CN103556591B - 一种桥墩防撞结构体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥墩防撞结构体及其设计方法。针对现有桥墩防撞装置存在易于脱落损毁、加工成本不经济、安装维护不方便等缺陷，本发明首先提供了一种桥墩防撞结构体。本方法桥墩防撞结构体是一种偏心结构设计，包括内外套接的内层管件与外层管件，内层管件与外层管件偏心套接，内、外层管件轴向平行；内、外层管件之间填充减震材料层，减震材料层的厚度在车辆多发性撞击方向上有最大值δ。内层管件与桥墩间采用细石混凝土层浇筑联接。优化条件下，内、外层管件采用筒瓦合并结构。外层管件为圆形或椭圆形两种。本发明还提供偏心圆形与偏心椭圆结构体的设计方法。本发明产品结构简单、安全、防护效果好、节省用材成本，设计方法原理可靠，科学简便。

Description

一种桥墩防撞结构体及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种安全防护结构体，特别是涉及一种桥墩防撞结构体及其设计方法，属于用于行驶的车辆减速、反向或停止行驶的安全装置领域。

背景技术

立交桥作为一种具有高效通行效率的道桥方式，被越来越多地用来减少交通拥堵问题，特别是城市交通拥堵问题。随着立交桥的大量建设使用，桥梁的安全问题也日渐突出。在事故多发地区，事故车辆对桥墩的冲击，直接影响了桥梁的运行安全及使用寿命。目前，道桥系统中针对桥墩的防护主要包括加固桥墩以及增加额外防护结构两种技术方案，前者包括扩大基础加固法、增加基桩加固法、钢筋混凝土箍套加固法等，后者则是指在桥墩外增加专门性的防撞击保护结构件。

授权公告号为CN202152450U，名称为“桥墩防撞装置”的中国实用新型专利公开了一种桥墩防撞装置，在桥墩的柱体侧面设置有内保护圈，内保护圈的柱体侧面设置有外防护圈，外防护圈与内保护圈之间纵向设置有纵向加劲肋、横向设置有横向加劲肋，外防护圈与内保护圈之间的空间填充有缓冲层。这种结构的桥墩防撞装置，存在三点技术缺陷：一是内外保护圈中心相重合，对一些不会发生车辆撞击的部位也装置防撞结构，造成材料浪费，不经济；二是内保护圈与桥墩通过联接件直接联接，使得内保护圈与桥墩外表面不可能全面贴合，造成车辆撞击力不能有效均匀传递，最终导致防撞装置易于脱落且桥墩连接件部分易于损毁；三是防幢装置安装后如需更换需要整体进行，维护成本高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、安全、防护效果好、节省用材成本的桥墩防撞结构及其设计方法。

为实现上述目的，本发明首先提供一种桥墩防撞结构体，其技术方案如下：

一种桥墩防撞结构体，是包裹在桥墩外的筒状结构，其特征在于：包括内外套接的内层管件与外层管件，所述内层管件与外层管件是偏心套接，内层管件轴向与外层管件轴向平行；内层管件与外层管件之间填充减震材料层，减震材料层的厚度在车辆多发性撞击方向上有最大值δ。

上述桥墩防撞结构体是包裹在桥墩外的筒状结构，由内层管件与外层管件套接构成，内外层管件间填充减震材料层。当失控车辆冲击桥墩时，利用减震材料层的塑性变形，强烈耗散冲击能量，削弱作用在桥墩上的集中力，保证主体结构安全性。内层管件与外层管件采用偏心设计，内外层管件中心轴不重合，但保持相互平行。因此减震材料层的外形是一侧厚而对侧薄的偏心环。减震材料层的最大厚度值δ布置在桥墩所在处的车辆多发性撞击方向上。本发明偏心设计能够保证在耗费相同的材料成本下，防撞结构体可以在车辆多发性撞击方向上布置更厚的减震材料层，更为经济高效。

具体的偏心结构可以选择偏心圆，即内层管件与外层管件均为圆管件；也可以选择偏心椭圆，即内层管件是圆管件，外层管件是椭圆管件。根据桥墩形状同样可以设计成其他外形的偏心结构，但异形结构必然导致加工建造难度增大，同时也不利于防治结构的整体稳定性和耐久性。

通常，本发明桥墩防撞结构体可以根据桥墩规格设计加工成标准件，在安装现场，根据需要可以在桥墩外围加装一个或多个防撞结构体。多个防撞结构体是沿桥墩纵向上下排列并相互联接。

