一种桥墩保护装置及其施工方法与流程

本发明涉及桥梁工程技术领域。

背景技术：

在我国高寒地区，冰荷载对桥墩的危害不可忽视，冰冻期桥墩破坏原因大致三方面：桥墩冰冻层处冻融循环导致桥墩混凝土处裂缝扩展以及导致混凝土材料变形、开裂等；桥墩周围被大面积的冰层围绕，冰层在水流、风的作用下，存在往某个方向移动的趋势，而桥墩阻碍冰层的整体移动，从而导致桥墩受到来自冰层的推力，造成剪切破坏；在融冰期坚硬的冰块不断撞击桥墩。因此需要在桥墩危险区域采取一定的防护设施，使上述危害对桥墩的破坏达到最低限度。传统的电加热和对水面进行吹风扰动的以防止结冰的方式能源耗费较大，而且往往不能很好地抵御浮冰的撞击。

技术实现要素：

本发明提供一种桥墩保护装置及其施工方法，具有防护效果好、施工安装方便的特点。

本发明提供的一种桥墩保护装置，包括能围住桥墩的防护套，所述防护套包括支撑骨架、缓冲板、挡板、浮力机构和加热系统，所述缓冲板固定于所述支撑骨架内侧面，所述挡板固定在所述支撑骨架外侧面，且所述挡板高度能阻挡外侧浮冰及上部水流，所述浮力机构固定在支撑骨架上，浮力机构的浮力能保证防护套浮在水中，所述加热系统均固定在所述缓冲板与所述挡板之间。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述挡板为EVA橡胶板，所述挡板本身也为浮力机构。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述支撑骨架下部设有浮力调节结构。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述浮力调节结构包括，所述支撑骨架下部可拆卸固定有若干层所述EVA橡胶板。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，述加热系统包括固定在所述支撑骨架上的电伴热带，所述支撑骨架上设有电伴热带固定结构，所述电伴热带通过所述电伴热带固定结构穿插布置在所述支撑骨架上。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述防护套由若干块防护套体拼接而成，所述防护套体上还设有防护套体连接结构，所述防护套体连接结构包括在一个防护套体上设置的连接耳板和相邻的防护套体上设置的连接通孔，所述连接耳板通过螺栓结构连接相邻的防护套体。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述缓冲板与所述加热系统之间还设有导热板，导热板用以防止加热系统烫坏缓冲板。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架上还设有隔水板，所述隔水板分别顶住缓冲板和挡板并将所述防护套分隔为若干区域。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架包括上骨架、下骨架和连接所述上骨架与所述下骨架的中间支撑，所述上骨架内侧设有用于固定所述挡板的倒U形固定槽，所述下骨架内侧设有用于固定所述挡板的L形固定槽。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架包括上骨架、下骨架和连接所述上骨架与所述下骨架的中间支撑，所述缓冲板通过绕过所述上骨架和所述下骨架的缓冲板绑带固定在所述支撑骨架上。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，还包括能使所述防护套复位的复位机构。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述复位机构包括两个固定环和若干导向索，两个所述固定环均固定在桥墩上且分别位于所述防护套体上方和下方，所述支撑骨架上设有能使所述导向索穿过并滑动的升降通孔，所述导向索穿过所述升降通孔且所述导向索的两端分别固定在所述固定环上。

本发明提供的前述的桥墩保护装置的施工方法，包括制作支撑骨架的步骤、安装加热系统的步骤、安装缓冲板、挡板和浮力机构的步骤、安装防护套的步骤和加热系统连接的步骤。

进一步地，前述的桥墩保护装置的施工方法，包括前述的复位系统的安装步骤：

步骤一，在桥墩上安装固定环的固定件；

步骤二，安装固定环；

步骤三，安装防护套；

步骤四，将导向索一端固定在一个固定环上，并将导向索另一端穿过防护套体的升降通孔后固定在另一个固定环上。

本发明所述技术方案所产生的有益效果为：

本发明提供的一种桥墩保护装置，采用支撑骨架、缓冲板和挡板的结构，三级缓冲浮冰撞击的破坏，防护效果好，而且挡板布置在桥墩的外围且与桥墩有一定距离，能够有效防止浮冰撞击和结冰的挤压；通过挡板减小了装置内部水的流动，采用加热系统对水进行加热时能防止大量热量随水流动的散失，能很好地防止结冰对桥墩的危害，同时达到节省能源的作用，本发明提供的桥墩保护装置的施工方法采用分部位安装的方法便于施工安装且利于检验安装质量。

