一种抗爆炸冲击作用的桥梁墩柱截面设计的制作方法

一种抗爆炸冲击作用的桥梁墩柱截面设计，属于桥梁工程结构技术领域。

背景技术：

桥梁墩柱结构作为桥梁结构的支撑体系，将上部结构恒载、汽车荷载、人群荷载等荷载传递至基础，一旦发生破坏，将改变桥梁整体结构的受力模式，破坏严重时甚至带来桥梁结构的连续性倒塌。恐怖分子蓄意袭击、敌方鱼雷袭击、工业危险品生产及运输等风险均会导致桥梁墩柱结构发生破坏，目前我国桥梁工程墩柱结构进行抗爆设计时缺少国家及行业性规范指导。重点城市复杂立体交通桥梁结构及跨海大桥的建设项目投资巨大兼备国防战略需求，需要在外观上设计不异于普通桥梁墩柱外表，但桥梁墩柱仍具备一定抗爆性能的桥梁结构。

申请号CN201320388426.X公布了一种桥墩的抗爆炸冲击装置，防护思路为不改变原有桥墩截面设计，在既有普通桥墩结构外部设置橡胶覆盖层及弹性束圈缓减爆炸冲击作用，该方法尚未涉及桥墩截面优化设计层面，改变了桥梁墩柱外观形象，丧失了桥梁结构墩柱抗爆性能隐蔽性需求。申请号CN201510699296.5提出了一种抗爆耗能轻钢结构柱，针对普通民用建筑技术领域，在桥梁墩柱应用方面，受桥梁结构墩柱耐久性设计控制，该钢结构设计方法不适用于桥梁墩柱，尤其是跨海大桥等面临腐蚀性海水环境，使用条件将更为苛刻。

因此，在设计理念上，应克服现有技术的缺点，转变外部增设防护层的思路，研究一种外观上无异于普通桥墩，同时又能有效提高桥梁墩柱结构抗爆炸冲击作用的截面形式。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的桥梁墩柱截面设计来有效应对抗爆炸冲击作用，旨在减轻爆炸作用下桥梁墩柱承载力下降过快，避免由于桥墩破坏导致桥梁结构连续性倒塌。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案：一种抗爆炸冲击作用的桥梁墩柱截面设计，包括由外向内依次设置的第一抗爆构件和第二抗爆构件；

所述第一抗爆构件包括由外向内依次设置的封闭性外钢板、第一凯夫拉层、泡沫铝层、第二凯夫拉层和封闭性内钢板；

所述第二抗爆构件包括一根桁架中心支撑钢管、多根桁架外围支撑钢管、类正弦钢桁架、类余弦钢桁架、箍筋、纵筋、第一连接件和第二连接件；

所述多根桁架外围支撑钢管平行均布于竖直桁架中心支撑钢管的周向，并且桁架外围支撑钢管布设根数为不低于六根的偶数，所述多根桁架外围支撑钢管每相邻两根之间通过一根水平的第一连接件连接，所述类正弦钢桁架与类余弦钢桁架以交替排列的方式在桁架中心支撑钢管和桁架外围支撑钢管上焊接；

沿所述桁架外围支撑钢管长度方向平行均布有多根纵筋，沿所述多根纵筋长度方向设有缠绕纵筋的箍筋，并且所述箍筋为一根螺旋箍筋；

所述第二抗爆构件的桁架外围支撑钢管通过多根第二连接件与第一抗爆构件的封闭性内钢板连接实现了第一抗爆构件与第二抗爆构件的固定连接，并且被封闭性内钢板围住的第二抗爆构件整体均匀填充有内混凝土层。

