一种山区桥墩防滚石碰撞装置及其施工方法与流程

技术领域：

本发明涉及桥梁桥墩的保护技术，尤其涉及一种山区桥墩防滚石碰撞装置及其施工方法。

背景技术：
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桥墩是桥梁工程中的重点部位及薄弱环节，在交通工程运营期间需要重点保护。位于高山峡谷地区的桥梁经常受到各种地质灾害的威胁，包括崩塌滚石、泥石流等，这些地质灾害可能导致桥墩产生损伤与破坏。

滚石是指个别块石因某种原因从边坡和陡崖表面失稳后，经下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式最终到达静止状态的过程，当滚石运动范围内有工程设施并引起一定的损失时，就构成了滚石灾害。如2009年7月25日，岷江右岸山体高位(落差达500m)危岩发生大面积崩塌，崩塌体总体积超过10000立方米，巨石沿陡坡滚落而下直接撞击彻底关大桥8^#桥墩，使8^#桥墩瞬间折断，导致第8、9跨共长60m的梁体落梁，第10、11跨梁体受牵引向映秀方向滑移26cm，第11桥台处伸缩缝损坏，滚石灾害导致3人死亡，12人受伤，7辆车辆损毁。可见，有必要发展桥梁桥墩的抗滚石冲击装置。

中国专利授权公告号cn103790124b公布了一种桥墩柔性防落石碰撞装置，该装置包括若干钢板条、防阻块、前立柱、后立柱、立柱锚固装置、基座，通过波纹状钢板条的变形屈服吸收消耗能量，在波纹状钢板条在遭到碰撞变形之后可进行局部更换修复。该专利的局限性在于：所提装置属于“正面迎敌”方法，迫使运动中的滚石最终变为静止状态，防护装置需承受非常大的冲击能量，其尺寸与强度应足够大，否则难以有效阻挡滚石的袭击；在质量较大、速度较快的滚石袭击下，所提波纹状钢板条的防护能力有限，容易发生损坏而需经常性更换；需经常清理基座前方的岩土体堆积物，否则影响后续防撞功能的发挥。

本发明拟解决的技术问题为：设计一种山区桥墩防滚石碰撞装置，一方面其能对桥墩进行有效保护，另一方面其构型设计适应滚石碰撞的力学与能量传递特征，使其本身受到的冲击能量相对较小，从而使装置的材料尺寸相对传统设计方案更为经济合理。

技术实现要素：
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为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种山区桥墩防滚石碰撞装置及其施工方法，其结构简单、防护能力强，为山区桥梁桥墩的抗滚石碰撞提供一种可靠的保护装置。

本发明的技术方案如下：

山区桥墩防滚石碰撞装置，修建在拟保护桥墩旁迎滚石面的倾斜山体上，其特征在于，所述的山体倾斜面上安装有三排呈箭头状分布的基座，每个基座上均安装有竖直向上的立柱，两侧的立柱迎滚石面自下至上设有多根间隔设置的连接板，两侧立柱中部分相对应位置的立柱顶部安装有横撑，中间立柱与两侧部分相对应位置的立柱之间设有斜撑。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述的连接板采用条形钢板，多根条形钢板对称焊接在两侧各立柱的迎滚石面，连接板与倾斜山体地表相互平行。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述连接板的长度与厚度组成的平面与立柱侧面相互焊接。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述的基座由钢筋混凝土浇筑而成，基座内均匀、对称的预埋锚固螺栓，锚固螺栓的数量与位置与立柱底端法兰盘上的螺栓孔的数量与位置相互匹配。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述的两侧各立柱的背滚石面一侧安装有铁丝网。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述的横撑和斜撑数量均不少于两道。

所述的山区桥墩防滚石碰撞装置，其特征在于，所述的三排呈箭头状分布的基座其中两侧基座连线的夹角不大于90º。

一种山区桥墩防滚石碰撞装置的施工方法，包括如下步骤：

1）、设计与制作各构件：

根据拟防护桥墩的位置及山体滚石袭击方向，设计防滚石碰撞装置两翼的走向及各基座的具体位置，确定立柱的高度及连接板、横撑、斜撑的长度，并制作相应构件，供现场施工使用；

