一种分片组合式桥墩防护装置及其设计方法
【技术领域】
[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。
【背景技术】
[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、碎肩流、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25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。
[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肩 流等携带的大块石的冲击，也需要进行重点防护。
[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、碎肩流、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。
[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。
[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。
[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。
【发明内容】
[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。
[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。
[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。
[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。
[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。
[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 厚度为〇. 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。
[0014] -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。
[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：
[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；
[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；
[0019] 冲击物对桥墩的最大冲击能量W通过下式计算得到：
[0021] 式中，P为冲击物的密度。
[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：
[0023] F=k8n
[0024] 式中，S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。
[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：
[0027] 式中，M为冲击物的质量；0为冲击物的速度与桥墩径向之间的夹角。
[0028] 所述步骤5)的桥墩抗冲切强度Fpun通过下式计算得到：
[0029] Fpun=Fct+Fdow+Fsw
[0030] 式中，匕为混凝土抗拉力的垂直分量；FdOT为箍筋剪力；Fsw为桥墩主筋剪力；Fct、 Fd?、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：
[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