本发明属于预制装配式桥梁结构技术领域，具体涉及用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构及其装配方法。
背景技术：
众所周知，地震对桥梁安全构成了严重威胁。传统桥梁通常利用桥墩末端塑性铰区混凝土的开裂、压碎及钢筋的屈服耗散输入结构的地震能量，从而防止桥梁破坏倒塌。但传统抗震设计方法缺乏对桥梁震后使用功能的关注，地震中损伤的桥墩塑性铰区可能难以修复或需较长时间修复，桥墩也可能存在较大的残余位移，从而使桥梁丧失使用能力，极大影响震后灾区的救灾工作。存在残余位移的桥梁也可能因无法修复或修复不经济而拆除，造成巨大的经济损失，并对灾区交通功能的恢复带来障碍。
为达到强震后快速恢复桥梁正常使用功能的目的，国内外学者提出了自复位结构并对其在桥梁工程领域的应用进行了若干尝试。理想的自复位结构即使在强震作用下经历较大变形，也可利用其自恢复力消除残余位移，并能经快速修复恢复其原有使用功能。由于结构损伤小导致耗能能力较低，自复位结构通常需要附加震后可方便更换的耗能机构，进而补偿结构本身的耗能能力。当前自复位桥墩结构主要针对群桩基础或扩大基础进行设计，但对于桥梁建设中大量使用的单桩基础，尚缺乏满足工程实践要求的构造形式。另外，现有自复位桥墩结构构造复杂，现场施工难度较大，其可修复性和长期使用性能还有待改善。
当前桥梁建设在保证结构安全和耐久性的前提下，还要求降低对现有交通的干扰，改善施工安全性，减少环境污染，提高施工质量，加快施工速度，降低生命周期成本。国内外众多实践结果表明，预制装配技术是实现上述目标的有效途径。因此，工程技术人员致力于在今后的桥梁建设中推广使用预制装配技术。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明公开了用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构及其装配方法，通过桥墩与桩顶平台之间的摇摆保证桥梁主体结构在地震作用下的安全；利用结构自重及上部恒载重力实现自复位，利用连接桥墩与桩顶平台的耗能筋屈服耗散输入结构的地震能量，显著减小或消除桥梁震后残余位移，保证震后桥梁的正常使用；利用预制装配技术提高施工质量、加快施工速度、减少环境污染；耗能筋在满足结构耗能要求的同时，易于更换，便于在强震后快速恢复桥梁抗震性能，具有广泛的适用性和积极的社会意义和科学意义，填补了目前单桩基础自复位桥墩结构的空白。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构，包括钻孔灌注桩基础、预制桩顶平台以及带有底座的预制桥墩；所述预制桩顶平台顶部预设有凹槽，中部设有通长预留孔道一；所述钻孔灌注桩基础顶部的连接纵筋埋入桩顶平台中部的预制孔道一中，完成桩基础与桩顶平台的连接；所述预制桥墩底座置于桩顶平台顶部的凹槽内；还包括耗能筋，所述耗能筋穿过制桥墩底座中的预留孔道二，连接桩顶平台与桥墩底座；所述耗能筋震后通过预留孔道二从预制桥墩底座内拆出，灵活可更换。
作为本发明的一种改进，所述桩基础与预制桩顶平台间设置由早强浆料或超高性能混凝土（uhpc）浇筑的坐浆层，所述通长预留孔道一由钢波纹管制成，所述桩顶连接纵筋插入预留孔道一后的缝隙，灌入早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土（uhpc）填充。
作为本发明的另一种改进，所述耗能筋带有防屈曲套筒，地震时耗能筋变形，防屈曲套筒能够为耗能筋提供约束，抑制其受压屈曲；所述桩顶平台内预埋有耗能筋螺纹锚具，耗能筋底部设有与之匹配的螺纹，所述耗能筋穿过预留孔道二，通过螺纹，连接于桩顶平台内的螺纹锚具中；所述耗能筋顶端也设有螺纹，并使用中心带有螺纹孔的圆形嵌件和固定钢板，与桥墩底座上部相连接。
作为本发明的又一种改进，所述预制桥墩底座预留孔道二顶部设有圆窝，装配时圆形嵌件置于圆窝内；所述圆窝四周预埋有用于安装固定钢板的螺纹杆。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的装配方法，包括如下步骤：
s1，完成钻孔灌注桩基础建造后，破除桩头混凝土，调直露出的连接纵筋；
