本发明涉及桥梁结构建筑技术领域，尤其涉及一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构及施工方法。
背景技术：
随着国家大力推广预制拼装混凝土建造技术，国内市政工程、公路工程以及城市轨道交通、铁路工程上陆续采用预制拼装式桥墩，通过工厂化制造和机械化装配，实现了桥墩的快速拼装。预制拼装式桥墩各构件间通过一定的连接形式现场拼装而成，连接形式的强度、抗剪性能、耐久性等直接影响到预制拼装式结构的安全和可靠。
预制拼装式墩柱和顶帽间最常用的连接形式为钢筋套筒灌浆连接或钢筋波纹管连接，两种连接方式设计时一般要求拼接缝在正常运营状态下不得受拉，仅在地震等特殊工况下才可受拉。当在城市轨道交通等工程中采用大悬臂顶帽时，拼接缝在单线行车等偏载状态下，不可避免出现受拉工况；或者在跨越线路、管线等采用框架墩时，顶帽与墩柱间在上部恒载、活载及温度作用下出现受拉工况。当拼接缝出现受拉且拉应力超过预制构件间粘接力时将会开裂，且可能在活载等动荷载作用下不断扩展，影响拼接缝的耐久性，从而影响拼装连接的安全性和可靠性。因此，钢筋套筒灌浆连接或钢筋波纹管连接形式均不适用于上述情况。同时，顶帽与墩柱间一般在接缝处分开制造，其上不设剪力键，应用于高烈度震区时抗剪能力可能不足。
针对现有连接方式的缺点，研发一种提高拼接缝抗裂能力的预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构及施工方法是个亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构及施工方法，通过设置预应力筋，提高拼接缝抗裂能力，增强震后自复位能力及连接可靠性；拼接缝采用超高性能混凝土或环氧砂浆，使拼接缝可承担一定的拉应力而不开裂，提高拼接缝的耐久性；设置钢筋混凝土抗剪榫和抗剪槽形成卡榫结构，接缝抗剪能力强；本连接构造特别适用于大悬臂顶帽t型桥墩或跨线框架式桥墩中预制墩柱和顶帽间的拼接。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，包括预制墩柱和预制顶帽，在所述预制墩柱内沿其纵向布设有若干条预应力筋和连接钢筋，在所述预制顶帽内设有若干个预埋波纹管，在所述预埋波纹管内预留有孔道，所述孔道与预应力筋和连接钢筋一一对应，预制时所述预应力筋和连接钢筋一部分预埋在预制墩柱内，一部分伸出预制墩柱，预制墩柱和预制顶帽拼装时所述预应力筋和连接钢筋一一穿入到预制顶帽的预埋波纹管中。
进一步的，在所述预制顶帽顶端浇筑预制顶帽槽口，且施工垫石，所述预制顶帽槽口大于预埋波纹管包围的面积。
进一步的，在所述预制墩柱顶部设有抗剪榫，在所述抗剪榫内部布设有抗剪榫抗剪钢筋和抗剪榫箍筋。在所述预制顶帽底部设置有抗剪槽，所述抗剪槽与所述抗剪榫位置对应，预制墩柱和预制顶帽拼装完成后，再向其内部间隙内压注超高性能混凝土。
进一步的，所述抗剪榫为圆形或矩形，位于截面中心，凸出墩顶一定高度，所述抗剪榫为钢筋混凝土结构。
进一步的，预制时在所述预制顶帽内预制有横向预应力束孔道，在所述横向预应力束孔道内设有横向预应力束。所述横向预应力束分批张拉，第一批在预制顶帽制造时张拉，第二批在上部梁体架设完成后张拉。
进一步的，所述预制墩柱与预制顶帽通过拼接缝材料进行拼装，将所述预制墩柱顶面凿毛，再铺设2-4cm厚拼接缝材料，然后吊装所述预制顶帽进行拼装，所述拼接缝材料采用超高性能混凝土或环氧砂浆。