为便于施工现场快速安装，上述防撞结构体的内和/或外层管件可以设计成由筒瓦合围而成的组合结构，其具体技术方案是：内层管件和/或外层管件分别由二筒瓦合并组合构成，二筒瓦间是静联接。进一步地，为实现筒瓦间连接稳固与安装方便，筒瓦的弧形边沿有周向连接板与筒瓦轴向垂直，筒瓦的直边沿有轴向连接板与筒瓦轴向平行。周向连接板与轴向连接板上可以开联接件孔，以配合联接件安装。联接件可以选用适当型号的螺栓、螺母。周向连接板与轴向连接板也可直接采用焊接固定。

本发明桥墩防撞结构体减震材料层采用泡沫金属铝层和/或可发性聚苯乙烯层。两者均为耗能减震材料。优选为泡沫金属铝，因为其不具有方向性，不具有反弹性，并具有强度高-能实现高能量的吸收、熔点高-具有高温稳定性、耐候性好、不易老化的特点。

内层管件与外层管件采用材料是钢和/或铝合金和/或聚氨酯。优选钢板，其具有强度高，弹性好，抗拉压等能力均衡、成本低廉的优点。可以选用的型号例如Q345钢、Q235钢、Q370钢、Q420钢等。具体例如，内层管件选用Q345钢，加工厚度6mm～10mm，优选8mm；外层管件选用Q235钢，加工厚度4mm～6mm，优选5mm。

本发明桥墩防撞结构体在安装时，内层管件与桥墩间采用细石混凝土层浇筑联接。混凝土层可以实现防撞结构体与桥墩间的无缝连接，对汽车冲击反馈的力学反应效果好，且价格经济、浇筑方便。细石混凝土层厚度6mm～10mm，优选8mm。经前期试验显示，细石混凝土层厚度小于6mm不能有效联接防撞体与桥墩，大于10mm则既浪费材料，又不必要地增加了桥墩直径，缩小了桥下空间。

本发明还提供上述桥墩防撞结构体的设计方法，分别是偏心圆形与偏心椭圆结构体的设计方法，解决结构体偏心设计的关键设计参数的确定问题。

一种偏心圆形的桥墩防撞结构体（即内层管件与外层管件均为圆管件）的设计方法，其减震材料层最大厚度δ的最小设计值及外层管件半径值R设计方法联立下式1、式2计算确定：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{{2\mathrm{\σ}}_y}=2{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\sqrt{2\mathrm{Rx}-x^2}\mathrm{dx}$ 式1

$R=\frac{2(r+0.012)+\mathrm{\δ}}{2}$ 式2

式中，x——减震材料层沿最大厚度方向的冲击压缩自变量，m，

m——失控冲击车辆的质量，kg，根据调查数据统计确定，

v——车辆冲击速度，m/s，根据调查数据统计确定，

σ_y——金属泡沫铝塑性强度，Pa，室内试验获取，

R——外层管件半径值，m，

r——桥墩半径，m，根据现场测量数据或设计数据确定。

外层管件相对于桥墩的偏心距e依式3计算确定：

e＝R-r-0.006式3

式中，e——外层管件相对于桥墩的偏心距，m。

上述设计方法的技术原理是在偏心优化桥墩防撞结构的基础上，利用减震材料层在冲击力下的形变特征（图7）最大限度耗散掉失控车辆的动能,从而确定减震材料层需承担的冲击能量及其最大厚度δ的最小设计值。

一种偏心椭圆形的桥墩防撞结构体（即内层管件是圆形管件，外层管件是椭圆管件）设计方法，其减震材料层最大厚度δ的最小设计值、沿冲击方向上椭圆形防治结构的长轴a及垂直冲击方向上椭圆形防治结构的短轴b依如下步骤计算确定：

步骤S1、依据式4与工程实际确定a、b关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{b^2}{a}\≥r\\ a>r\\ a\≥b\\ \end{array}\right.$ 式4

步骤S2、联立式5、式6计算确定δ、a、b值：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{2{\mathrm{\σ}}_y}=2{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\frac{b\sqrt{2\mathrm{ax}-x^2}}{a}\mathrm{dx}$ 式5