附图说明

图1是本发明一种实施例的俯视结构示意图；

图2是本发明一种实施例防护套的立视结构示意图；

图3是本发明一种实施例的防护套体的剖面结构示意图；

图4是本发明一种实施例的防护套体的剖面结构示意图；

图5是本发明一种实施例单个防护套体支撑骨架和加热系统的结构示意图；

图6是本发明一种实施例多个防护套体支撑骨架和加热系统的连接结构示意图；

图7是本发明一种实施例的复位系统安装状态示意图。

上述附图中标记对应关系为：

100防护套体；

110支撑骨架；111上骨架；112下骨架；113中间支撑；114倒U形固定槽；115 L形固定槽；116缓冲板绑带；117挡板绑带；

120缓冲板；

131挡板；132浮力调节结构；

141电伴热带；142电伴热带固定结构；

151连接耳板；152连接通孔；

160升降通孔；

170隔水板；

180导热板；

210固定环；220导向索；

300桥墩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考附图1和附图2，本发明提供的一种桥墩保护装置，包括能围住桥墩的防护套，所述防护套包括支撑骨架110、缓冲板120、挡板131、浮力机构和加热系统，所述缓冲板120固定于所述支撑骨架110内侧面，所述挡板131固定在所述支撑骨架110外侧面，且所述挡板131高度能阻挡外侧浮冰及上部水流，所述浮力机构固定在支撑骨架110上，浮力机构的浮力能保证防护套浮在水中，所述加热系统均固定在所述缓冲板120与所述挡板131之间。

