一种分片组合式桥墩防护装置及其设计方法

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一种分片组合式桥墩防护装置及其设计方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种桥墩防护装置及其设计方法，特别涉及一种分片组合式桥墩防护装置及其设计方法。\n背景技术\n[0002] 桥梁是交通工程的重要组成部分和薄弱环节，是工程建设的关键节点，也是交通工程运营期间需要重点保护的对象。位于高山峡谷地区和高烈度山区的桥梁经常遭受各种地质灾害的威胁，包括崩塌滚石、碎屑流、泥石流、雪崩、冰湖堰塞湖溃决等灾害。这些地质灾害裹挟的大块石以极高的速度和能量直接冲击桥墩，导致桥墩产生毁灭性破坏和损伤，继而中断交通，危及行车安全，造成重大人员伤亡和财产损失。这样的案例在我国西部山区经常发生，例如，于1981年7月9日凌晨1时30分许发生在大渡河支流利子依达沟爆发的泥石流，泥石流携带的巨石将沟口的17米高、百多米长的利子依达大桥桥墩冲毁；5.12汶川强烈地震引发大规模的崩塌滚石灾害导致极重灾区交通干线众多桥梁冲击破坏；于2009年7月\n25日5时左右发生在国道213线汶川段侧底关大桥附近的山体滚石灾害，高能量巨石直接冲击侧底关大桥桥墩，致使近百米桥面垮塌等事故。\n[0003] 处于高寒山区的公路、铁路等交通桥梁还可能遭受雪崩、冰湖溃决洪水以及碎屑流等携带的大块石的冲击，也需要进行重点防护。\n[0004] 因此，针对我国高山峡谷地区、高烈度区重大交通工程桥梁结构可能遭受崩塌滚石、泥石流、碎屑流、雪崩、冰湖溃决洪水以及季节性山区河流中携带的大块石冲击破坏威胁的严峻形势，开发能有效减轻高能量大块石冲击作用的桥墩防护装置，确保桥梁的安全性，减少人员和财产损失，提升山区交通设施减灾防灾能力具有重大的社会经济意义。\n[0005] 目前，国内外有关桥墩抗冲击防护技术大致有以下两类。一类是用于船撞桥墩防护技术。其中，现有技术公开了一种桥墩防船撞装置，其包括围绕在桥墩外的内钢圈和外钢圈，内钢圈和外钢圈之间固定设置多个等间隔分布的圆柱形的密封气垫。现有技术还公开了一种桥墩防撞保护装置，其由弹簧金属件和橡胶囊体组成，弹簧金属件由两块金属板、弹簧构成，弹簧的两端分别固定在两块金属板上，弹簧金属件放置在密封、充满液体的橡胶囊体中。上述用于船撞桥墩防护技术普遍存在结构复杂、几何尺寸大、投资高和施工周期长的缺点。主要用于船舶高能量(大于10000KJ)桥墩冲击防护。它主要通过桥墩防护结构和填充材料塑性变形来耗散冲击能量从而达到保护桥墩的目的。它不适用于山区遭受地质灾害(崩塌滚石、泥石流、雪崩、冰湖溃决以及山区洪水)冲击的桥墩防护。\n[0006] 另一类是抗滚石冲击桥墩防护技术，现有技术公开了一种桥墩滚石撞击防护构造，其包括固定设置在墩柱外的防护钢板构件，该防护钢板构件与墩柱表面之间形成缓冲空间，该缓冲空间内固定设置有三维钢筋格珊和发泡缓冲层。上述抗滚石冲击桥墩防护技术存在结构耗能效果有限、耐久性差、发泡材料(聚氨酯、EPS)容易老化、安装困难、适用范围窄和结构不易修复与更换等缺点。\n[0007] 综上所述，现有的有关桥墩抗冲击防护技术主要用于防护船撞、车撞，不能直接用于西部高山峡谷区、高烈度区地质灾害对桥墩的冲击防护。因此，亟待开发一种新型桥墩防护技术，用于地质灾害冲击时对桥墩的防护。\n发明内容\n[0008] 针对上述技术问题，本发明提供一种分片组合式桥墩防护装置及其设计方法，以解决高山峡谷区、高烈度区桥墩受地质灾害冲击破坏的问题。\n[0009] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种分片组合式桥墩防护装置，其包括紧固围设在桥墩外壁上的防护单元，所述防护单元包括若干结构相同的防护构件，其特征在于：每一所述防护构件均包括内层结构和外层结构，所述外层结构由若干加强筋分隔成密闭空腔，所述内层结构和所述空腔内均充填有填充物。