s2，在桩基础顶部浇筑坐浆层，将预制桩顶平台吊装至桩基础上，使连接纵筋插入预制桩顶平台中的通长预留孔道一内，并使用早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土（uhpc）填充连接纵筋与预留孔道一之间的缝隙；
s3，待坐浆层浆料和孔道填充浆料达到设计强度后，吊装预制桥墩至桩顶平台上，并确保预制桥墩底座置于桩顶平台顶部的凹槽内；
s4，通过桥墩底座内的预留孔道二，将耗能筋底端的螺纹旋入预埋于桩顶平台内的耗能筋螺纹锚具中；
s5，将中心带有螺纹孔的圆形嵌件旋至耗能筋顶部螺纹连接段，使其置于桥墩底座预留孔道二顶部的圆窝内，并确保圆形嵌件与圆窝底面混凝土之间牢固接触；令预埋于桥墩底座的螺纹杆穿过固定钢板上的打孔，并使用六角螺母将固定钢板紧固于圆形嵌件之上；
s6，加装保护盖，完成装配。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的修复方法，当桥墩底座在地震作用下经历转动位移、耗能筋屈服后，打开保护盖，拆下固定钢板和圆形嵌件，将屈服的耗能筋从桩顶平台内的螺纹锚具中旋出，并将新耗能筋旋入锚具中，重新安装圆形嵌件和固定钢板，加装保护盖，完成修复工作。
本发明的有益效果是：
（1）方便施工：最大程度使用预制部件，并利用螺纹连接和早强浆料简化施工工艺、提高施工质量、加快施工速度、减少环境污染。
（2）结构简单：利用结构自重及上部恒载重力提供自恢复力，避免使用额外预应力拉索，提高结构可靠性，简化桥梁日常维护工作。
（3）低成本：使用价格相对低廉的耗能筋来降低建造和修复成本，并通过使用质量更可控的预制部件减少桥梁维护作业，降低生命周期成本，经济节约。
（4）耐久性高：相较传统现浇混凝土部件，预制部件具有更好的耐久性；耗能筋经防锈处理，并在桥墩底座顶部加装保护盖，保证耗能筋与桥墩底座连接的耐久性。
（5）自复位性：利用结构自重及上部恒载重力实现自复位，消除或减小震后桥梁结构的残余变形，不同于传统结构在塑性铰区产生破坏，本发明在地震作用下除耗能筋屈服外其余部件均无损伤，从而确保桥梁震后使用功能。
（6）易修复性：屈服的耗能筋可在震后快速更换，且更换过程对桥梁正常使用不产生影响，有利于震后及时恢复桥梁原有抗震性能。
（7）高承载力：使用钻孔灌注桩基础，相较于扩大基础具有更高的承载力，从而广泛适用于不同土体条件和不同类型桥梁。
附图说明
图1为本发明用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的整体结构图；
图2为本发明所述预制桩顶平台结构图；
图3为本发明所述带有底座的预制桥墩结构图；
图4为本发明所述耗能筋与预制桥墩底座连接细节详图。
附图标记列表：
1-钻孔灌注桩基础、2-预制桩顶平台、3-预制桥墩、4-预制桥墩底座、5-桩基础顶部露出连接纵筋、6-坐浆层、7-通长预留孔道一、8-桩顶平台顶部凹槽、9-耗能筋螺纹锚具、10-通长预留孔道二、11-耗能筋、12-预留孔道二顶部圆窝、13-螺纹杆、14-中心带有螺纹孔的圆形嵌件、15-固定钢板、16-保护盖、17-地面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1
用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构，包括钻孔灌注桩基础1、预制桩顶平台2以及带有底座4的预制桥墩3；如图2所示，预制桩顶平台2顶部预留有凹槽8，中部设有由钢波纹管制成的通长预留孔道一7，预留孔道一7呈环形布置，其位置与桩基础1顶部连接纵筋5对齐，预制桩顶平台2中还预埋有耗能筋螺纹锚具9，螺纹锚具9呈环形布置于桩顶平台2外沿；如图1所示，桩基础1位于预制桩顶平台2下方，承载预制桩顶平台2重量与桥梁静动荷载，桩基础1与预制桩顶平台2之间浇筑有坐浆层6，从而确保桩基础1与预制桩顶平台2之间的充分接触；桩基础1顶部露出的连接纵筋5插入对应的预留孔道一7中，并灌入早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土（uhpc）填充连接纵筋5与预留孔道一7之间的缝隙。
