CN111472265B - 一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置及安装方法，属于桥梁结构防灾领域；主要包括上下连接板、内外层钢护筒以及钢箱室；所述钢箱室由顶板、腹板、U型肋和内层钢护筒组成；所述钢箱室内部填充有蜂窝管芯材，蜂窝管中由填充砂填满，所述U型肋内部填充有泡沫金属；本发明利用上下连接板和型钢支撑实现沿桥墩环向及竖向的装配，利用内外钢护筒、型钢支撑、钢箱室、以及蜂窝管芯材构成的“层式格状结构”可有效分散爆炸冲击能量，采用砂之间的摩擦和泡沫金属的大变形能力可有效耗散能量，同时制作简单，搬运方便，组装快速，且在遭受破坏时可部分更换修复，本发明可应用于有抗爆炸冲击要求的陆上圆形桥梁墩柱。
Description
技术领域
本发明属于土木工程桥梁结构防灾领域，特别是一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置及安装方法。
背景技术
桥梁墩柱作为桥梁下部主要受力构件之一，支撑着上部结构，传递上部荷载到基础，承担着桥梁安全的重要角色，一旦失去承载力，将造成桥梁的倒塌，给社会和人民带来极大的危害。而随着我国经济的迅速发展，交通运输业也欣欣向荣，伴随而来的也有一些不安定因素，民用化工易燃易爆品运输的增多、偶然的汽车爆炸事故甚至恐怖分子的蓄意破坏都会给桥梁带来遭受爆炸冲击的安全隐患。
申请号CN 108004912A公开了一种用于圆形墩柱抗爆抗冲击的防护装置，该方案通过钢管和内部柔性填充物可以有效的抗爆炸抗冲击，且实现了环向的装配式，但现场吊装涉及的材料多且施工成本高，没有考虑既有桥墩桥下净空有限，不利于施工机械从顶部操作，且没有考虑到实际桥梁墩柱的防护根据条件的不一样，有的需要全桥墩防护，有的需要部分高度内防护，根据广大学者的研究，桥梁墩柱在类似于爆炸冲击等高应变率荷载作用下，多表现为局部损伤，此时全桥墩防护则不是一个经济的选择。因此考虑设计一种可以在工厂批量生产，现场安装不需要大型机械和繁琐的施工工序的抗爆炸冲击作用的装置，且可实现环向和竖向装配式，同时在受到损坏时可局部更换维修。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置及安装方法，可以实现多级防护，从而减少桥墩在爆炸冲击作用下的损伤；此外全部节段可在工厂预制现场安装，减少施工成本，适用多种场景下的桥墩；同时在遭受破坏时可部分更换维修。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置，包括上连接板、外层钢护筒、混凝土、纵筋、钢箱室顶板、U型肋、蜂窝管芯材、钢箱室腹板、型钢支撑、内层钢护筒、下连接板；
所述外层钢护筒与内层钢护筒的两端分别连接有钢箱室腹板；所述型钢支撑两端均对称设有尖状翼缘，用于与外层钢护筒和内层钢护筒的连接；两个型钢支撑的内侧分别设有钢箱室腹板，所述钢箱室腹板两端分别设有与外层钢护筒、内层钢护筒连接的翼缘；中间设有与型钢支撑中部翼缘相配合的凹糟；所述钢箱室顶板设置在两个钢箱室腹板之间；所述钢箱室顶板一侧均匀固定有多个U型肋，所述U型肋设置在于钢箱室顶板与内层钢护筒之间的空腔内；所述U型肋和内层钢护筒之间填充有蜂窝管芯材；所述蜂窝管芯材内填充有填充砂；所述U型肋内填充有泡沫金属；所述钢箱室内部钢箱室顶板与外层钢护筒之间设有多个纵筋；所述钢箱室顶板与外层钢护筒之间浇筑有混凝土；所述纵筋固定在上连接板和下连接板之间；所述上连接板、下连接板上均设有多个螺栓孔。
一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置安装方法，包括工厂制作过程和现场施工过程，具体为：
工厂制作过程：(1)将内层钢护筒和型钢支撑通过环氧树脂粘钢胶粘结在下连接板上相应的插槽中；
(2)把焊接好U型肋的钢箱室顶板通过粘钢胶粘接在钢箱室腹板的内侧侧壁上，随后在内层钢护筒内壁与钢箱室腹板翼缘相接的地方涂布粘钢胶，中部凹糟对准型钢支撑的中间翼缘，插入钢箱室腹板；
