于普通钢筋，其优异的物理力学性能使其更适用于海洋等氯离子浓度高的恶劣极端环境条件。本申请采用抗拉强度高和耐腐蚀性强的FRP筋，相较于普通钢筋，FRP筋优异的物理力学性能使其更适用于海洋等氯离子浓度高的恶劣极端环境条件。FRP筋的自身重量轻，可以减轻整体的吊装重量，便于施工。同时FRP筋在施工工程中更加便于固定，只需要采用两头固定的方式便可以使其有效定位。

5）在UHPC模壳和内核混凝土之间设置由PBL板和FRP筋组成的连接体系有效地保证了UHPC外筒和内核混凝土之间形成有效的整体性连接，同时提高桥墩的整体刚度。

6）PBL板上的孔洞的直径略大于FRP筋的直径，使得FRP筋更容易绑扎和固定，而锚具则使得FRP筋的位置固定，不会出现上下滑动。环形锚具的直径略大于孔洞的直径有效保证了锚固的牢靠性。

7）采用的环形PBL板的前端为波浪形，有效增大环形PBL板和现浇内核混凝土的有效接触面积，提高了连接的可靠度。

8）连接体系中采用FRP垂直穿过环形PBL板上的孔洞，将环形PBL板纵向连接，有效提高了整个连接体系的纵向刚度。

9）UHPC浇筑的永久模壳强度高，截面厚度较小，吊装质量小，不需要大型的吊装和运输设备，连接相对简单，无需预应力措施。

10）采用预制装配式的建造方法不但有效地缩减了工期，提高了工程的质量，还有效地节省了人力和物力的支出，节省了造价。

附图说明：

图1是本发明实施例桥墩构造的示意图；

图2是本发明实施例桥墩构造剖面图；

图3是本发明实施例中连接机构的示意图；

图4是本发明实施例桥墩构造俯视图；

图5是PBL板的细节详图；

图6是FRP筋和环形锚具的锁锚示意图；

图7是环形锚具的细节详图。

图中标号说明：1- UHPC模壳、2-内核混凝土、3-PBL板、4-钢板、5-FRP筋、6-环形锚具。

具体实施方式

请参见图1至图7，本发明是一种可在海洋等恶劣极端环境条件下桥梁建造中使用的具有PBL（增强塑料，Fiber Reinforced Plastics）连接的新型U-NC（UHPC与普通混凝土）预制装配组合桥墩，该桥墩包括掺有细微钢纤维的UHPC（超高性能混凝土，Ultra HighPerformance Concrete）模壳1、带有孔洞的PBL板3、钢板4、FRP筋5、环形锚具6和NC（普通混凝土，Normal concrete）7。所述的普通混凝土7也即为内核混凝土。

图1及图2中，为了展示出其他元件的位置及连接关系，UHPC模壳1高度略低于其他元件，在实际应用中，UHPC模壳1应包覆其他元件。

钢板4布置于桥墩外侧面，钢板4对称布置，数量可以根据桥墩的实际需求的大小采用4片或者8片两种不同的布置形式。钢板4起到有效定位的作用，使得整个连接机构居中。

所述按照设计好的间隔沿着桥墩的高度方向从上到下依次焊接，环形PBL板3的前端为波浪形，即设有多个凸起。

波浪形有效增大环形PBL板3和普通混凝土7的有效接触面积，同时PBL板3的前端预留有孔洞1。PBL板3的直径和间距可以根据桥墩的实际需求直径和高度进行计算后选取。

PBL板3的间距可以根据桥墩所受实际荷载作用大小计算界面连接处的总剪力，除以单片PBL板3可提供的承载力，计算出单个桥墩所需的PBL板3的总个数，将PBL板3沿着桥墩的高度从上到下等间距分布在整个桥墩的高度上。

PBL板3采用标准化生产的模式进行加工，在每片PBL板3上均设置有两个定位基准点，在焊接PBL板时，首先将两端的定位基准点对齐，再进行焊接。

所述的桥墩外围的UHPC模壳1有掺有细微钢纤维的UHPC采用预制装配式的工艺进行浇筑，PBL板3的后半部分和钢板4埋置在UHPC内部形成有效连接。利用UHPC良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗渗性，有效提高了桥墩的耐腐蚀能力，使得海水难以向桥墩内部渗透。钢纤维的掺入可有效提升整体结构抗裂性能与承载能力。