进一步的，所述预应力筋锚固端位于所述预制墩柱内，张拉端位于所述预制顶帽顶部。所述预应力筋可采用精轧螺纹钢筋或高强钢棒。
进一步的，所述预应力筋与所述预制顶帽内的预埋波纹管间可采用有粘结或无粘结形式。吊装预制顶帽后，向预制顶帽中连接钢筋的预埋波纹管中压注压浆料，对连接钢筋锚固；当预应力筋采用有粘结时，向预应力筋的预埋波纹管中压注压浆料，当预应力筋采用无粘结时，无需灌浆。
进一步的，一个预制顶帽通过本结构分别与两个预制墩柱进行拼装后，构成跨线框架式桥墩的墩柱与顶帽连接结构。
一种采用上述预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构的施工方法，其过程如下：
步骤一：预制墩柱制造，在预制墩柱顶部预埋预应力筋和连接钢筋，并将预应力筋和连接钢筋沿预制墩柱纵向伸出墩顶一定长度；抗剪榫与预制墩柱一起预制。
步骤二：预制顶帽制造，在预制顶帽内部预埋波纹管，预埋波纹管与预应力筋、连接钢筋一一对应；预制顶帽底部设置抗剪槽；预制顶帽设有横向预应力束孔道，张拉第一批横向预应力束，并进行孔道压浆。
步骤三：凿毛预制墩柱顶部，铺设拼接缝超高性能混凝土或环氧砂浆。
步骤四：吊装预制顶帽，通过抗剪榫和抗剪槽进行定位和对接，将预应力筋和连接钢筋一一穿入预埋波纹管中。
步骤五：预应力筋初张拉，用以临时锁定预制墩柱和预制顶帽，保证在拼接缝达到强度前结构的稳定和安全；待拼接缝达到强度后，预应力筋终张拉。
步骤六：向预制顶帽中连接钢筋的预埋波纹管中压注压浆料，形成对连接钢筋的锚固；当预应力筋采用有粘结时，向预应力筋的预埋波纹管中压浆，当采用无粘结时，无需灌浆。
步骤七：通过压浆管向抗剪键和抗剪槽之间的间隙内压注超高性能混凝土，当超高性能混凝土从预制顶帽的出浆管出浆时停止压注，抗剪键、抗剪槽及超高性能混凝土形成抗剪构造。
步骤八：切除压浆管和出浆管，后浇顶帽槽口补偿收缩混凝土，一方面保护预应力筋张拉端锚具，避免锈蚀；另一方面当顶帽顶部设置垫石时，可调节垫石标高，保证拼装后结构高程。
步骤九：架设上部梁部，张拉预制顶帽第二批横向预应力束，并进行孔道压浆。
步骤十：待所有浆料养护到位后，施工完成。
相对于现有技术，本发明所述的预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构及施工方法具有以下优势：
(1)预制顶帽采用拼装式施工，无需搭设支架，无需对下方既有道路或铁路进行封闭或改移；顶帽拼装施工速度快，整个过程施工干扰较小。
(2)预制顶帽和预制墩柱间通过预应力筋、连接钢筋、预埋波纹管组合连接形式，通过张拉预应力筋对拼接缝产生一定的压应力，可保证在正常运营状态下拼接缝不出现拉应力或者减小拉应力水平，提高拼接缝抗裂能力并保证耐久性；预应力筋可提高顶帽震后自复位能力，连接钢筋和预埋波纹管连接提供了耗能作用，两者形成组合连接形式既满足受力和抗震需要，又减少震后残余变形；预应力筋的设置增加了拼接缝连接的可靠性。
(3)拼接缝采用超高性能混凝土或环氧砂浆，其与预制顶帽、预制墩柱间粘接力较强，可使拼接缝承担一定拉应力而不开裂，保证耐久性；允许拼接缝出现拉应力，从而可减少预应力筋的使用量，节省成本；超高性能混凝土或环氧砂浆具有一定厚度，方便拼接缝找平和调整高程。