(3)将蜂窝管芯材填充在钢箱室内U型肋和内层钢护筒之间；在U型肋内部填充泡沫金属，并在蜂窝管芯材中填满填充砂；
(4)将纵筋插入下连接板预留的连接孔中，双面周焊接，切割裸露在下连接板下端的纵筋；
(5)将环氧树脂粘钢胶分别涂布在外层钢护筒与钢箱室腹板翼缘相接的面上，安装外层钢护筒，粘结牢固后，在外层钢护筒与钢箱室顶板之间浇筑混凝土；
(6)将上连接板的插槽内涂满环氧树脂粘钢胶，连接孔对准纵筋上端插入，采用周边焊焊接纵筋和上连接板，切除多余的纵筋部分；
现场施工过程：(1)使用锚栓将下连接板固定在承台上或承台埋置的土中；
(2)使用环氧树脂粘钢胶将周向各防护装置之间的型钢支撑和钢箱室腹板粘结在一起实现环向拼接；使用螺栓连接上下两个防护装置的上下连接板实现竖向拼接。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明自外向内由外层钢护筒、混凝土、钢箱室、内层钢护筒构成多级防护体系，在爆炸冲击作用下，外层钢护筒、纵筋和混凝土构成第一道抗爆防线，此防线为刚性防护，可以使部分爆炸冲击波改变传播方向；钢箱室顶板和U型肋构成了第二道抗爆防线，是刚性结构和柔性填充相结合的防线，在钢箱室顶板承受外力时，U型肋起到了很好的支撑作用，同时阻隔应力的传递，将破坏限制在U型肋中间；蜂窝管芯材和内层钢护筒构成了第三道抗爆防线，蜂窝状的结构将钢箱室空间分成多个封闭的小室，因此可有效阻止空气的流动，起到隔绝爆炸冲击波的作用；采用钢箱室、U型肋和蜂窝管芯材组成的大格子内嵌套小格子的结构，共同构成了“层式格状结构”，形成具有相对强弱刚度的熔断体系，可以最大限度分散爆炸冲击能量。
(2)钢箱室内部U型肋中填充有泡沫金属，在铝蜂窝管芯材中填充有中砂，可充分利用泡沫金属的大变形能力和砂粒之间的相互摩擦来进一步消耗被分散的爆炸冲击能量。
(3)防护装置可在工厂预制，质量和高度合理，便于制作和搬运；本发明现场安装方便，不需要大型机械吊装，对于既有建筑，施工场地占用面积小，不会阻隔交通，大大减少了人工、机械和工期成本；可沿桥墩环向和竖向拼接安装，适用范围较广，既可全桥墩防护，亦可部分防护，可根据实际工程需求选用。
(4)本发明在遭受爆炸冲击作用后，损坏程度可视化，更换维修方便；其轻微损伤表现为外层钢护筒变形，可更换外层钢护筒或不修；中度损伤表现为外层钢护筒破口或混凝土崩坏，钢筋裸露，此时可凿除混凝土，重新安装外层钢护筒并浇筑混凝土；其重度损伤表现为钢箱室顶板裸露或变形，此时可检查防护装置的全部节段并更换变形的节段。
附图说明
图1为本发明桥墩防护装置的总体爆炸示意图。
图2为本发明桥墩防护装置的横截面示意图。
图3为钢箱室顶板与U型肋连接结构示意图。
图4为钢箱室腹板结构示意图。
图5为型钢支撑结构示意图。
图6为桥墩防护装置与桥墩安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图5，本发明的一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置，包括上连接板1a、外层钢护筒2、混凝土3、纵筋4、钢箱室顶板5、U型肋6、蜂窝管芯材7、钢箱室腹板8、型钢支撑9、内层钢护筒10、下连接板1b；
所述外层钢护筒2与内层钢护筒10的两端分别连接有钢箱室腹板8，所述外层钢护筒2、内层钢护筒10与两端的型钢支撑9组成四周封闭的空腔结构；所述型钢支撑9横截面形状为“王”字形，内外两端均对称设有尖状翼缘9-1，用于与外层钢护筒2和内层钢护筒10的连接。所述外层钢护筒2和内层钢护筒10两端均设有与尖状翼缘9-1配合的槽口，槽口深度为对应钢护筒厚度的3/4。所述型钢支撑9的中间翼缘9-3的宽厚比控制在1.5～2之间，厚度略大于型钢支撑9的中心钢板9-2厚度，型钢支撑9中心钢板9-2采用和内外层钢护筒相同的厚度。