\n[0010] 所述防护构件的两端且与所述外层结构、内层结构的两端壁一体设置有卡槽；所述防护单元通过卡箍在每一所述防护构件卡槽内的紧固件与所述桥墩紧固连接；所述紧固件包括卡箍在所述卡槽内的卡条以及用于紧固所述卡条接头的螺栓。\n[0011] 所述防护构件由所述内层结构、所述外层结构和所述加强筋组焊而成；所述内层结构中的所述填充物为低密度泡沫铝，所述空腔内的所述填充物为高密度泡沫铝。\n[0012] 所述防护构件的整体高度为1000mm～2000mm；整体宽度为100mm～500mm；所述防护构件之间的竖向、横向间隔取50mm～100mm；整体厚度取100mm～300mm；其中，所述外层结构厚度为50mm～200mm，所述内层结构厚度为50mm～100mm。\n[0013] 所述内层结构采用Q235钢板或Q345钢板，其厚度为2mm～5mm；所述外层结构采用Q235钢板、Q345钢板或铝板，其厚度为2mm～8mm；所述加强筋采用Q235钢板或铝板，其厚度为0.5mm～2mm，所述加强筋的间距为100mm～300mm；所述卡条采用45号扁钢制作而成，其厚度为3mm～5mm；宽度为1mm；所述卡条之间预留间歇宽度100mm～200mm；所述螺栓采用10.9级螺栓。\n[0014] 一种分片组合式桥墩防护装置的设计方法，其包括以下步骤：1)调查分析桥墩所处的地质环境、桥墩的结构型式、桥墩的布置形式和设计资料，确定冲击物的最大粒径D、对桥墩的最大冲击速度V和最大冲击能量W；2)根据冲击物的最大粒径、对桥墩的最大冲击速度和最大冲击能量初步拟定单片防护构件的材料和几何尺寸；3)计算冲击物对桥墩的冲击力F；4)计算冲击物对桥墩的最大冲击载荷PMax；5)计算桥墩抗冲切强度Fpun；6)计算桥墩抗冲切安全系数K；7)判断桥墩抗冲切安全系数是否不小于桥墩安全系数阈值，如果是，则单片防护构件的材料和几何尺寸满足设计要求，否则返回步骤2)，重新修订单片防护构件的材料和几何尺寸，并重复步骤3)到步骤7)，直到单片防护构件的材料和几何尺寸能够满足设计要求。\n[0015] 所述步骤1)的冲击物的最大粒径D首先通过现场取样获取最大冲击物，然后用皮尺直接测量确定；冲击物对桥墩的最大冲击速度V包括坡面滚石对桥墩的最大冲击速度V和泥石流中大块石对桥墩的最大冲击速度V，其中，坡面滚石对桥墩的最大冲击速度V根据下式计算得到：\n[0016]\n[0017] 式中，g为重力加速度；H为坡面滚石下落高度，采用激光测距仪量测量得到；\n[0018] 对于泥石流中大块石对桥墩的最大冲击速度V采用多普勒流速仪直接测量得到；\n[0019] 冲击物对桥墩的最大冲击能量W通过下式计算得到：\n[0020]\n[0021] 式中，ρ为冲击物的密度。\n[0022] 所述步骤3)中的冲击物对桥墩的冲击力F，通过下式计算得到：\n[0023] F＝kδn\n[0024] 式中，δ为冲击物与桥墩之间的接触压缩量；k，n为单片防护构件的材料参数，通过静力有限元试验或室内静力压痕试验获取。\n[0025] 所述步骤4)中的冲击物对桥墩的最大冲击载荷PMax通过下式计算得到：\n[0026]\n[0027] 式中，M为冲击物的质量；θ为冲击物的速度与桥墩径向之间的夹角。\n[0028] 所述步骤5)的桥墩抗冲切强度Fpun通过下式计算得到：\n[0029] Fpun＝Fct+Fdow+Fsw\n[0030] 式中，Fct为混凝土抗拉力的垂直分量；Fdow为箍筋剪力；Fsw为桥墩主筋剪力；Fct、Fdow、Fsw根据桥墩几何尺寸、混凝土强度等级、配筋情况按照《混凝土结构设计规范》计算确定；所述步骤6)中的桥墩抗冲切安全系数K，通过下式计算得到：\n[0031]\n[0032] 本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：1、由于本发明采用双层防护结构，且内外两层内均填充有高密度泡沫铝，因此能够通过双层结构以及填充料共同耗散冲积物对桥墩的冲击能量，从而大幅度提升桥墩的防护效果，除此之外，泡沫铝填充材料不存在老化与锈蚀问题，可以大幅提升本发明的耐久性。