(4)预制顶帽底部设置抗剪槽，预制墩柱顶部设置抗剪榫，抗剪槽和抗剪榫间形成卡榫构造，再向其间隙内压注超高性能混凝土，利用超高性能混凝土强度高、连接能力强的特点，共同形成抗剪装置，提高顶帽和墩柱间的抗剪能力。抗剪榫采用钢筋混凝土结构，其内部设置抗剪钢筋，满足抗剪需要且成本较低。同时，抗剪榫兼顾顶帽拼装时的定位功能，方便施工。
(5)本连接构造可保证拼接缝在正常运营状态下的可靠，特别适用于大悬臂顶帽t型桥墩或跨线框架式桥墩，满足类似结构预制墩柱与预制顶帽间的连接和拼装。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3中3-a是本发明中预制墩柱主视图；3-b是本发明中预制墩柱俯视图；
图4中4-a是本发明中预制顶帽主视图；4-b是本发明中预制顶帽俯视图；
图5中5-a是本发明中抗剪槽及抗剪键主视图；5-b是本发明中抗剪槽及抗剪键俯视图；
图6是本发明另一种实施例的主视图；
图7是图6拼装前的主视图。
其中：
1、预制墩柱2、预制顶帽3、拼接缝
4、预应力筋5、连接钢筋6、预埋波纹管
7、压浆料8、顶帽槽口9、抗剪榫
91、抗剪榫抗剪钢筋92、抗剪榫箍筋
10、抗剪槽11、压浆管12、出浆管
13、超高性能混凝土14、垫石
15、横向预应力束孔道16、横向预应力束
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一：如图1-4所示，一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，包括预制墩柱1和预制顶帽2，所述预制墩柱1截面为矩形或圆形，在所述预制墩柱1截面上交错布置有若干条预应力筋4和连接钢筋5，在所述预制顶帽2内设有若干个预埋波纹管6，在所述预埋波纹管6内预留有孔道，所述孔道与预应力筋4和连接钢筋5一一对应，所述孔道直径较预应力筋4、连接钢筋5一侧大2-5cm，方便后者穿入。预制时所述预应力筋4和连接钢筋5一部分预埋在预制墩柱1内，一部分伸出预制墩柱1，预制墩柱1和预制顶帽2拼装时所述预应力筋4和连接钢筋5一一穿入到预制顶帽2的预埋波纹管6中，使得预制顶帽拼接在所述预制墩柱上部。在所述预制顶帽2顶端浇筑预制顶帽槽口，且施工垫石，所述预制顶帽槽口大于预埋波纹管包围的面积。
所述预应力筋4锚固端位于所述预制墩柱1内，张拉端位于所述预制顶帽2顶部。预应力筋4可采用精轧螺纹钢筋或高强钢棒，高强钢棒具有强度高、预应力损失小等特点，特别适用于短束，可直接预埋在所述预制墩柱中。所述预应力筋4与所述预制顶帽2内的预埋波纹管6间可采用有粘结或无粘结形式。无粘结形式无需后灌浆，预制顶帽发生变形后自复位能力强。
预制时在预制顶帽2内预制有横向预应力束孔道15，在横向预应力束孔道15内设有横向预应力束16，用于抵抗上部荷载。横向预应力束16分批张拉，第一批在预制顶帽2制造时张拉，第二批在上部梁体架设完成后张拉。
拼接缝3作为预制墩柱1和预制顶帽2的连接材料，将所述预制墩柱1顶面凿毛，再铺设2-4cm厚拼接缝材料，然后吊装预制顶帽2进行拼装，拼接缝材料采用超高性能混凝土或环氧砂浆，其与预制顶帽和预制墩柱粘接力强，可抵抗一定的拉应力而不开裂，满足拼接缝受力需要。