在所述第一抗爆构件封闭性外钢板的外壁还设置有混凝土保护层。

所述第一凯夫拉层和第二凯夫拉层结构均为经纱和纬纱每隔一根纱线就交织一次的平纹组织结构，并且平纹组织结构不低于十层；

所述泡沫铝层结构为通孔蜂窝状结构；

所述类正弦钢桁架、类余弦钢桁架与桥墩水平方向的夹角为45°~60°。

所述第一凯夫拉层和第二凯夫拉层为经环氧树脂浸渍后加温加压形成不超过5.5mm厚的整体面层；

所述封闭性外钢板与第一凯夫拉层之间通过环氧树脂粘接、所述封闭性内钢板与第二凯夫拉层之间通过环氧树脂粘接，所述泡沫铝层填充于第一凯夫拉层和第二凯夫拉层之间。

所述封闭性外钢板为壁厚大于16mm的Q345qD钢材；

所述的封闭性内钢板为壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD钢材；

所述第一凯夫拉层和第二凯夫拉层纱线材料密度为1420~1450kg/m³，纺织线径0.4~0.5mm、断裂伸长率大于2.3%，弹性模型大于60Gpa；

所述泡沫铝层采用屈服强度50~52MPa的纯铝制成、泡孔大小为1~2mm、相对密度为0.5~0.6、孔隙率为65%~75%；

所述泡沫铝层厚度不低于八倍的封闭性外钢板厚度。

所述桁架中心支撑钢管为外径大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外围支撑钢管为外径大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外围支撑钢管布设根数为六根或八根；

所述类正弦钢桁架直径、类余弦钢桁架直径均不低于纵筋直径数值，同时也不应低于25mm；

所述第一连接件为外径大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二连接件沿桥墩长度方向每隔半个类正弦钢桁架长度即水平焊接一根，并且每根第二连接件长度为40mm~60mm；

所述内混凝土层采用C50~C55微膨胀混凝土。

本发明和现有技术相比具有以下有益效果。

一、本发明通过设置双封闭性的复合第一抗爆构件：即设计封闭性内钢板、封闭性外钢板两层封闭钢板，又在封闭性内钢板、封闭性外钢板之间依次设置第一凯夫拉层、泡沫铝层、第二凯夫拉层，这使得桥墩结构外部遭受爆炸冲击作用时能够起到良好的吸能缓冲作用；

具体来说，第一凯夫拉层延缓了封闭性外钢板遭受爆炸冲击作用时所发生的塑性变形，提高了封闭性外钢板的抗冲击能力，此为抗爆冲击第一道防线；

随着爆炸冲击波能量的增加，通孔蜂窝状的泡沫铝层发生大的压缩变形，呈现出负泊松比性质，并迅速将吸能范围扩散至更大的泡沫铝结构范围，蜂窝状的泡沫铝宏观结构相比现有技术中的泡沫铝结构受力形式更为优化，提高了泡沫铝层的结构承载能力，此为抗爆冲击第二道防线；

当泡沫铝吸能失效后，靠近封闭性内钢板的第二凯夫拉层发挥作用，进一步降低对爆炸对封闭性内钢板的冲击作用，提高结构失效时对应的临界爆炸冲击波冲量，进而保护内部纵筋和箍筋，此为第三道防线，也就是说第一抗爆构件组成了面对爆炸冲击的三道防线。

本发明又设置了内部为桁架式结构的第二抗爆构件：即将桁架外围支撑钢管均布于桁架中心支撑钢管周向，同时又在桁架外围支撑钢管、桁架外围中心钢管间焊接交替排列的类正弦钢桁架与类余弦钢桁架，这样就使得桁架式结构的第二抗爆构件形成多个稳定的三角形，同时桁架外围支撑钢管通过多根第二连接件与封闭性内钢板连接，这就使得含多个稳定三角形的第二抗爆件明显提高了封闭性内钢板保持原状的能力，也间接保护了受力纵筋、箍筋的受力状态不发生改变，对遭受任意方向的爆炸冲击作用，都尽可能导致受力模式转变为局部损失，此为抗爆炸冲击作用的第四道防线。

另外，在封闭性内钢板与第二抗爆构件的桁架式结构之间填充微膨胀混凝土，相当于对封闭性内钢板施加了预应力效应，封闭性内钢板的围箍效应也间接提高了微膨胀混凝土的抗压强度，也对外部遭受爆炸作用是一种提前反向预加作用。