2、由于本发明涉及的单片防护构件重量控制在200kg以内且形状规则，因此，方便运输与现场安装。3、由于本发明的单片防护构件结构简单，容易实现工业化、标准化生产和标准化安装，因此，本发明的产品质量和施工质量均易得到保障。4、由于本发明采用离散、组合安装方式安装分片式防护构件，可以根据实际情况，对常规的圆形或者非常规的异形桥墩的局部或者全部进行防护，因此，不仅能够降低工程造价，而且具有广泛的适用性。5、由于本发明通过紧固件将若干单片防护构件紧固在需要防护的桥墩上，因此，便于后期维护、修复或更换。6、由于本发明的外层结构和内层结构内均填充有泡沫铝，由室内压痕试验对比分析可知，填充有泡沫铝的桥墩防护装置的初始屈服强度、延伸率以及耗能效果均远远优于传统的聚氨酯基桥墩防护装置。\n附图说明\n[0033] 下面结合附图对本发明作进一步说明：\n[0034] 图1是本发明的整体结构示意图；\n[0035] 图2是本发明的单片防护构件的结构示意图；\n[0036] 图3是图2的A-A剖视示意图；\n[0037] 图4是图2的B-B剖视示意图；\n[0038] 图5是本发明的设计方法的流程示意图。\n具体实施方式\n[0039] 如图1所示，本发明涉及的分片组合式桥墩防护装置包括若干组自上而下围设在桥墩1外壁上的防护单元2，每一防护单元2均通过卡箍在其两端的紧固件30与桥墩紧固连接，每一防护单元2均由若干防护构件20构成。\n[0040] 由于每一防护构件20的结构均相同，因此，仅以其中一防护构件20为例进行详细说明：\n[0041] 如图2～图4所示，防护构件20包括与桥墩1外壁贴合且密闭的内层结构21，与内层结构21等高的外层结构22，外层结构22内由若干加强筋23分隔成多个封闭的空腔24，防护构件20的两端且与内层结构21、外层结构22的两端壁一体设置有卡槽25。内层结构21和空腔24内均充填有填充物26。\n[0042] 如图1所示，紧固件包括卡箍在卡槽25内的卡条30，用于紧固卡条30接头的螺栓(图中未示出)。\n[0043] 在一个优选的实施例中，防护构件20由内层结构21、外层结构22和加强筋23组焊而成。\n[0044] 在一个优选的实施例中，防护构件20的整体高度为1000mm～2000mm，整体宽度为\n100mm～500mm，单片防护构件20之间的竖向、横向间隔取50mm～100mm，整体厚度取100mm～\n300mm，其中，外层结构22厚度为50mm～200mm，内层结构21厚度为50mm～100mm。\n[0045] 在一个优选的实施例中，内层结构21中的填充物26为低密度泡沫铝，空腔24内的填充物26为高密度泡沫铝。\n[0046] 在一个优选的实施例中，内层结构21采用Q235钢板或Q345钢板，其厚度为2mm～\n5mm。\n[0047] 在一个优选的实施例中，外层结构22采用Q235钢板、Q345钢板或铝板，其厚度为\n2mm～8mm。如果用于泥石流对桥墩1的冲击磨蚀防护，建议采用厚度4mm～8mm的Q345钢板；\n仅用于滚石、雪崩冲击防护时，建议采用厚度在2mm～5mm之间的Q235钢板或铝板。\n[0048] 在一个优选的实施例中，加强筋23采用Q235钢板或铝板，其厚度为0.5mm～2mm，加强筋23的间距为100mm～300mm。\n[0049] 在一个优选的实施例中，卡条30采用45号高强度扁钢制作而成，其厚度为3mm～\n5mm，宽度为1mm。卡条30之间预留间歇宽度100mm～200mm，为施加预应力提供空间。螺栓采用10.9级高强度螺栓。