如图5所示，在所述预制墩柱2顶部设有抗剪榫9，在所述抗剪榫9内部布设有抗剪榫抗剪钢筋91和抗剪榫箍筋92。所述抗剪榫9为圆形或矩形，位于截面中心，凸出墩顶一定高度，抗剪榫9为钢筋混凝土结构。在所述预制顶帽2底部设置有抗剪槽10，所述抗剪槽10与所述抗剪榫9位置对应，其平面尺寸和高度较所述抗剪榫9一侧大2-5cm，方便两者对位和拼装。预制墩柱1和预制顶帽2拼装完成后，再向其内部间隙内灌注超高性能混凝土13，利用超高性能混凝土强度高、连接能力强等特点，形成抗剪构造，提高预制墩柱与预制顶帽的抗剪能力。
一种采用上述预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构的施工方法，其过程如下：
步骤一：预制墩柱1制造，在预制墩柱1顶部预埋预应力筋4和连接钢筋5，并将预应力筋4和连接钢筋5沿预制墩柱1纵向伸出墩顶一定长度；抗剪榫9与预制墩柱1一起预制。
步骤二：预制顶帽2制造，在预制顶帽2内部预埋波纹管6，预埋波纹管6与预应力筋4、连接钢筋5一一对应；预制顶帽2底部设置抗剪槽10；预制顶帽2设横向预应力束孔道15，张拉第一批横向预应力束16，并进行孔道压浆。
步骤三：凿毛预制墩柱1顶部，铺设拼接缝3超高性能混凝土或环氧砂浆。
步骤四：吊装预制顶帽2，通过抗剪榫9和抗剪槽10进行定位和对接，将预应力筋4和连接钢筋5一一穿入预埋波纹管6中。
步骤五：预应力筋4初张拉，用以临时锁定预制墩柱1和预制顶帽2，保证在拼接缝3达到强度前结构的稳定和安全；待拼接缝3达到强度后，预应力筋4终张拉，通过二次张拉减小预应力的损失。
步骤六：向预制顶帽2中连接钢筋5的预埋波纹管6中压注压浆料7，形成对连接钢筋5的锚固；当预应力筋4采用有粘结时，向预应力筋4的预埋波纹管6中压浆，当采用无粘结时，无需灌浆。
步骤七：通过压浆管11向抗剪键9和抗剪槽10之间的间隙内压注超高性能混凝土13，当超高性能混凝土13从预制顶帽2的出浆管12出浆时停止压注，抗剪键9、抗剪槽10及超高性能混凝土13形成抗剪构造。
步骤八：切除压浆管11和出浆管12，后浇顶帽槽口8补偿收缩混凝土，一方面保护预应力筋4张拉端锚具，避免锈蚀；另一方面当顶帽顶部设置垫石14时，可调节垫石14标高，保证拼装后结构高程。
步骤九：架设上部梁部，张拉预制顶帽2第二批横向预应力束16，并进行孔道压浆。
步骤十：待所有浆料养护到位后，施工完成。
实施例二：如图6-7所示，适用于跨线框架式桥墩，由两个预制墩柱和一个预制顶帽组成，预制墩柱和预制顶帽间存在两处相同的本连接构造，具体实施过程同实施例一。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：包括预制墩柱和预制顶帽，在所述预制墩柱内沿其纵向布设有若干条预应力筋和连接钢筋，在所述预制顶帽内设有若干个预埋波纹管，在所述预埋波纹管内预留有孔道，所述孔道与预应力筋和连接钢筋一一对应，预制时所述预应力筋和连接钢筋一部分预埋在预制墩柱内，一部分伸出预制墩柱，拼装时所述预应力筋和连接钢筋一一穿入到预制顶帽的预埋波纹管中。
2.根据权利要求1所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：在所述预制顶帽顶端浇筑预制顶帽槽口，且施工垫石，所述预制顶帽槽口大于预埋波纹管包围的面积。
3.根据权利要求1或2所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：在所述预制墩柱顶部设有抗剪榫，在所述抗剪榫内部设有抗剪榫抗剪钢筋和抗剪榫箍筋，在所述预制顶帽底部设置有抗剪槽，所述抗剪槽与所述抗剪榫对应设置，预制墩柱和预制顶帽拼装完成后，向抗剪槽内部间隙压注超高性能混凝土。