2）、浇筑基座：

对陡峭山体上各基座的地基进行处理，开挖基础埋深范围内土体后，进行植筋预埋工作，然后搭设模板与布置钢筋，预埋锚固螺栓，再进行基座的混凝土浇筑与养护；

3）、安装立柱：

把各立柱底端法兰盘上的螺栓孔套入与之匹配的锚固螺栓，并用螺母进行固定，使各立柱呈铅垂、竖直状态，完成各立柱的安装工作；

4）、焊接连接板：

把各连接板均匀的焊接在立柱的迎滚石面，且使连接板的长度与厚度组成的平面与立柱侧面相互焊接；

5）、焊接横撑与斜撑：

根据设计方案，在两翼相同位置处的立柱之间设置多个横撑与斜撑，使防护装置形成稳定的结构体系；

6）、安装铁丝网：

在各立柱的背滚石面一侧安装铁丝网，兜住、拦截体积较小的碎石、块石，确保防滚石装置下方桥墩的安全；并对立柱、连接板、横撑、斜撑、铁丝网等表面进行防锈处理，即完成防护装置的施工作业。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明不采纳“正面迎敌”设计方法而采用“宜疏不宜堵”的防护思路，迫使滚石改变运动轨迹远离桥墩，而不是使滚石变为静止状态，这一方面使防护装置不会受到太大的能量冲击，另一方面又达到了保护桥墩的目的，故防护装置的材料尺寸无需太大，所用材料相对较少、造价较低；

2、本发明其箭头状构型布置使得沿滚石冲击方向的整体刚度最大，其采用多道横撑与斜撑进行加固，整体稳定性高；

3、本发明滚石与装置发生碰撞时，滚石仅与连接板厚度方向的侧面接触，该方向连接板的刚度最大、接触面积最小，使滚石容易发生破碎与分解，从而有效化解、分散滚石的冲击能量。

4、已有技术中立柱多呈倾斜状态，即立柱不处于铅垂、竖直状态，该做法导致滚石与防护装置的撞击力、碰撞能量较大；本发明立柱处于铅垂、竖直状态，即装置整体处于铅垂、竖直状态，滚石与所提防滚石装置的碰撞能量、撞击力相对较小，从而对提高装置的整体稳定性有利。

附图说明：

图1为本发明的防滚石碰撞装置结构示意图。

图2为本发明的防滚石碰撞装置主视图。

图3为本发明的防滚石碰撞装置俯视图。

图4为本发明的防滚石碰撞装置从山顶俯视图。

图5为本发明的防滚石碰撞装置从山脚仰视图。

图6为本发明的防滚石碰撞装置三维示意图。

图7为本发明的基座与立柱连接示意图。

图8为本发明的立柱与连接板连接主视图。

图9为本发明的立柱与连接板连接三维示意图。

图10为本发明的铁丝网安装示意图。

图11为本发明的基座施工完毕示意图。

图12为本发明的立柱安装完毕示意图。

图13为本发明的连接板安装完毕示意图。

图14为本发明的横撑与斜撑安装完毕示意图。

图15为本发明的铁丝网安装完毕示意图。

附图标记说明：1、承台；2、桥墩；3、山体；4、基座；5、立柱；6、横撑；7、连接板；8、斜撑；9、铁丝网；10、法兰盘；11、锚固螺栓。图中箭头方向为：滚石袭击方向。

具体实施方式：

参见附图：

一种山区桥墩防滚石碰撞装置，包括基座4、立柱5、横撑6、连接板7与斜撑8，立柱5底端的法兰盘10套在基座4上的锚固螺栓11并用螺母固定，多排连接板7焊接在各立柱5的迎滚石面，防滚石碰撞装置整体呈箭头状对称分布，各立柱5呈铅垂、竖直状态；对称两侧的立柱5之间共设置多道横撑6与斜撑8；滚石来袭时与两侧发生非垂直性、倾斜碰撞，碰撞后滚石运动轨迹发生改变且避开拟保护桥墩位置继续向下游运动，如图1所示。

本发明位于拟防护桥墩2旁的倾斜山体3上，拟防护桥墩2应位于所提防滚石碰撞装置的保护范围之内，整体呈对称结构，使滚石从山体任何方向滑落均无法达到拟防护桥墩2的位置，如图2~图6所示。

一般地，山区桥墩可能遭受滚石袭击的方位可根据地形地势进行综合判断，最终可确定一个或多个滚石袭击的潜在方向；由于防滚石碰撞装置对滚石的遮挡作用，使得防滚石碰撞装置后方形成一个保护区域，拟防护桥墩2位于这个保护区域内部。

所述的基座4由钢筋混凝土浇筑而成，基座4内均匀、对称的预埋锚固螺栓11，锚固螺栓11的数量与位置与立柱5底端法兰盘10上的螺栓孔的数量与位置相互匹配，如图7所示。法兰盘10上的螺栓孔的孔径应大于预埋锚固螺栓11的直径。

为了提高基座4的承载力与稳定性，可在基座4中设置植筋与锚杆，使基座4与山体3之间紧密相连。基座4的承载力与稳定性，应满足复杂工况下各类组合荷载作用下的强度与稳定性要求。由于斜撑8长度相对较大，故需单独设立基座4供斜撑8使用，如图3与图5所示。