综上所述，第一抗爆构件和第二抗爆构件组成的四道防线，有效的减缓了外部的爆炸冲击作用，实现了桥梁墩柱对外部爆炸冲击作用的良好主动防御。

二、本发明取材方便，制作简易，造价低廉，可将第一抗爆构件、第二抗爆构件分解后在工厂预制加工完毕，然后再运输至工地进行拼装焊接、粘贴、浇筑混凝土等工作，具有良好的施工性能。

三、本发明最外侧设有混凝土保护层，能够保护最外层封闭性外钢板的耐久性，节省了防锈处理等工作量，同时在外观上与普通钢筋混凝土墩柱相同，具有较强的隐蔽性。

附图说明

图1为本发明沿桥墩中心剖面的立面结构示意图。

图2为本发明的横截面平面示意图。

图中，1为混凝土保护层，2为封闭性外钢板，3为第一凯夫拉层，4为泡沫铝层，5为第二凯夫拉层，6为封闭性内钢板，7为第一连接件，8为箍筋，9为纵筋，10为内混凝土层，11为桁架外围支撑钢管，12为第二连接件，13为桁架中心支撑钢管，14为类正弦钢桁架，15为类余弦钢桁架。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示，一种抗爆炸冲击作用的桥梁墩柱截面设计，包括由外向内依次设置的第一抗爆构件和第二抗爆构件；

所述第一抗爆构件包括由外向内依次设置的封闭性外钢板2、第一凯夫拉层3、泡沫铝层4、第二凯夫拉层5和封闭性内钢板6；

所述第二抗爆构件包括一根桁架中心支撑钢管13、多根桁架外围支撑钢管11、类正弦钢桁架14、类余弦钢桁架15、箍筋8、纵筋9、第一连接件7和第二连接件12；

所述多根桁架外围支撑钢管11平行均布于竖直桁架中心支撑钢管13的周向，并且桁架外围支撑钢管11布设根数为不低于六根的偶数，所述多根桁架外围支撑钢管11每相邻两根之间通过一根水平的第一连接件7连接，所述类正弦钢桁架14与类余弦钢桁架15以交替排列的方式在桁架中心支撑钢管13和桁架外围支撑钢管11上焊接；

沿所述桁架外围支撑钢管11长度方向平行均布有多根纵筋9，沿所述多根纵筋9长度方向设有缠绕纵筋9的箍筋8，并且所述箍筋8为一根螺旋箍筋8；

所述第二抗爆构件的桁架外围支撑钢管11通过多根第二连接件12与第一抗爆构件的封闭性内钢板6连接实现了第一抗爆构件与第二抗爆构件的固定连接，并且被封闭性内钢板6围住的第二抗爆构件整体均匀填充有内混凝土层10。

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5结构均为经纱和纬纱每隔一根纱线就交织一次的平纹组织结构，并且平纹组织结构不低于十层；

所述泡沫铝层4结构为通孔蜂窝状结构；

所述类正弦钢桁架14、类余弦钢桁架15与桥墩水平方向的夹角为45°~60°。

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5为经环氧树脂浸渍后加温加压形成不超过5.5mm厚的整体面层；

所述封闭性外钢板2与第一凯夫拉层3之间通过环氧树脂粘接、所述封闭性内钢板6与第二凯夫拉层5之间通过环氧树脂粘接，所述泡沫铝层4填充于第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5之间。

所述封闭性外钢板2为壁厚大于16mm的Q345qD钢材；

所述的封闭性内钢板6为壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD钢材；

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5纱线材料密度为1420~1450kg/m³，纺织线径0.4~0.5mm、断裂伸长率大于2.3%，弹性模型大于60Gpa；

所述泡沫铝层4采用屈服强度50~52MPa的纯铝制成、泡孔大小为1~2mm、相对密度为0.5~0.6、孔隙率为65%~75%；

所述泡沫铝层4厚度不低于八倍的封闭性外钢板2厚度。

所述桁架中心支撑钢管13为外径大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外围支撑钢管11为外径大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外围支撑钢管11布设根数为六根或八根；