实际使用时，挡板131将其内部的区域围住，使水面及水面以下的一段距离的水体相对静止，即通过挡板减小了装置内部水的流动，再采用加热系统对水进行加热，这样就能防止大量热量随水流动的散失，能很好地防止结冰对桥墩的危害，同时达到节省能源的作用，本文所指的上部水流是指桥墩300周围的水面及水面以下的一段距离的流动水体。同时本发明通过浮力机构的浮力作用可保证整个随水位的升降而升降，同时挡板131布置在桥墩的外围且与桥墩有一定距离，对流冰的撞击有一定的缓冲效果，能够减小流冰对桥墩300的撞击力。缓冲板120位于支撑骨架110内侧面，当浮冰撞击时也可以起到良好的缓冲作用。因为有的桥墩300呈圆台状，故支撑骨架110内侧面应具有与桥墩的桥墩300具有相同的倾斜度，方便装置在受到外力碰撞时，装置内侧与桥墩均匀接触。由于整个装置类似于一个套筒，本发明提供的装置的防冰方法也可以称为“轻型套筒法”。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述挡板131为EVA橡胶板，所述挡板131本身也为浮力机构。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，缓冲板120采用橡胶板，挡板131采用EVA橡胶板，EVA橡胶板具有轻质，浮力大，耐磨损等特性。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述支撑骨架110下部设有浮力调节结构132。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述浮力调节结构132包括，所述支撑骨架110下部可拆卸固定有若干层所述EVA橡胶板。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，浮力调节结构132为EVA橡胶层状板，浮力调节结构132固定于支撑骨架110下部空间，为整个系统提供主要的浮力，同时也起到一定的缓冲作用，通过对浮力调节结构132的EVA层状板的增减可实现装置的浮沉，直至将装置中最上面一排穿插电伴热带141停留在与水面齐平的位置。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，述加热系统包括固定在所述支撑骨架110上的电伴热带141，所述支撑骨架110上设有电伴热带固定结构142，所述电伴热带141通过所述电伴热带固定结构142穿插布置在所述支撑骨架110上。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，电伴热带固定结构142为焊接在支撑骨架110上的套环。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述防护套由若干块防护套体100拼接而成，所述防护套体100上还设有防护套体连接结构，所述防护套体连接结构包括在一个防护套体100上设置的连接耳板151和相邻的防护套体100上设置的连接通孔152，所述连接耳板151通过螺栓结构连接相邻的防护套体100。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述缓冲板120与所述加热系统之间还设有导热板180，导热板180用以防止加热系统烫坏缓冲板120。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架110上还设有隔水板170，所述隔水板170分别顶住缓冲板120和挡板130并将所述防护套分隔为若干区域。在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，所述隔水板170为铝合金板，沿所述防护套径向布置。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架110包括上骨架111、下骨架112和连接所述上骨架111与所述下骨架112的中间支撑113，所述上骨架111内侧设有用于固定所述挡板131的倒U形固定槽114，所述下骨架内侧设有用于固定所述挡板131的L形固定槽115，所述挡板131上部缠绕有挡板绑带117。所述挡板绑带117优选橡胶带。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，所述挡板131上端插入倒U形固定槽114内并用橡胶带（即挡板绑带117）缠绕一圈，防止挡板131上端脱槽；下端进入L形固定槽115内，同时下端使用防水性环氧树脂胶固定于L型固定槽上，并且使用橡胶绳绑扎在L形固定槽115上，防止挡板131下端脱槽。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，中间支撑113通过焊接将上骨架111与所述下骨架112连接固定，中间支撑113外侧面还设有铝合金板，铝合金板上焊接有套环，套环用于穿设固定加热系统，即前述的电伴热带固定结构142。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置，所述支撑骨架110包括上骨架111、下骨架112和连接所述上骨架111与所述下骨架112的中间支撑113，所述缓冲板120通过绕过所述上骨架111和所述下骨架112的缓冲板绑带116固定在所述支撑骨架110上。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，当装置在受到外部冰层撞击力时候，缓冲板120起到缓冲作用，缓冲板120的厚度要大于用于固定缓冲板120的L形固定槽115翼缘的宽度，缓冲板120上端固定于上部的L形固定槽115上，下端使用橡胶绳绑扎于下部的L形固定槽115上并且使用防水性环氧树脂类粘结剂粘结于L形固定槽115上；每隔一段距离在橡胶板外部使用缓冲板绑带116将其固定于支撑骨架110上。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，还包括能使所述防护套复位的复位机构。

进一步地，前述的一种桥墩保护装置中，所述复位机构包括两个固定环210和若干导向索220，两个所述固定环210均固定在桥墩300上且分别位于所述防护套体100上方和下方，所述支撑骨架110上设有能使所述导向索220穿过并滑动的升降通孔160，所述导向索220穿过所述升降通孔160且所述导向索220的两端分别固定在所述固定环210上。

在本发明提供的一种桥墩保护装置的一种实施例中，桥墩300本身呈不等径圆柱状，将固定环210的直径设计成所对应的桥墩300部位的直径，使用吊钩可将固定环210放置于于预设位置并且在桥墩300水面以上一定距离位置也固定相应的固定环210，利用这一特性，将导向索220通过升降通孔160，一端绑扎于上方的固定环210，一端绑扎于下方的固定环210，并且使导向索220处于微绷紧状态。固定环210优选钢筋环，为便于安装，可以设置为通过钢筋套筒连接的两条半圆钢筋。导向索220可以是橡胶绳、钢绞线、铁链，优选橡胶绳。