两个型钢支撑9的内侧分别设有钢箱室腹板8，所述钢箱室腹板8横截面形状为“弓”字形，内外侧翼缘(8-1、8-2)宽厚比不小于5，内外侧翼缘(8-1、8-2)分别与外层钢护筒2、内层钢护筒10使用环氧树脂粘钢胶粘结，钢箱室腹板8中部凹糟8-3形状与型钢支撑9中部翼缘相配合；所述钢箱室顶板5设置在两个钢箱室腹板8之间，所述钢箱室顶板5两端设有折弯板5-1，两端的折弯板5-1分别与两个钢箱室腹板8使用环氧树脂粘钢胶粘结；所述钢箱室顶板5一侧均匀固定有多个U型肋6，所述U型肋6设置在于钢箱室顶板5与内层钢护筒10之间的空腔内；所述述U型肋6数量不少于4个。所述钢箱室腹板8、钢箱室顶板5、U型肋6和内层钢护筒10组成了钢箱室。所述钢箱室内部U型肋6和内层钢护筒10之间填充有蜂窝管芯材7，所述蜂窝管芯材7可以是PVC、玻璃钢等材质，所述蜂窝管芯材7内由填充砂填满，填充砂优选细度模数在2.3～3.0之间的中砂。所述U型肋6内填充有泡沫金属，泡沫金属优选泡沫铝或泡沫铝合金，要求泡孔大小1～2mm，相对密度为0.5～0.6(参考物为4℃水)，孔隙率为65％～75％。
所述钢箱室内部钢箱室顶板5与外层钢护筒2之间设有多个纵筋4；所述纵筋4固定在上连接板1a和下连接板1b之间，且沿待固定桥墩11周向均匀布置；所述纵筋4采用HRB400，直径不小于25mm，数量应不少于5根。所述钢箱室顶板5与外层钢护筒2之间浇筑有混凝土3，所述混凝土3应选用UHPC(超高性能混凝土)或C50及以上的普通混凝土。
所述上连接板1a、下连接板1b分别固定在钢箱室上下端，将钢箱室上下端封闭。所述上连接板1a、下连接板1b均由厚度不低于20mm的钢板制成，上连接板1a下端面、下连接板1b上端面均设有外层钢护筒2、内层钢护筒10和左右两个型钢支撑9的插槽1-4；插槽1-4深度为对应连接板厚度的3/4；用于插接外层钢护筒2的插槽1-4外侧，所述上连接板1a、下连接板1b上均设有多个螺栓孔1-1；所述螺栓孔1-1用于下连接板1b与承台14的螺栓锚接、或上连接板1a与下连接板1b的螺栓连接、或上连接板1a与盖梁之间的螺栓锚接；螺栓应采用摩擦型高强螺栓，等级及尺寸根据《GB/T 1228-2006钢结构用高强度大六角头螺栓》规范由其承载能力极限状态计算确定。所述上连接板1a、下连接板1b上均设有多个连接孔1-2，用于纵筋4的安装以及焊接定位。所述上连接板1a、下连接板1b的同一侧端均设有榫头1-3，另一侧端均设有卯槽1-5，榫头1-3与卯槽1-5配合，用于防护装置的环形连接。
所述内层钢护筒10和外层钢护筒2采用厚度一致，且不小于20mm的Q345D钢材，优选的，内层钢护筒10和外层钢护筒2离圆心的直径比值在0.75～0.85之间，装置的外层钢护筒2圆心直径与高度比值控制在1.2以下。
所述钢箱室腹板、顶板和U型肋的厚度一致，厚度设置在8mm～12mm之间。
本发明自外向内由外层钢护筒2、混凝土3、钢箱室、内层钢护筒10构成多级防护体系，在爆炸冲击作用下，所述外层钢护筒2、纵筋4和混凝土3构成第一道抗爆防线，纵筋4起加强筋和连接两个连接板作用，此防线为刚性防护，可以使部分爆炸冲击波改变传播方向；所述钢箱室顶板5和U型肋6构成了第二道抗爆防线，是刚性结构和柔性填充相结合的防线，在钢箱室顶板5承受外力时，U型肋6起到了很好的支撑作用，同时阻隔应力的传递，将破坏限制在U型肋6中间；所述蜂窝管芯材7和内层钢护筒10构成了第三道抗爆防线，蜂窝状的结构将钢箱室空间分成多个封闭的小室，因此可有效阻止空气的流动，起到隔绝爆炸冲击波的作用；采用钢箱室、U型肋6和蜂窝管芯材7组成的大格子内嵌套小格子的结构，共同构成了“层式格状结构”，形成具有相对强弱刚度的熔断体系，可以最大限度分散爆炸冲击能量。
本发明的装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置的安装方法为，