如图3所示，预制桥墩底座4中设置有通长预留孔道二10，预留孔道二10呈环形布置，其位置与桩顶平台2中预埋的耗能筋螺纹锚具9对齐，预留孔道二10顶部设有圆窝12，圆窝12深度略小于中心带有螺纹孔的圆形嵌件14的厚度，圆窝12四周预埋有螺纹杆13，用于安装固定钢板15；带有底座4的预制桥墩3吊装于桩顶平台2之上，桥墩底座4置于桩顶平台2顶部凹槽8内，从而确保底座4在地震作用下摇摆时不与桩顶平台2发生水平相对位移；
还包括耗能筋11，所述耗能筋11位于预留孔道二10内，如图1所示，耗能筋11带有防屈曲套筒，为耗能筋11提供约束，抑制其受压屈曲；耗能筋11通过其底部的螺纹，连接于桩顶平台2内预埋的耗能筋螺纹锚具9上；耗能筋11与桥墩底座4的连接可参照附图4，中心带有螺纹孔的圆形嵌件14旋至耗能筋11顶部螺纹连接段，使其置于桥墩底座预留孔道二10顶部的圆窝12内，并确保圆形嵌件14与圆窝12底面混凝土之间牢固接触，预埋于桥墩底座的螺纹杆13穿过固定钢板15上的打孔，并使用六角螺母将固定钢板15紧固于圆形嵌件14之上，最后加装保护盖16用以保证耗能筋11连接的耐久性；耗能筋11通过预留孔道二10，可以从桥墩底座4内拆出，灵活可更换。
正常行车、风荷载以及多遇地震条件下，桥墩底座4与桩顶平台2配合面处无相对位移。在设计或罕遇地震作用下，桥墩底座4在桩顶平台2上发生摇摆，桥墩底座4一侧相对桩顶平台2发生提离，连接在桥墩底座4与桩顶平台2之间的耗能筋11受拉屈服发生塑性形变并耗散地震输入能量。地震力方向反转后，提离的一侧桥墩底座4重新落回桩顶平台2，发生受拉塑性形变的耗能筋11受压屈服，此时防屈曲套筒为耗能筋11提供约束，抑制其受压屈曲。地震过程中，只有耗能筋11发生塑性形变，桩基础1、桩顶平台2、桥墩3以及桥墩底座4均无破坏，桥墩3和桥墩底座4可通过结构自重及恒载重力进行自复位，从而保证桥梁震后的正常使用。耗能筋11的更换过程对桥梁正常使用不产生影响，且桥梁在更换耗能筋11后即可恢复其原有抗震性能。数值模拟研究结果表明，本发明的力-位移滞回关系为典型旗帜形，其具有很好的自复位能力，且耗能性能稳定。不同于传统结构在地震作用下形成难以修复的桥墩塑性铰，本发明在经历大震后除耗能筋11外其余部件均无损伤，具有很好的可修复性。
实施例2
用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的装配方法，包括如下步骤：
准备步骤：预制桩顶平台2和桥墩底座4时，应严格按照设计方案布置预留孔道一7、耗能筋螺纹锚具9、预留孔道二10，并经复核确认其位置。桩顶平台2和桥墩底座4应使用匹配预制的方法，确保其接触面配合并保证预留孔道二10与耗能筋螺纹锚具9的位置对齐。预留孔道一7应使用钢波纹管制成，从而确保内力的有效传递。桩基础钢筋笼顶部的连接纵筋5应使用模板定位，确保其与预留孔道一7的位置相对应。
s1，完成钻孔灌注桩基础1建造后，破除桩头混凝土，调直露出的连接纵筋5；
s2，在桩基础1顶部浇筑坐浆层6，将预制桩顶平台2吊装至桩基础1上，使连接纵筋6插入预制桩顶平台中的通长预留孔道一7内，吊装过程应注意防止连接纵筋5碰撞桩顶平台2造成弯折，吊装后的桩顶平台2应保证其位置偏差在设计允许的范围内；使用早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土（uhpc）填充连接纵筋5与预留孔道一7之间的缝隙，灌浆过程要确保预留孔道一7内的浆体填充密实；
s3，待坐浆层浆料和孔道填充浆料达到设计强度后，吊装预制桥墩3和底座4至桩顶平台2上，吊装过程应确保预制桥墩底座4置于桩顶平台顶部的凹槽8内，以及预留孔道二10与耗能筋螺纹锚具9的位置相对应；预制桥墩底座4与预制桥墩3可以作为整体浇筑后一次吊装，也可作为分体浇筑后再吊装连接为一个整体；
s4，通过桥墩底座内的预留孔道二10，将耗能筋底端的螺纹旋入预埋在桩顶平台内的耗能筋螺纹锚具中9；
s5，将中心带有螺纹孔的圆形嵌件14旋至耗能筋顶部螺纹连接段，使其置于桥墩底座预留孔道二顶部的圆窝12内，并确保圆形嵌件14与圆窝底面混凝土之间牢固接触；令预埋于桥墩底座的螺纹杆13穿过固定钢板上的打孔，并使用六角螺母将固定钢板15紧固于圆形嵌件14之上；
s6，加装保护盖16，完成装配。