使用复位系统有以下四个优点。一是可以使装置在受到流冰撞击后或者风力作用后能恢复到原来的状态；二是可防止装置围绕桥墩的过度扭转，造成装置内部的电伴热带141与外部电伴热带141的电源接口损坏；三是在枯水期，装置可落于下固定环210上面，避免没有任何措施导致装置在枯水期的损坏，等到水面上涨，装置可再次恢复到正常工作状态；四是保证装置在没有外力撞击作用下，装置内侧和桥墩300保持一定的距离，防止装置在没有复位系统的情况下，装置一侧紧靠桥墩，随水位的波动，过度磨损装置内侧的缓冲板120。

本发明提供的前述的桥墩保护装置的施工方法，包括制作支撑骨架110的步骤、安装加热系统的步骤、安装缓冲板120、挡板131和浮力机构的步骤、安装防护套的步骤和加热系统连接的步骤。

进一步地，前述的桥墩保护装置的施工方法，包括前述的复位系统的安装步骤：

步骤一，在桥墩300上安装固定环210的固定件；

步骤二，安装固定环210；

步骤三，安装防护套；

步骤四，将导向索220一端固定在一个固定环210上，并将导向索220另一端穿过防护套体100的升降通孔160后固定在另一个固定环210上。

实施例1：

某高寒地区的桥墩整个桥墩300高度为10.57m，桥帽高度为2.2m，桥墩300为不等径圆柱体，上部截面（即桥帽下部）直径为3.3m，桥墩300底部截面直径为4.357m，桥墩300具有20：1的倾斜度，水面处的冰冻层厚度为0.5米，并且常水位层距离桥墩300底部8.0米。该地区桥墩遭到破坏的主要原因是冰排对桥墩300的挤压力、孤立流冰的撞击力。根据当地具体情况，设计出的一种可升降的防治桥墩冰冻层挤压和流冰撞击的保护装置，该装置具体加工工艺如下，防护套高1米，上骨架111内径5.09米，下骨架112内径5.03米，上骨架111和下骨架112均为铝合金骨架，上骨架111和下骨架112均有一定数量直径为2cm的升降通孔160，并且上下的升降通孔160均对齐，防护套等分为八个防护套体100，通过对固定在上骨架111和下骨架112上的连接耳板151对接拼接成整体再使用螺栓进行固定。支撑骨架内侧竖向具有20:1的倾斜度。电伴热带141采用上下平行式穿插于电伴热带固定结构142中，电伴热带固定结构142是焊接在中间支撑113上的套环，电伴热带141接头通过上骨架111的升降通孔160连接于外部的配电箱，或者连接于相邻防护套体100的电伴热带141的接头，电伴热带141总长度经计算大约需要110米。挡板131采用EVA橡胶板，厚度取5cm～7cm左右为宜，厚度过大会影响电伴热带的散热效果。对组装好的装置进行初步试水试验，通过对下骨架112下面的浮力调节结构132即EVA橡胶层状板，进行增减达到使支撑骨架110上部露出水面30cm左右的状态。在复位系统中将下方的固定环210放置于水下，固定环210为通过套筒连接的钢筋环，固定环210固定于桥墩300相应位置，如果放置的固定环210出现不平稳偏差，即不与桥墩300外圆周重合，可通过带挂钩的绳子进行纠偏；下方的固定环210上绑扎有导向索220，导向索220为橡胶绳，橡胶绳通过上骨架111和下骨架112上的升降通孔160后分别绑扎固定于上方的固定环210上面。与传统人工破冰法相比，此种装置在投入使用后，不仅能节省大量人力，而且能大大降低事故发生的可能性。

本实施例所述的装置中的铝合金板经过防锈蚀处理，装置可分解成多个圆弧状结构，各个部分结构通过相互的连接螺栓板连接成一个整体，避免装置过大造成现场操作不便。本实施例所述的装置内部的电伴热带采用合金加热丝，输出功率根据温度的增高而下降，运行过程中损耗小、耗电量小，并且所述伴热带外围包裹的加强套具有很好的防水效果和耐久性。本实施例所述的装置通过伴热带的加热效果使得桥墩周边冰层融化，进而避免了冰冻层处产生的挤压力对桥墩300的剪切破坏，并且消除了冻融循环对桥墩300冰冻层处混凝土产生的破坏。