在工厂制作时，首先将下连接板1b放置在平面操作台上，并将内层钢护筒10和型钢支撑9通过环氧树脂粘钢胶粘结在下连接板1b上相应的插槽1-4中。然后安装钢箱室腹板8：安装钢箱室腹板8前，应先把焊接好U型肋6的钢箱室顶板5通过粘钢胶粘接在钢箱室腹板8的内侧侧壁上，随后在内层钢护筒10内壁与钢箱室腹板8内侧翼缘8-2相接的地方涂布粘钢胶，中部凹糟8-3对准型钢支撑9的中间翼缘9-3，插入钢箱室腹板8，至此钢箱室骨架结构制作完成。
进一步的，将蜂窝管芯材7填充在钢箱室内U型肋6和内层钢护筒10之间，蜂窝管芯材7按填充形状进行必要的切割；随后在U型肋6内部填充泡沫金属，并在蜂窝管芯材7中填满填充砂，填充砂应尽量密实。
进一步的，将纵筋4插入下连接板1b预留的连接孔1-2中，纵筋4下端超出下连接板1b下端面，纵筋4与下连接板1b之间进行双面周焊接，焊接完毕后切割底面超出的裸露在外的纵筋4部分。
进一步的，将环氧树脂粘钢胶分别涂布在外层钢护筒2与钢箱室腹板8外翼缘8-2(或8-1，两个钢箱室腹板8反向)相接的面上，安装外层钢护筒2，粘结牢固后，在外层钢护筒2与钢箱室顶板5之间浇筑UHPC混凝土3，混凝土3在入模前应使用专用设备测定其温度、塌落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能，当相关指标符合设计或配合比要求方可入模浇筑，混凝土3入模温度控制在5～30℃，在标准养护条件下养护28d。
将上连接板1a的插槽1-4内涂满环氧树脂粘钢胶，连接孔1-2对准纵筋4上端插入，盖上之后，纵筋4上端裸露在上连接板1a上端面，焊接裸露在上连接板1a外部的纵筋4，焊接采用周边焊，焊接完成后切除多余的纵筋4部，至此防护装置制作完成。
在施工现场，结合图6，安装底部防护装置节段时，对于承台14裸露在外的桥墩，可使用锚栓13将下连接板1b固定在承台14上，锚栓可采用化学锚栓或套管膨胀锚栓；对于承台14埋置在土中的桥墩，亦可将防护装置部分埋置在土中，埋置深度为防护装置节段高度的1/4；在粘结内层钢护筒2和混凝土桥墩11之间，应将混凝土表面进行打磨处理，去掉1～2mm表层，除去粉尘，并用丙酮擦拭干净，使混凝土表面无油、无异物、无灰尘，同时应对内层钢护筒10内侧进行除锈处理，粘结操作应参考粘钢胶产品说明实施。
随后使用环氧树脂粘钢胶将周向的各防护装置之间的型钢支撑9和钢箱室腹板8粘结在一起实现环向拼接，使用摩擦型高强螺栓12连接上下两个防护装置的上下连接板，节段实现竖向拼接；对于部分防护的桥墩，可在最顶层上连接板1a外部粘结一层薄钢板，钢板宜内高外低，达到排水的目的；对于全防护的桥墩，上连接板1a与盖梁之间的连接参考下连接板1b与承台14之间的连接。
Claims (10)
1.一种装配式抗爆炸冲击作用的桥墩防护装置，其特征在于，包括上连接板(1a)、外层钢护筒(2)、混凝土(3)、纵筋(4)、钢箱室顶板(5)、U型肋(6)、蜂窝管芯材(7)、钢箱室腹板(8)、型钢支撑(9)、内层钢护筒(10)、下连接板(1b)；
所述外层钢护筒(2)与内层钢护筒(10)的两端分别连接有钢箱室腹板(8)；所述型钢支撑(9)两端均对称设有尖状翼缘(9-1)，用于与外层钢护筒(2)和内层钢护筒(10)的连接；两个型钢支撑(9)的内侧分别设有钢箱室腹板(8)，所述钢箱室腹板(8)两端分别设有与外层钢护筒(2)、内层钢护筒(10)连接的翼缘(8-1)、(8-2)；中间设有与型钢支撑(9)中部翼缘相配合的凹糟(8-3)；所述钢箱室顶板(5)设置在两个钢箱室腹板(8)之间；所述钢箱室顶板(5)一侧均匀固定有多个U型肋(6)，所述U型肋(6)设置在于钢箱室顶板(5)与内层钢护筒(10)之间的空腔内；所述U型肋(6)和内层钢护筒(10)之间填充有蜂窝管芯材(7)；所述蜂窝管芯材(7)内填充有填充砂；所述U型肋(6)内填充有泡沫金属；所述钢箱室内部钢箱室顶板(5)与外层钢护筒(2)之间设有多个纵筋(4)；所述钢箱室顶板(5)与外层钢护筒(2)之间浇筑有混凝土(3)；所述纵筋(4)固定在上连接板(1a)和下连接板(1b)之间；所述上连接板(1a)、下连接板(1b)上均设有多个螺栓孔(1-1)；