所述类正弦钢桁架14直径、类余弦钢桁架15直径均不低于纵筋9直径数值，同时也不应低于25mm；

所述第一连接件7为外径大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二连接件12沿桥墩长度方向每隔半个类正弦钢桁架14长度即水平焊接一根，并且每根第二连接件12长度为40mm~60mm；

所述内混凝土层10采用C50~C55微膨胀混凝土。

实施例二

如图1、图2所示，一种抗爆炸冲击作用的桥梁墩柱截面设计，包括由外向内依次设置的第一抗爆构件和第二抗爆构件；

所述第一抗爆构件包括由外向内依次设置的封闭性外钢板2、第一凯夫拉层3、泡沫铝层4、第二凯夫拉层5和封闭性内钢板6；

所述第二抗爆构件包括一根桁架中心支撑钢管13、多根桁架外围支撑钢管11、类正弦钢桁架14、类余弦钢桁架15、箍筋8、纵筋9、第一连接件7和第二连接件12；

所述多根桁架外围支撑钢管11平行均布于竖直桁架中心支撑钢管13的周向，并且桁架外围支撑钢管11布设根数为不低于六根的偶数，所述多根桁架外围支撑钢管11每相邻两根之间通过一根水平的第一连接件7连接，所述类正弦钢桁架14与类余弦钢桁架15以交替排列的方式在桁架中心支撑钢管13和桁架外围支撑钢管11上焊接；

沿所述桁架外围支撑钢管11长度方向平行均布有多根纵筋9，沿所述多根纵筋9长度方向设有缠绕纵筋9的箍筋8，并且所述箍筋8为一根螺旋箍筋8；

所述第二抗爆构件的桁架外围支撑钢管11通过多根第二连接件12与第一抗爆构件的封闭性内钢板6连接实现了第一抗爆构件与第二抗爆构件的固定连接，并且被封闭性内钢板6围住的第二抗爆构件整体均匀填充有内混凝土层10。

在所述第一抗爆构件封闭性外钢板2的外壁还设置有混凝土保护层1。

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5结构均为经纱和纬纱每隔一根纱线就交织一次的平纹组织结构，并且平纹组织结构不低于十层；

所述泡沫铝层4结构为通孔蜂窝状结构；

所述类正弦钢桁架14、类余弦钢桁架15与桥墩水平方向的夹角为45°~60°。

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5为经环氧树脂浸渍后加温加压形成不超过5.5mm厚的整体面层；

所述封闭性外钢板2与第一凯夫拉层3之间通过环氧树脂粘接、所述封闭性内钢板6与第二凯夫拉层5之间通过环氧树脂粘接，所述泡沫铝层4填充于第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5之间。

所述封闭性外钢板2为壁厚大于16mm的Q345qD钢材；

所述的封闭性内钢板6为壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD钢材；

所述第一凯夫拉层3和第二凯夫拉层5纱线材料密度为1420~1450kg/m³，纺织线径0.4~0.5mm、断裂伸长率大于2.3%，弹性模型大于60Gpa；

所述泡沫铝层4采用屈服强度50~52MPa的纯铝制成、泡孔大小为1~2mm、相对密度为0.5~0.6、孔隙率为65%~75%；

所述泡沫铝层4厚度不低于八倍的封闭性外钢板2厚度。

所述桁架中心支撑钢管13为外径大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外围支撑钢管11为外径大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外围支撑钢管11布设根数为六根或八根；

所述类正弦钢桁架14直径、类余弦钢桁架15直径均不低于纵筋9直径数值，同时也不应低于25mm；

所述第一连接件7为外径大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二连接件12沿桥墩长度方向每隔半个类正弦钢桁架14长度即水平焊接一根，并且每根第二连接件12长度为40mm~60mm；