\n[0050] 本发明涉及的分片组合式桥墩防护装置的设计方法包括以下步骤：\n[0051] 1)确定最大冲击能量，调查分析桥墩所处地质环境，调查分析的内容包括地形地貌条件、地质构造、岩性、气象水文；桥梁的结构型式、桥墩的布置形式与设计资料，具体包括桥墩几何尺寸、桥墩混凝土强度等级、桥墩配筋；河流水文特性、洪水期间最大流速、流量。并通过现场采样、室内试验和计算模拟确定滚石、泥石流大块石或雪崩灾害中大颗粒对桥墩可能形成的最大颗粒的粒径(D)、最大冲击速度(V)和最大冲击能量(W)。\n[0052] ①最大颗粒的粒径(D)，通过现场取样最大块石，用皮尺直接测量确定。\n[0053] ②最大冲击速度(V)包括坡面滚石的最大冲击速度和泥石流中大块石的最大冲击速度；其中，对于坡面滚石的最大冲击速度首先采用激光测距仪量测坡面滚石下落高度(H)，然后按照如下公式计算得到：\n[0054]\n[0055] 式中：g为重力加速度；H为坡面滚石下落高度。\n[0056] 对于泥石流中大块石对桥墩的最大冲击速度采用多普勒流速仪直接测量得到。\n[0057] ③最大冲击能量(W)，计算公式如下：\n[0058]\n[0059] 式中：ρ为块石的密度。\n[0060] 2)初步拟定单片防护构件的材料和几何尺寸，根据最大颗粒的粒径、最大冲击速度和最大冲击能量初步拟定单片防护构件的材料和几何尺寸。\n[0061] 3)计算大块石对桥墩的冲击力，崩塌滚石、泥石流、碎屑流、雪崩、冰湖溃决洪水以及季节性山区河流中携带的大块石对桥墩的冲击作用是导致桥墩失效的主要动力荷载，也是进行防护结构设计的主要荷载，因此，如何计算大块石对桥墩的冲击力是关键。\n[0062] 大块石对桥墩的冲击涉及复杂的能量转化和弹塑性大变形，由于大块石的冲击速度一般低于100m/s，属于典型的低速冲击，因此可根据大块石与桥墩之间的静力接触定理结合能量守恒定律计算冲击力。\n[0063] 大块石与桥墩之间的非线性接触定理可采用如下公式计算：\n[0064] F＝kδn  (4)\n[0065] 式中，F为大块石对桥墩之间的冲击力；δ为大块石与桥墩之间的接触压缩量；k，n为材料参数，可通过静力有限元试验或室内静力压痕试验获取。\n[0066] 4)计算大块石对桥墩的最大冲击载荷，假设质量为M的大块石以速度V与桥墩成θ角度冲击桥墩(因为大块石一般都是斜向冲击桥墩)，根据能量守恒定律：\n[0067]\n[0068] 式中，δmax为大块石冲击桥墩产生的最大压缩变形。\n[0069] 将公式(4)代入式(5)整理得：\n[0070]\n[0071] 将式(6)代入式(4)即可获得大块石对桥墩的最大冲击载荷PMax：\n[0072]\n[0073] 5)计算桥墩抗冲切强度，建立桥墩抗冲切强度的计算模型，剪切面与水平面成45°夹角。桥墩抗冲切强度的计算公式为：\n[0074] Fpun＝Fct+Fdow+Fsw  (8)\n[0075] 式中，Fpun为桥墩抗冲切强度；Fct为混凝土抗拉力的垂直分量；Fdow为箍筋剪力；Fsw为桥墩主筋剪力。\n[0076] Fct、Fdow、Fsw可根据桥墩几何尺寸、混凝土强度等级、配筋情况按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)计算确定。\n[0077] 6)计算桥墩抗冲切安全系数，为确保桥墩在冲击荷载下的安全性，要求在一定安全系数条件下冲击荷载小于桥墩的抗冲切强度：\n[0078]\n[0079] 式中，K为桥墩抗冲切安全系数；Fpun为桥墩抗冲切强度：PMax为最大冲击荷载；[K]为桥墩安全系数阈值，普通桥梁取1.2，重要桥梁取1.5。\n[0080] 7)判断桥墩抗冲切安全系数是否不小于桥墩安全系数阈值，K≥[K]，如果是，则设计满足要求，否则，返回步骤2)，重新修订单片防护构件的材料和几何尺寸后重复步骤3)到步骤7)，直到桥墩抗冲切安全系数不小于桥墩安全系数阈值。