本实施例桩顶平台2、桥墩底座4与桥墩3均采用工厂预制，避免了现场绑扎钢筋、搭建模具等工作。施工使用的浆料可在24小时内达到普通混凝土强度，从而确保在一天内完成桩顶平台2与桩基础1的连接。桥墩底座4直接放置在桩顶平台2之上，配合使用螺纹连接安装耗能筋11，简化施工步骤、加快施工速度、提高施工质量、减少环境污染。同时使用价格相对低廉的耗能构件来降低建造、维修成本，并通过使用质量更可控的预制部件减少维护作业，降低生命周期成本，经济节约。
实施例3
用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的修复方法，当桥墩底座在地震作用下经历转动位移后：
s1，打开保护盖16，拆下固定钢板15和圆形嵌件14，将屈服的耗能筋11从桩顶平台内的耗能筋螺纹锚具9中旋出；
s2，将新耗能筋11旋入耗能筋螺纹锚具9中，重新安装圆形嵌件14和固定钢板15，之后加装保护盖16，完成修复工作，桥梁立即恢复其抗震性能。
本发明在地震作用下除耗能筋屈服外其余部件均无损伤，从而确保桥梁震后使用功能。屈服的耗能筋可在震后快速更换，且更换过程对桥梁正常使用不产生影响，有利于震后及时恢复桥梁原有抗震性能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
1.用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构，包括桩基础、预制桩顶平台以及带有底座的预制桥墩，其特征在于：
所述桩基础位于预制桩顶平台下方，承载桥梁静动荷载；
所述预制桩顶平台中部呈环形布置有通长预留孔道一，其位置与桩基础顶部的连接纵筋相对应；所述桩基础与预制桩顶平台之间浇筑有坐浆层，桩基础顶部的连接纵筋埋入预留孔道一中；
所述桥墩底座置于桩顶平台顶部的凹槽内；
还包括耗能筋，所述耗能筋通过桥墩底座中的预留孔道二连接桥墩底座与桩顶平台。
2.如权利要求1所述的用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构，其特征在于：
所述预留孔道一由钢波纹管制成；
所述坐浆层由早强浆料或超高性能混凝土浇筑；所述连接纵筋与预留孔道一的缝隙，灌入早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土填充，
所述预制桩顶平台内呈环形预埋耗能筋螺纹锚具；所述预制桥墩底座内的通长预留孔道二位置与耗能筋螺纹锚具对齐；
所述耗能筋两端设有螺纹，耗能筋穿过预留孔道二，利用底端螺纹，与桩顶平台内的耗能筋螺纹锚具相连接；耗能筋顶端使用中心带有螺纹孔的圆形嵌件和固定钢板，与桥墩底座上部相连接。
3.如权利要求2所述用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构，其特征在于：
所述预留孔道二顶部设置圆窝，其深度小于圆形嵌件的厚度1-10mm；圆窝四周预埋有螺纹杆；
所述中心带有螺纹孔的圆形嵌件旋至耗能筋顶部螺纹连接段，并置于圆窝内，其与圆窝底面混凝土牢固接触；螺纹杆穿过固定钢板上的打孔，并使用六角螺母将固定钢板紧固于圆形嵌件之上；
所述固定钢板顶部安装有保护盖。
4.用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1，完成钻孔灌注桩基础建造后，破除桩头混凝土，调直露出的连接纵筋；
s2，在桩基础顶部浇筑坐浆层，将预制桩顶平台吊装至桩基础上，使连接纵筋插入预制桩顶平台中的通长预留孔道一内，并使用早强无收缩灌浆料或超高性能混凝土填充连接纵筋与预留孔道一之间的缝隙；
s3，待坐浆层浆料和孔道填充浆料达到设计强度后，吊装预制桥墩至桩顶平台上，并确保预制桥墩底座置于桩顶平台顶部的凹槽内；
s4，通过桥墩底座内的预留孔道二，将耗能筋底端螺纹旋入预埋在桩顶平台内的耗能筋螺纹锚具中；
s5，将中心带有螺纹孔的圆形嵌件旋至耗能筋顶部螺纹连接段，使其置于桥墩底座预留孔道二顶部的圆窝内，并确保圆形嵌件与圆窝底面混凝土之间牢固接触；令预埋于桥墩底座的螺纹杆穿过固定钢板上的打孔，并使用六角螺母将固定钢板紧固于圆形嵌件之上；
s6，加装保护盖，完成装配。
5.用于单桩基础的自复位预制装配式桥墩结构的修复方法，其特征在于：当桥墩底座在地震作用下经历转动位移、耗能筋屈服后，打开保护盖，拆下固定钢板和圆形嵌件，将屈服的耗能筋从桩顶平台内的螺纹锚具中旋出，将新耗能筋旋入锚具，重新安装圆形嵌件和固定钢板，加装保护盖，完成桥梁修复工作。
技术总结