所述内混凝土层10采用C50~C55微膨胀混凝土。

本发明的制作包括以下步骤：

1）城市桥梁墩柱截面设计为Φ3.2m的圆形柱状桥墩，混凝土保护层1为70mm厚，依据本发明截面设计及制作要求，封闭性外钢板2采用Q345qD钢材，制作成外径3.06m厚20mm空心圆截面，封闭性内钢板6采用Q345qD钢材，制作成外径2.64m厚25mm空心圆截面；

2）封闭性外钢板2内侧的第一凯夫拉层3、封闭性内钢板6外侧的第二凯夫拉层5采用纱线材料均为密度1430kg/m³，纺织线径0.4mm、断裂伸长率2.35%，弹性模型为62GPa，经纱和纬纱每隔1根纱线交织1次的平纹组织结构，共计10层，经环氧树脂浸渍后加温加压形成不超过5mm厚的整体面层；

3）采用环氧树脂将制作好后的第一凯夫拉层3粘接在封闭性外钢板2内侧表面，第二凯夫拉层5粘接在封闭性外钢板6内侧表面，粘接牢固后，运输至桥墩桥位处，形成双环状空心圆截面固定在桥位；

4）采用屈服强度52MPa的纯铝制成泡孔大小为1mm、相对密度为0.5、孔隙率为65%的泡沫铝，并将形成的泡沫铝进一步加工制造成外部结构为等边长20mm的六边形蜂窝状连续结构，将其厚为180mm的环状泡沫铝5放入外第一凯夫拉层3与第二凯夫拉层5之间的预留空间；

5）采用外径60mm壁厚6mm钢管制作单根桁架中心支撑钢管13，采用外径40mm壁厚4mm的钢管制作6根桁架外围支撑钢管11，标定桁架外围支撑钢管11至中心支撑钢管13间距为1185mm后，沿圆周均布排列后，采用直径为40mm的钢筋作为类正弦钢桁架14、类余弦钢桁架15的桁架部分，与水平角度成45°交角，依次将桁架外围支撑钢管11与中心支撑钢管13焊接连成整体；

6）采用外径40mm壁厚4mm的钢管制作第一连接件7，并且每隔半个类正弦钢桁架14长度，将桁架外围支撑钢管11依次焊接，形成封闭的环状；

7）将受力计算分析所确定的24Φ32纵筋9沿桁架外围支撑钢管13环形均布排列后绑扎，将确定的螺旋箍筋8在纵筋9外侧绑扎后，放入封闭性内钢板6内部；

8）采用外径40mm壁厚4mm长度50mm的钢管制作第二连接件12，沿桥墩高度方向每隔半个类正弦钢桁架14长度，在水平方向焊接一道第二连接件12，连接外围支撑钢管11与封闭性内钢板6；

9）采用C50微膨胀混凝土10，对封闭性内钢板6与第二抗爆件之间的空间进行浇筑、养护；

10）搭设模板，在封闭性外钢板2外侧浇筑混凝土保护层1养护至设计强度后拆模；

11）对建设完成后的桥墩结构进行爆炸作用下的结构数值实验分析，30kg当量的TNT，距离混凝土保护层1的爆心距离1m处发生爆炸，考查纵筋9的最大主应力，采用本发明结构可将冲击波超压峰值由未设置前的峰值削弱90%以上比例，桥墩结构整体最大弯剪综合变形为未设置防爆措施下桥墩结构变形的15%，有效保护了桥墩结构的安全，降低了桥梁墩柱的局部破坏形态和整体变形。

需要说明的是，封闭性外钢板2、封闭性内钢板6等部件可以根据桥梁墩柱的不同外形分解为不同的构件进行预制加工。

本发明既可以应用于山谷河流路段中公路桥梁、铁路桥梁、城市桥梁对抗爆有要求的桥墩设计，也可用于有抗爆要求的跨海桥梁及有国防要求的桥墩结构，只需进一步做好混凝土的抗渗及耐久性要求，降低钢材的锈蚀速率即可。

上述实施例是对本发明结构的解释而非限制，在不脱离本发明原理前提下所作的变形也在本发明的保护范围之内。