\n[0081] 实施例：以某高山峡谷、高烈度区的一桥墩为例，采用本发明方法对其进行设计，包括以下步骤：\n[0082] 1)确定最大冲击能量，调查分析桥墩所处地质环境，调查分析的内容包括地形地貌条件、地质构造、岩性、气象水文；桥梁的结构型式、桥墩的布置形式与设计资料，具体包括桥墩几何尺寸，通过测量知桥墩直径为2.0m、桥墩混凝土强度等级、桥墩配筋；河流水文特性、洪水期间最大流速、流量。并通过现场采样、定花岗岩滚石最大粒径(D)、最大冲击速度(V)和最大冲击能量(W)。\n[0083] ①最大颗粒的粒径，通过现场取样最大块石，用皮尺直接测量确定，D＝1m。\n[0084] ②最大冲击速度，包括坡面滚石的最大冲击速度和泥石流中大块石的最大冲击速度；其中，对于坡面滚石的最大冲击速度首先采用激光测距仪量测坡面滚石下落高度，H＝\n20m，然后按照如下公式计算得到：\n[0085]\n[0086] 式中：g为重力加速度；H为坡面滚石下落高度。\n[0087] ③最大冲击能量(W)，计算公式如下：\n[0088]\n[0089] 式中：ρ＝22kN/m3为块石的密度。\n[0090] 2)初步拟定单片防护构件的材料和几何尺寸，根据最大颗粒的粒径、最大冲击速度和最大冲击能量初步拟定单片防护构件的材料和几何尺寸。\n[0091] 本实施例初步拟定：内层结构采用Q345钢板，其厚度为4mm；外层结构采用Q235钢板，其厚度为3mm；加强筋采用Q235钢板，其厚度为2mm；加强筋的间距为200mm；卡条采用45号扁钢制作而成，其厚度为3mm，宽度为1mm；卡条之间预留间歇宽度200mm；螺栓采用10.9级螺栓。\n[0092] 3)计算大块石对桥墩的冲击力\n[0093] 大块石对桥墩的冲击涉及复杂的能量转化和弹塑性大变形，由于大块石的冲击速度一般低于100m/s，属于典型的低速冲击，因此可根据大块石与桥墩之间的静力接触定理结合能量守恒定律计算冲击力。\n[0094] 大块石与桥墩之间的非线性接触定理可采用如下公式计算：\n[0095] F＝kδn  (4)\n[0096] 式中，F为大块石对桥墩之间的冲击力；δ为大块石与桥墩之间的接触压缩量；k，n为材料参数，可通过静力有限元试验或室内静力压痕试验获取。\n[0097] 根据单片防护构件的材料和几何尺寸、滚石直径，通过静力压痕试验确定：\n[0098] k＝5.05×105，n＝1.05  (5)\n[0099] 4)计算大块石对桥墩的最大冲击载荷，假设质量为M的大块石以速度V与桥墩成θ＝45°角度冲击桥墩，根据能量守恒定律：\n[0100]\n[0101] 式中，δmax为大块石冲击桥墩产生的最大压缩变形。\n[0102] 将公式(4)代入式(5)整理得：\n[0103]\n[0104] 将式(6)代入式(4)即可获得大块石对桥墩的最大冲击载荷PMax：\n[0105]\n[0106] 5)计算桥墩抗冲切强度，建立桥墩抗冲切强度的计算模型，剪切面与水平面成45°夹角。桥墩抗冲切强度的计算公式为：\n[0107] Fpun＝Fct+Fdow+Fsw＝2.1×105KN  (9)\n[0108] 式中，Fpun为桥墩抗冲切强度；Fct为混凝土抗拉力的垂直分量；Fdow为箍筋剪力；Fsw为桥墩主筋剪力。\n[0109] Fct、Fdow、Fsw可根据桥墩几何尺寸、混凝土强度等级、配筋情况按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)计算确定。\n[0110] 6)计算桥墩抗冲切安全系数，为确保桥墩在冲击荷载下的安全性，要求在一定安全系数条件下冲击荷载小于桥墩的抗冲切强度：\n[0111]\n[0112] 式中，K为桥墩抗冲切安全系数；Fpun为桥墩抗冲切强度：PMax为最大冲击荷载；[K]为桥墩安全系数阈值，普通桥梁取1.2，重要桥梁取1.5。\n[0113] 7)判断：即K≥[K]，说明本实施例所设计的单片防护构件是安全的，可以满足要求。\n[0114] 上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。