实施例2：

某高寒地区的桥墩整个桥墩300高度为10.57m，桥帽高度为2.2m，桥墩300为不等径圆柱体，上部截面（即桥帽下部）直径为3.3m，桥墩300底部截面直径为4.357m，桥墩300具有20：1的倾斜度，水面处的冰冻层厚度为0.5米，并且常水位层距离桥墩300底部8.0米。

首先，根据桥墩300的施工图纸及水面的设计水位确定本发明装置的尺寸。

然后，制作支撑骨架110：中间支撑113采用轻型中空套筒结构，轻型中空套筒采用工厂预制成型的方法，对钢套筒进行防锈处理，或者选用不锈钢材料，具体加工工艺如下，钢套筒高1米；顶部上骨架111与下骨架112均为铝合金骨架，上骨架111内径5.09米，下骨架112内径5.03米，上骨架111与下骨架112均有一定数量的直径为2cm的贯穿孔洞（即升降通孔160），并且上下孔洞均对齐，钢套筒通过焊接的方式与上骨架111和下骨架112连接。防护套均等分为八部分，可以通过对固定在骨架上面的连接耳板151对接的方式拼接成整体，连接耳板151是分别在上骨架111与下骨架112一端上均焊接的有带螺栓孔的焊接钢板，连接耳板151侧相邻的上骨架111与下骨架112对应位置具有连接通孔152，两部分拼接之后，使用螺栓进行固定即可。需要注意的是，如果中间支撑113内侧面为了贴合桥墩300而设置一定的倾斜度时，中间支撑113外侧面无需设置倾斜度。

接着，安装加热系统，通过在宽度为4cm左右的铝合金板上面焊接套环的方式制成电伴热带固定结构142，用于固定电伴热带141，铝合金板通过焊接的方式固定于上骨架111和下骨架112，由于电伴热带141宽度一般在1.5cm左右，故焊接套环的规格取纵向宽度4cm即可满足使用要求。电伴热带141采用上下平行式穿插于焊接套环中。接头处通过上骨架111上的升降通孔160或为通过电伴热带141专设的通孔穿出。

接着，安装挡板131和浮力调节结构132，挡板131采用EVA橡胶垫，EVA橡胶垫常用于人们在水上的休息与娱乐，具有轻质，浮力大，耐磨损等特性。EVA橡胶垫应用广泛，EVA橡胶板通过套筒外围的U型槽安置于套筒外围，并且在倒U形固定槽114处围绕套筒对橡胶板包裹一层橡胶带对其起到二次固定的作用。EVA橡胶板厚度取5～7cm左右为宜，厚度过高影响电伴热带的散热效果。为了进一步保证套筒能达到理想漂浮位置，对下骨架112下部空间进行EVA层状橡胶板的填充形成浮力调节结构132，填充所采用的橡胶板可采用层状橡胶板粘结成整体式，方便接连下来的调试；将EVA橡胶板按照下骨架112下部的空间形状进行裁剪，将裁剪好的橡胶板放置于下铝合金板下部。对安装挡板131和后的装置进行初步试水试验，通过对下骨架112下面的层状橡胶板进行增减达到防护套上部露出水面30cm左右即可。

接着，安装缓冲板120，防护套靠近内侧面的一圈焊接有薄铝合金板（即导热板180），用于固定以及稳定防护套，防护套上部以及下部均设有上L形固定槽115，L形固定槽115用于固定缓冲板120，缓冲板120为EVA橡胶板，厚度约为5cm，用于缓冲套筒与桥墩300的挤压。L形固定槽115突出的翼缘部分的长2～3cm，小于缓冲板120厚度；缓冲板120通过绕过上骨架111和下骨架112的缓冲板绑带116固定在所述支撑骨架110上，并且缓冲板120底部绑扎于下部的L形固定槽115上。