连接板7焊接在各立柱5的迎滚石面，连接板7与倾斜山体地表相互平行，连接板7的长度与厚度组成的平面与立柱5侧面相互焊接，如图8、如9所示。

因山体表面呈倾斜状，导致各基座4及立柱5的标高均不相同，但各基座4及立柱5基本与山体表面平行分布。故连接板7也与倾斜山体地表相互平行，这样防护装置的整体性与对称性最佳。连接板7的长度与厚度组成的平面与立柱5侧面相互焊接，即使连接板7的侧面与立柱5相互焊接，滚石仅与连接板厚度方向的侧面接触，该方向连接板的刚度最大，且接触面积最小，使滚石容易发生破碎与分解，从而有效化解、分散滚石的冲击能量。

由于连接板7的侧面与立柱5相互接触面积较小，故需在连接板7的焊接位置处挖去一定区域形成弧形面，这样连接板7与立柱5之间的焊接面积大，整体强度高，使连接板7能承受较大能量的滚石冲击，如图9所示。

所述的防滚石碰撞装置沿滚石袭击方向呈箭头状对称分布，两翼向滚石袭击方向的下游倾斜，两翼相同位置处的立柱5之间设置多个横撑6与斜撑8，如图5与图6所示。箭头状构型布置使得沿滚石冲击方向的整体刚度最大，且采用多道横撑6与斜撑8进行加固，整体稳定性高。

本发明呈箭头状分布，两翼向滚石袭击方向的下游倾斜，使得装置不与滚石“正面冲突”，防护装置仅约束、改变滚石的方向，使其远离装置后方的拟防护桥墩2。滚石同与其运动方向倾斜相交的防护装置上的连接板7发生碰撞后，其运动方向发生改变，沿着避开防护装置的随机方向向下游继续运动。防护装置的作用并不是使滚石达到静止状态，故其受到的冲击能量不大。

铁丝网9安装在立柱背滚石面一侧，其不与运动中的滚石直接接触，但能兜住、拦截体积较小的碎石、块石，确保防滚石装置下方桥墩的安全。铁丝网9的安装如图10所示。

优选地，所述的防滚石碰撞装置至少设置两道横撑6。

优选地，所述的防滚石碰撞装置至少设置两道斜撑8。

优选地，所述的防滚石碰撞装置两翼的夹角不大于90º。

一种山区桥墩防滚石碰撞装置的施工方法，详细描述如下：

1）、设计与制作各构件：

根据拟防护桥墩的位置及山体滚石袭击方向，设计防滚石碰撞装置两翼的走向及各基座4的具体位置，确定立柱5的高度及连接板7、横撑6、斜撑8的长度，并制作相应构件，供现场施工使用。

应合理设计相邻立柱5之间的间距，使得各处的连接板7在复杂工况下滚石的运动冲击作用下而不发生明显变形。必要时可增加其它辅助措施，提高装置的整体稳定性。

2）、浇筑基座：

对陡峭山体3上各基座4的地基进行处理，开挖基础埋深范围内土体后，进行植筋预埋工作，然后搭设模板与布置钢筋，预埋锚固螺栓11，再进行基座4的混凝土浇筑与养护，如图11所示。

各侧基座4上锚固螺栓11的中心位置应在同一直线上，使后续安装的立柱5的侧面在同一直线上，才能确保连接板7与两翼的立柱5紧密焊接成整体。为了提高基座4的承载力与稳定性，可在基座4中设置植筋与锚杆，使基座4与山体3之间紧密相连。

3）、安装立柱：

把各立柱5底端法兰10上的螺栓孔套入与之匹配的锚固螺栓11，并用螺母进行固定，完成各立柱的安装工作，如图12所示。

立柱5安装完成后，各侧立柱5的竖向中心轴线应在同一平面上。

4）、焊接连接板：

把各连接板7均匀的焊接在立柱5的迎滚石面，且使连接板7的长度与厚度组成的平面与立柱5侧面相互焊接，如图13所示。

各连接板7相互平行分布，各相邻连接板7之间的间距相等且不应过大。连接板7的侧面供滚石撞击，此方位连接板7的刚度最大，抗冲击能力最强。

5）、焊接横撑与斜撑：

根据设计方案，在两翼相同位置处的立柱5之间设置多个横撑6与斜撑8，使防护装置形成稳定的结构体系，如图14所示。

横撑6与斜撑8使装置内部形成多个三角形稳定体系，有效维护整体的稳定性，提高抗滚石撞击能力。

6）、安装铁丝网：

在各立柱5的背滚石面一侧安装铁丝网9，兜住、拦截体积较小的碎石、块石，确保防滚石装置下方桥墩的安全，如图15所示。并对立柱、连接板、横撑、斜撑、铁丝网等表面进行防锈处理，即完成防护装置的施工作业。

铁丝网9安装在各立柱5的背滚石面，其不会受到滚石的直接撞击，故其强度不需太大。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。