4.根据权利要求3所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：所述抗剪榫为圆形或矩形，位于截面中心且凸出墩顶。
5.根据权利要求1或2所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：预制时在所述预制顶帽内预制有横向预应力束孔道，在所述横向预应力束孔道内设有横向预应力束，所述横向预应力束分批张拉，第一批在预制顶帽制造时张拉，第二批在上部梁体架设完成后张拉。
6.根据权利要求1所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：所述预制墩柱与预制顶帽通过拼接缝材料进行拼装，将所述预制墩柱顶面凿毛，再铺设2-4cm厚拼接缝材料，然后吊装所述预制顶帽进行拼装。
7.根据权利要求1所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：所述预应力筋锚固端位于所述预制墩柱内，张拉端位于所述预制顶帽顶部，所述预应力筋采用精轧螺纹钢筋或高强钢棒。
8.根据权利要求1或2所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：所述预应力筋与所述预制顶帽内的预埋波纹管间采用有粘结或无粘结形式装配；吊装预制顶帽后，向预制顶帽中连接钢筋的预埋波纹管中压注压浆料，对连接钢筋锚固；当预应力筋采用有粘结时，向预应力筋的预埋波纹管中压注压浆料，当预应力筋采用无粘结时，无需灌浆。
9.根据权利要求1所述的一种预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构，其特征在于：一个预制顶帽通过本连接结构分别与两个预制墩柱进行拼装后，构成跨线框架式桥墩的墩柱与顶帽连接结构。
10.一种采用上述权利要求1-9任意一顶所述预制拼装式墩柱与顶帽间连接结构的施工方法，其特征在于，其过程如下：
步骤一：预制墩柱制造，在预制墩柱顶部预埋预应力筋和连接钢筋，并将预应力筋和连接钢筋沿预制墩柱纵向伸出墩顶；抗剪榫与预制墩柱一起预制；
步骤二：预制顶帽制造，在预制顶帽内部预埋波纹管，预埋波纹管与预应力筋、连接钢筋一一对应；预制顶帽底部设置抗剪槽；预制顶帽设有横向预应力束孔道，张拉第一批横向预应力束，并进行孔道压浆；
步骤三：凿毛预制墩柱顶部，铺设拼接缝超高性能混凝土或环氧砂浆；
步骤四：吊装预制顶帽，通过抗剪榫和抗剪槽进行定位和对接，将预应力筋和连接钢筋一一穿入预埋波纹管中；
步骤五：预应力筋初张拉，用以临时锁定预制墩柱和预制顶帽，保证在拼接缝达到强度前结构的稳定和安全；待拼接缝达到强度后，预应力筋终张拉；
步骤六：向预制顶帽中连接钢筋的预埋波纹管中压注压浆料，形成对连接钢筋的锚固；当预应力筋采用有粘结时，向预应力筋的预埋波纹管中压注压浆料，当预应力筋采用无粘结时，无需灌浆；
步骤七：通过压浆管向抗剪键和抗剪槽之间的间隙内压注超高性能混凝土，当超高性能混凝土从预制顶帽的出浆管出浆时停止压注，抗剪键、抗剪槽及超高性能混凝土形成抗剪构造；
步骤八：切除压浆管和出浆管，后浇顶帽槽口补偿收缩混凝土；
步骤九：架设上部梁部，张拉预制顶帽第二批横向预应力束，并进行孔道压浆；
步骤十：待所有浆料养护到位后，施工完成。
技术总结