接着，安装固定环210，为了防止防护套在水流和风力的作用下造成套筒的过度扭转对电伴热带在外部接口处的损坏，和防护套偏于桥墩300一侧造成的套筒橡胶层和桥墩300随水位起伏的波动造成的磨损，以及枯水期套筒的安置办法，采用弹性橡胶绳对套筒的漂浮位置进行进一步的固定，首先在桥墩300加固层顶部和桥墩300橡胶包裹层的下部分别使用角钢固定一个钢筋环（即固定环210），钢筋环套于桥墩300上，钢筋环的直径为4.7米，经计算距桥墩300加固层底部3.5米桥墩300直径为4.7米，将钢筋环放置于水下，钢筋环会固定于桥墩300相应位置，如果出现偏差，可通过挂钩进行纠偏。

接着，安装防护套整体安装，通过对固定在骨架上面的连接耳板151对接的方式拼接成整体。

接着，加热系统连接，电伴热带141接头处通过上骨架111上的升降通孔160或为通过电伴热带141专设的通孔连接于外部的配电箱，或者连接于另一部分套筒中电伴热带的接头，本方案中电伴热带141总长度经计算大约需要110米，为了施工时在焊接套环中穿插电伴热带141方便以及后期投入使用工程中检修方便，电伴热带141采用每段长度60米左右需对配电箱进行一次连接。

最后，在钢筋环上绑扎设橡胶绳（即导向索220），橡胶绳一端固定在一个钢筋环上，另一端通过上骨架111和下骨架112上的升降通孔160后绑扎固定于另一个钢筋环上，这样套筒在受到较小外力的作用下也能在桥墩300正中间，并且防止套筒的过度扭转损坏电伴热带与外界的接口。

方案可行性评估：

套筒浮力计算：对套筒浮力进行计算，选其中一个分套筒作为研究对象计算各部分组件的重量：

上铝合金骨架7.5kg；

下铝合金骨架5kg；

支架3*3kg=9kg；

薄铝合金板3*2kg=6kg；

带焊接套环的铝合金板4*2kg=8kg；

连接螺栓板6kg；

上下L型槽和U型槽8kg；

单个分套筒重量共计50kg；

对套筒上EVA橡胶板提供的浮力进行计算：

铝合金板下部层状EVA板的最大排水质量为0.2*0.15*2*1000=60kg；

套筒外部的EVA板最大排水质量为0.05*0.6*2*1000=60kg

总共排水质量为60+60=120kg＞套筒重量50kg

故本方案可靠性较高。

融冰效果：电伴热带141处于四周被套筒支架与橡胶板包裹的状态，故套筒中的水几乎处于静止状态，电伴热带141直接作用于这部分水，同时对套筒外部附近的水也进行加热，防止水面处结冰状态；

成本计算：对一个桥墩加固原材料造价进行预算，本方案出于对造价成本的考虑选用了“轻型套筒法”，钢套筒采用工厂预制轻型抗压中空套筒，造价为2万元左右，电伴热带141规格采用25w每米，总长度为110米，电伴热带每米10元，工序1100元，电伴热带141的特点是初始状态下为25w全功率工作，随着电伴热带141的温度不断地增加功率也随之下降，电伴热带141稳定工作的功率取15w/m，一天的耗电量为39.6度电，一个月耗电量为3564度电；

将本方案与鼓风机扰动水面法进行对比，桥墩300周长为14米，鼓风机通过缠绕在桥墩300一周的通风管道对水面进行吹风扰动，鼓风机功率为2.5kw，3个月耗电量为5400度电；耗电量要远大于电伴热带141的耗电量。当冬季出现断电突发情况时，采用鼓风机对水面吹风的方法，对已经冻结在桥墩300上面的冰冻层无能为力，需进行人工除冰，耗费人力；而采用本方案的电伴热带可将冰冻层再次融化开，自主性较好；故本方案相对于吹风扰动水面法更加经济实用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。