$a=\frac{2(r+0.012)+\mathrm{\δ}}{2}$ 式6

式中，a——沿冲击方向上椭圆形防治结构的长轴，m，

b——垂直冲击方向上椭圆形防治结构的短轴，m，

r——桥墩半径，m，根据现场测量数据或设计数据确定，

x——减震材料层沿最大厚度方向的冲击压缩自变量，m，

m——失控冲击车辆的质量，kg，根据调查数据统计确定，

v——车辆冲击速度，m/s，根据调查数据统计确定，

σ_y——金属泡沫铝塑性强度，Pa，室内试验获取；

外层管件相对于桥墩的偏心距e’依式7计算确定：

e'＝a-r-0.006式7

式中，e’——外层管件相对于桥墩的偏心距，m。

上述设计方法中，式4中b²/a表示椭圆形桥墩防撞结构体长轴端点处的曲率半径，m，为保证结构体可偏心相切包裹在圆形桥墩外侧，其值需大于内侧圆形桥墩的曲率半径。

分析式5可知，圆形偏心防撞结构也是在长轴a确定情况下耗能效果最好的一种椭圆形偏心防撞结构。为此，本发明首先推荐的结构类型为a=b>r的圆形偏心防撞结构。但根据桥墩所处的实际环境，如果车辆多发性撞击方向较一致，则采用椭圆形的偏心防撞结构可以在确保防撞耗能的同时，降低减震材料的填充。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）偏心防撞结构可针对多发性撞击方向进行重点防护，不仅结构稳定，耗能效果好，而且能够在相同材料成本条件下最大限度满足缓冲撞击力的需要，有效保证了桥墩安全；（2）结构体防冲击效果好。以普通泡沫金属铝的塑性强度(6Mpa,0.7kg/m³)约为一般钢筋混凝土桥墩的抗冲击强度(50MPa)的1/8计算，结构体理论上可以将冲击（应）力降低近90%）；（3）结构体可有效约束桥墩侧向变形，提高桥墩竖向承载力和抗弯能力，又可保护桥墩免受风吹日晒，提高了桥墩的耐久性。因此既可直接应用于新建桥墩的防护，也可快速用于事故多发路段老旧桥墩的治理和加固；（4）结构体可以根据需要设计加工成不同规格的标准件，现场安装施工速度快，劳动强度低，且可局部更换修复，降低了运行维护成本；（5）圆形桥墩防撞结构体与椭圆形桥墩防撞结构体的设计方法原理科学，简便可靠。

附图说明

图1是桥墩防撞结构体结构示意图。

图2是圆形桥墩防撞结构体平面布置示意图。

图3是圆形桥墩防撞结构体侧面(a)与正面(b)布置示意图。

图4是圆形桥墩防撞结构体筒瓦标准段结构示意图。

图5是椭圆形桥墩防撞结构体平面布置示意图。

图6是椭圆形筒瓦标准段结构示意图。

图7是泡沫金属铝应力应变曲线图。

附图中的数字标记分别是：

1内层管件2外层管件3减震材料层4筒瓦5混凝土层

6桥墩

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图4所示，设计加工一件圆形桥墩防撞结构体。

在某城市立交桥的桥墩位于立交桥下一处弯道外侧，钢筋混凝土结构，圆柱形。因该路段交通繁忙，事故常发，严重影响到弯道外侧桥墩的安全和耐久性。依照本发明技术方案在该桥墩上设计安装一套充填泡沫金属铝的圆形桥墩防撞结构体。

1、基础参数获取：

据现场勘查，圆柱形桥墩半径r=1m。同时统计发现，失控车辆对桥墩撞击和威胁方向是确定的，且失控车辆多为重载砂石卡车。选择满载和极大速度下失控车辆作为防撞结构体设计时设定的冲击体，其中满载总质量m＝20000kg，失控时对桥墩的冲击速度v＝20m/s。

桥墩混凝土的抗压强度为30MPa，为尽可能降低冲击对桥墩的冲击破坏和损伤，选用强度仅为桥墩混凝土强度1/5的泡沫金属铝做防护垫层。泡沫金属铝ρ＝0.7kg/m³，塑性强度σ_y＝6.0×10⁶Pa。

2、冲击方向上泡沫金属铝层最大厚度δ的最小设计值计算：

将参数r=1m、m＝20000kg、v＝20m/s、σ_y＝6.0×10⁶Pa代入式1、式2，联立求解得到δ=0.4832m，外层管件半径值R＝1.2536m。

为保证安全，提高系统安全储备，取δ=0.5m，R＝1.262m。

3、外层管件相对于桥墩的偏心距e计算

将R＝1.262m、r=1m代入式3，计算确定e＝0.256m。

4、圆形桥墩防撞结构体具体结构

图1是桥墩防撞结构体结构示意图；图2是圆形桥墩防撞结构体平面布置示意图；图3是圆形桥墩防撞结构体侧面(a)与正面(b)布置示意图。桥墩防撞结构体是包裹在桥墩外的筒状结构，包括内外套接的内层管件1与外层管件2。内层管件1与外层管件2是偏心套接，内层管件1轴向与外层管件2轴向平行；内层管件1与外层管件2之间填充减震材料层3，减震材料层3的厚度在车辆多发性撞击方向上有最大值δ。内层管件1与外层管件2分别由二筒瓦4合并组合构成，内二筒瓦4间是静联接。图4是筒瓦标准段结构示意图。筒瓦4的弧形边沿有周向连接板41与筒瓦4轴向垂直，筒瓦4的直边沿有轴向连接板42与筒瓦4轴向平行；周向连接板41与轴向连接板42上有联接件孔43。周向连接板41、轴向连接板42与筒瓦4弧面连接处采用三角加筋肋44加固。本实施方式中，筒瓦4均为圆心角为180°的半圆筒瓦。