所述外层钢护筒(2)、纵筋(4)和混凝土(3)构成第一道抗爆防线，纵筋(4)作为加强筋和连接上下两个连接板；所述钢箱室顶板(5)和U型肋(6)构成了第二道抗爆防线，在钢箱室顶板(5)承受外力时，U型肋(6)起到支撑作用，同时阻隔应力；所述蜂窝管芯材(7)和内层钢护筒(10)构成了第三道抗爆防线，蜂窝状的结构将钢箱室空间分成多个封闭的小室，同时隔绝爆炸冲击波；采用钢箱室、U型肋(6)和蜂窝管芯材(7)共同构成了层式格状结构。
2.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述钢箱室顶板(5)两端设有折弯板(5-1)，两端的折弯板(5-1)分别与两个钢箱室腹板(8)使用环氧树脂粘钢胶粘结。
3.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述蜂窝管芯材(7)为PVC或玻璃钢。
4.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述填充砂优选细度模数在2.3～3.0之间。
5.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫铝或泡沫铝合金。
6.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述纵筋(4)沿待固定桥墩(11)周向均匀布置。
7.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述上连接板(1a)下端面、下连接板(1b)上端面均设有外层钢护筒(2)、内层钢护筒(10)和左右两个型钢支撑(9)的插槽(1-4)。
8.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述上连接板(1a)、下连接板(1b)上均设有多个用于纵筋(4)的安装以及焊接定位的连接孔(1-2)。
9.根据权利要求1所述的防护装置，其特征在于，所述上连接板(1a)、下连接板(1b)的同一侧端均设有榫头(1-3)，另一侧端均设有卯槽(1-5)。
10.根据权利要求1-9任一所述的防护装置的安装方法，其特征在于，包括工厂制作过程和现场施工过程，具体为：
工厂制作过程：(1)并将内层钢护筒(10)和型钢支撑(9)通过环氧树脂粘钢胶粘结在下连接板(1b)上相应的插槽(1-4)中；
(2)把焊接好U型肋(6)的钢箱室顶板(5)通过粘钢胶粘接在钢箱室腹板(8)的内侧侧壁上，随后在内层钢护筒(10)内壁与钢箱室腹板(8)翼缘相接的地方涂布粘钢胶，中部凹糟(8-3)对准型钢支撑(9)的中间翼缘(9-3)，插入钢箱室腹板(8)；
(3)将蜂窝管芯材(7)填充在钢箱室内U型肋(6)和内层钢护筒(10)之间；在U型肋(6)内部填充泡沫金属，并在蜂窝管芯材(7)中填满填充砂；
(4)将纵筋(4)插入下连接板(1b)预留的连接孔(1-2)中，双面周焊接，切割裸露在下连接板(1b)下端的纵筋(4)；
(5)将环氧树脂粘钢胶分别涂布在外层钢护筒(2)与钢箱室腹板(8)翼缘相接的面上，安装外层钢护筒(2)，粘结牢固后，在外层钢护筒(2)与钢箱室顶板(5)之间浇筑混凝土3；
(6)将上连接板(1a)的插槽(1-4)内涂满环氧树脂粘钢胶，连接孔(1-2)对准纵筋(4)上端插入，采用周边焊焊接纵筋(4)和上连接板(1a)，切除多余的纵筋(4)部分；
现场施工过程：(1)使用锚栓(13)将下连接板(1b)固定在承台(14)上或随承台(14)埋置的土中；
(2)使用环氧树脂粘钢胶将周向各防护装置之间的型钢支撑(9)和钢箱室腹板(8)粘结在一起实现环向拼接；使用螺栓连接上下两个防护装置的上下连接板实现竖向拼接。
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