所述的FRP筋5相较于普通钢筋，FRP筋5的抗拉强度高和耐腐蚀性强，其优异的物理力学性能使其更适用于海洋等氯离子浓度高的恶劣极端环境条件，有效防止了桥墩在使用过程中出现的钢筋腐蚀问题。

所述的FRP筋5依从环形的PBL板3预留好的孔洞1中垂直穿过，将PBL板3纵向连接，有效提高了整个连接体系的纵向刚度。

所述的环形锚具6将FRP筋5从两头锚固收紧。PBL板3上的孔洞1的直径略大于FRP筋5的直径，使得FRP筋5更容易绑扎和固定，而锚具6使得FRP筋5的位置固定，不会出现上下滑动。环形锚具6的直径略大于孔洞1的直径有效保证了锚固的牢靠性。环形锚具6和环形PBL板3的接触面采用焊接的形式固定。

所述的钢板4对称布置，在固定PBL板3的同时，可以起到有效定位的作用，使得整个连接体系居中，可以根据桥墩的实际需求的大小采用4片或者8片两种不同的布置形式。

根据前文所述的方法计算出所需的PBL板3的数量，当PBL板3的数量小于8片时，钢板4采用4片对称布置的形式即可满足结构的整体性和承载力要求，当数量大于等于8片时，钢板则采用8片对称布置的形式。

本发明具体建造的过程如下：

沿预设的桥墩外侧面设置钢板4；

将带有孔洞的环形PBL板3按照设计好的间隔沿着桥墩的高度方向从上到下依次焊接在对称布置好的钢板4上。

结构采用UHPC浇筑UHPC模壳1，在模壳4的浇筑过程中，PBL板3的后半部分和钢板4埋置在UHPC内部形成有效连接。

在浇筑时，将已经焊接过PBL板3的钢板置于标准化模板中，再浇筑UHPC，在养护完成后拆除模板，其中标准化模板可以多次利用，进行工业化标准浇筑。

在UHPC浇筑完成后，将FRP筋5依从环形PBL板3预留好的孔洞中穿过。

采用环形锚具6将FRP筋的两头锚固收紧后，使得FRP筋5无法发生相对滑动，再将环形锚具6和环形PBL板3的接触面焊死。

在预制的带有连接体系的UHPC模壳1中现浇普通混凝土7作为桥墩的内核。

现有的组合桥墩在施工的过程中，除预制装配和和现浇外，需要第三步（加固）才能使得桥墩成为整体，而本申请不需要第三次加强，可以有效地减少施工的步骤，提高施工的效率。

在本实施例中环形PBL板3的前端为波浪形。同时，环形PBL板3预留有孔洞1，孔洞1的位置与上述的波浪形构造一一对应。

在本实施例中，环形PBL板3按照设计好的间隔沿着桥墩的高度方向从上到下依次焊接在对称布置好的钢板4上。环形PBL板3的直径和间距可以根据桥墩的实际需求直径和高度进行计算后选取。

在本实施例中钢板4对称布置，数量可以根据桥墩的实际需求的大小采用4片或者8片两种不同的布置形式。钢板4起到有效定位的作用，使得整个连接体系居中。

在本实施例中， UHPC模壳1掺有细微钢纤维。

在本实施例中， PBL板3上的预留孔洞1的直径略大于FRP筋5的直径。

在本实施例中，采用的FRP筋5垂直穿过环形PBL板3上的孔洞1，将环形PBL板3纵向连接。FRP筋5可根据实际需求采用BFRP筋（玻璃纤维增强塑料Glass Fiber ReinforcedPlastics）或CFRP筋（碳纤维增强塑料Carbon Fiber Reinforced Plastics）两种不同类型的纤维筋。

在本实施例中，采用的环形锚具6将FRP筋5的两头锚固收紧，使得FRP筋5无法发生相对滑动。环形锚具6和环形PBL板3的接触面采用焊接的形式固定。

在本实施例中，环形锚具6的直径略大于孔洞1的直径。

在本实施例中，桥墩中的UHPC模壳1和连接体系部分采用预制装配的方法进行制造。

在本实施例中，普通混凝土7采用现浇的方式进行浇筑。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。