内层管件筒瓦采用8mm厚Q345型钢加工，标准段加工长度1.5m，加工半径为r＋12mm。内层管件二筒瓦合并后与桥墩之间间隙8mm。

外层管件筒瓦采用5mm厚Q235型钢加工，标准段加工长度1.5m，加工半径R＝1.262m。

圆形桥墩防撞结构体安装时，将内层管件筒瓦包裹桥墩合围并用M20螺栓经联接件孔43固定；在内层管件筒瓦与桥墩间浇筑细石混凝土，使内层管件与桥墩粘合；将外层管件筒瓦包裹内层管件合围并用M20螺栓经联接件孔43固定；将外层管件沿冲击方向偏心布置，保证偏心距e＝0.256m；在设置好的内外两层管件间充填泡沫金属铝。

本实施方式中，外层管件还可以选用Q370、Q420型钢加工，同样能够满足安全经济的需要。

实施例二

图如5～图6所示，设计加工一种椭圆形桥墩防撞结构体。

立交桥基本情况同实施例一。依照本发明技术方案在该桥墩上设计安装一套充填泡沫金属铝的圆形桥墩防撞结构体。

1、基础参数获取：

据现场勘查，圆柱形桥墩半径r=1m。同时统计发现，失控车辆对桥墩撞击和威胁方向是确定的，且失控车辆多为重载砂石卡车。选择满载和极大速度下失控车辆作为防撞结构体设计时设定的冲击体，其中满载总质量m＝20000kg，失控时对桥墩的冲击速度v＝20m/s。

桥墩混凝土的抗压强度为30MPa，为尽可能降低冲击对桥墩的冲击破坏和损伤，选用强度仅为桥墩混凝土强度1/5的泡沫金属铝做防护垫层。泡沫金属铝ρ＝0.7kg/m³，塑性强度σ_y＝6.0×10⁶Pa。

2、确定a、b关系

依据式4与工程实际确定a、b关系

在设计时，为保证椭圆形桥墩防撞结构体在长轴端点处曲率半径大于内侧圆形桥墩的曲率半径，根据式4可知椭圆长短轴需满足b≤a≤b²且a>1，同时结合式5可以看出，对短轴b确定的椭圆形防撞结构而言，其长轴a越大结构的耗能效果越好。为此，这里取a=b²>1。

3、δ最小设计值、a、b计算：

将参数r=1m、m＝20000kg、v＝20m/s、σ_y＝6.0×10⁶Pa、a=b²代入式5、式6，联立求解得到δ=0.5225m，外层椭圆形桥墩防撞结构体长轴a=1.27325m，短轴b=1.12838m。

为保证安全，提高系统安全储备，取δ=0.54m，a=1.282m，b=1.132m。

4、外层管件相对于桥墩的偏心距e计算

将a＝1.282m、r=1m代入式7，计算确定e′＝0.276。

5、椭圆形桥墩防撞结构体具体结构

图5是椭圆形桥墩防撞结构体平面布置示意图，其侧面(a)与正面(b)布置示意图如图3所示。桥墩防撞结构体是包裹在桥墩外的筒状结构，包括内外套接的内层管件1与外层管件2。内层管件1与外层管件2是偏心套接，内层管件1轴向与外层管件2轴向平行；内层管件1与外层管件2之间填充减震材料层3，减震材料层3的厚度在车辆多发性撞击方向上有最大值δ。

图6是椭圆形筒瓦标准段结构示意图。内层管件1与外层管件2分别由图4和图6所示的圆形及椭圆形二筒瓦4合并组合构成，二筒瓦4间是静联接。筒瓦4的弧形边沿有周向连接板41与筒瓦4轴向垂直，筒瓦4的直边沿有轴向连接板42与筒瓦4轴向平行；所述周向连接板41与轴向连接板42上有联接件孔43。周向连接板41、轴向连接板42与筒瓦4弧面连接处采用三角加筋肋44加固。本实施方式中，外层管件的筒瓦4为图6所示的半椭圆形筒瓦，而内层管件的筒瓦4为图4所示的半圆筒瓦。

内层管件筒瓦采用8mm厚Q345型钢加工，标准段为半圆筒形标准件，加工长度1.5m，半径r+12mm。内层管件二筒瓦合并后与桥墩之间的间隙8mm。

外层管件筒瓦采用5mm厚Q235型钢加工，标准段加工长度1.5m，加工长轴a=1.282m，短轴b=1.132m。

圆形桥墩防撞结构体安装时，将内层管件筒瓦包裹桥墩合围并用M20螺栓经联接件孔43固定；在内层管件筒瓦与桥墩间浇筑细石混凝土，使内层管件与桥墩粘合；将外层管件筒瓦包裹内层管件合围并用M20螺栓经联接件孔43固定；将外层管件沿冲击方向偏心布置，保证偏心距e′＝0.276。

本实施方式中还可以选用Q370、Q420型钢加工，同样能够满足安全经济的需要。

Claims (8)

1.一种桥墩防撞结构体的设计方法，所述桥墩防撞结构体，是包裹在桥墩外的筒状结构，包括内外套接的内层管件(1)与外层管件(2)，所述内层管件(1)与外层管件(2)是偏心套接，内层管件(1)轴向与外层管件(2)轴向平行；内层管件(1)与外层管件(2)之间填充减震材料层(3)，减震材料层(3)的厚度在车辆多发性撞击方向上有最大值δ，所述减震材料层(3)是泡沫金属铝层和/或可发性聚苯乙烯层；其特征在于：所述减震材料层(3)最大厚度δ的最小设计值及外层管件半径值R联立下式1、式2计算确定：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{2{\mathrm{\σ}}_y}=2{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\sqrt{2Rx-x^2}dx$ 式1

$R=\frac{2(r+0.012)+\mathrm{\δ}}{2}$ 式2

式中，x——减震材料层沿最大厚度方向的冲击压缩自变量，m

m——失控冲击车辆的质量，kg，根据调查数据统计确定，

v——车辆冲击速度，m/s，根据调查数据统计确定，

σ_y——金属泡沫铝塑性强度，Pa，室内试验获取，

R——外层管件半径值，m，

r——桥墩半径，m，根据现场测量数据或设计数据确定；

所述外层管件(2)相对于桥墩的偏心距e依式3计算确定：

e＝R-r-0.006式3

式中，e——外层管件(2)相对于桥墩的偏心距，m。

2.根据权利要求1所述的桥墩防撞结构体的设计方法，其特征在于：所述减震材料层(3)最大厚度δ的最小设计值、沿冲击方向上椭圆形防治结构的长轴a及垂直冲击方向上椭圆形防治结构的短轴b设计值依如下步骤计算确定：

步骤S1、依据式4与工程实际确定a、b关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{b^2}{a}\≥r\\ a>r\\ a\≥b\end{array}\right.$ 式4

式中，a——沿冲击方向上椭圆形防治结构的长轴，m，

b——垂直冲击方向上椭圆形防治结构的短轴，m，

r——桥墩半径，m，根据现场测量数据或设计数据确定，

步骤S2、联立式5、式6计算确定δ、a、b值：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{2{\mathrm{\σ}}_y}=2{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\frac{b\sqrt{2ax-x^2}}{a}dx$ 式5

$a=\frac{2(r+0.012)+\mathrm{\δ}}{2}$ 式6

式中，x——减震材料层沿最大厚度方向的冲击压缩自变量，m，

m——失控冲击车辆的质量，kg，根据调查数据统计确定，

v——车辆冲击速度，m/s，根据调查数据统计确定，

σ_y——金属泡沫铝塑性强度，Pa，室内试验获取；

所述外层管件(2)相对于桥墩的偏心距e’依式7计算确定：

e′＝a-r-0.006式7

式中，e’——外层管件(2)相对于桥墩的偏心距，m。

3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于：所述内层管件(1)和/或外层管件(2)分别由二筒瓦(4)合并组合构成，二筒瓦(4)间是静联接。

4.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于：所述内层管件(1)与外层管件(2)采用材料是钢和/或铝合金和/或聚氨酯。

5.根据权利要求1或2所述的结构体，其特征在于：所述内层管件(1)与外层管件(2)均为圆管件。

6.根据权利要求1或2所述的结构体，其特征在于：所述内层管件(1)是圆管件，所述外层管件(2)是椭圆管件。

7.根据权利要求1或2所述的结构体，其特征在于：所述内层管件(1)与所述桥墩间利用混凝土层(5)联接。

8.根据权利要求7所述的结构体，其特征在于：所述混凝土层(5)厚度6mm～10mm。