一种分层梯度负泊松比蜂窝填充桥墩防撞装置的制作方法

本发明涉及桥墩撞击防护技术领域，具体地说是一种以分层梯度负泊松比蜂窝填充材料为芯层的桥墩防撞夹芯结构。其中分层梯度负泊松比蜂窝填充夹芯层由内凹正六边形负泊松比蜂窝，泡沫混凝土填充物以及蜂窝之间的环氧树脂胶组成。

背景技术：

随着城市化的快速发展，城区人口数量急剧增加，为缓解城区的交通压力并为市民提供更加舒适的交通环境，城市中的高架桥和过街天桥数量也在快速增加。这些城市基础设施在缓解交通压力的同时也带来了一些安全隐患。近些年来车辆撞击桥墩的事故不断增加，车桥相撞事故不但造成公共财产损失和交通拥堵，而且给人的生命安全带来了极大的威胁。

由于城市区域行驶的车辆以小型私家车和公共交通车辆为主，其特点是车速较慢且车体质量较小，在撞击时产生的撞击力和撞击能量均较小。目前，大多数城市桥梁不采用防撞装置或采用外包水泥隔离墩等刚性防撞装置，对桥墩进行刚性防护后，将进一步增大其刚度，虽有利于保护桥墩，但会对撞击车辆和驾驶人员造成更大的损伤。复合材料夹层结构应用于桥墩抗撞时具备占地面积小、降低撞击力峰值、吸收撞击能量、既能保护桥墩又降低车辆损伤等优点，成为设计桥墩防撞装置时可选择的一种新型柔性防护结构，并已在桥梁防护中应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对上述存在的因防撞结构刚度过大而造成在撞击过程中车辆损伤严重和防撞装置能量吸收不易控制等问题，提出了一种分层梯度负泊松比蜂窝填充夹芯结构防撞装置。将该防撞装置包裹在桥墩表面，可显著降低传递到桥墩上的撞击能量，减小作用在桥墩和车体上的撞击力初始峰值，同时保护车辆和桥墩的安全。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分层梯度负泊松比蜂窝填充桥墩防撞装置，包括包裹在钢筋混凝土桥墩外表面的钢板内防撞层、中间的缓冲吸能夹芯层和外层的钢迎撞面板。缓冲吸能夹芯层由泡沫混凝土材料和内凹六边形负泊松比蜂窝骨架组成；泡沫混凝土材料填充在内凹六边形负泊松比蜂窝骨架中。

上述方案中，钢板内防撞层、缓冲吸能夹芯层和钢迎撞面板之间通过环氧树脂胶粘接成整体后，断面结构为环状，为了使其实现工业化制作、便于运输和施工，该整体分为三块三分之一圆环拼接而成，并在缓冲吸能夹芯层、钢板内防撞层和钢迎撞面板中分别预留螺栓孔以便与各组件连接。通过“工字型”连接夹扣将内层防撞面板和外层迎撞面板连接为一个整体，“工字型”连接夹扣的螺杆穿过中间的泡沫混凝土填充负泊松比蜂窝梯度缓冲吸能芯层，在受到撞击荷载作用时能够共同发挥作用，螺杆两端通过螺母固定。该防撞结构通过改变“工字型”连接夹扣的高度、厚度和宽度，适用于不同工况。该“工字型”连接夹扣由高强度钢材制成。

上述方案中，分层梯度负泊松比蜂窝填充结构芯层是该防撞装置最主要的缓冲吸能部件，该防撞芯层以环状内凹六边形负泊松比蜂窝骨架为主体结构，该内凹六边形负泊松比蜂窝骨架的内径和外径根据内外防撞层和钢筋混凝土桥墩的尺寸确定。内凹六边形负泊松比蜂窝骨架由多个内凹六边形阵列胞元组成，通过设计使负泊松比蜂窝芯骨架在保持内部胞元完整性的前提下与外层迎撞面板和钢板内防撞层紧密贴合，共同抵抗车辆撞击。该负泊松比蜂窝具有易制作成型，应力扩散能力强，剪切模量高和能量吸收能力强等优点。当该负泊松比蜂窝骨架受到冲击荷载作用时，由于特殊的蜂窝构型，蜂窝骨架将实现内凹的变形模式，蜂窝材料向撞击荷载作用点处集中，提高被撞击点的压痕阻力，并使撞击力实现较好的应力扩散，减少撞击对桥墩产生的局部损伤。

上述方案中，缓冲吸能芯层的分层梯度通过负泊松比蜂窝骨架胞壁厚度梯度，负泊松比蜂窝骨架胞元高度梯度或泡沫混凝土填充物密度梯度等多种形式来实现。与均匀的蜂窝结构相比，功能分层梯度蜂窝结构能够更好的降低初始撞击力峰值，控制能量吸收过程，提高防撞装置的抗冲击性能及能量吸收效率。

上述方案中，负泊松比蜂窝骨架采用铝合金板制作而成，其由负泊松比蜂窝内层背板、负泊松比蜂窝外层表板，以及两者之间的负泊松比蜂窝内凹折板组成。在制作时，首先根据钢筋混凝土桥墩尺寸和应用环境设计各部件的尺寸，通过机加工制作不同形状和不同厚度的上述三种芯层部件；然后按照设计要求使用环氧树脂胶粘剂将芯层内侧背板，中间层内凹折板和芯层外侧表板按照设计图纸进行粘贴，待胶水固化之后即可制成负泊松比蜂窝骨架。

上述方案中，单独负泊松比蜂窝骨架的刚度和承载力较低，在撞击荷载作用时能量吸收不易控制，在蜂窝骨架中填充泡沫混凝土多孔材料显著提高该防撞结构的耐撞性能并能对其进行优化设计。泡沫混凝土填充材料具有易浇筑成型，施工方便，造价低，节能环保，吸能效率较高等优点，可以通过控制泡沫掺入量来调节泡沫混凝土填充物的密度，泡沫混凝土易于实现填充物密度梯度。

上述方案中，泡沫混凝土密度梯度负泊松比蜂窝填充夹芯层能够更好的表现出梯度效应且更易于制作。在制作过程中，首先按照配合比混合水泥、水和外加剂制成水泥浆，根据预设密度添加泡沫制成泡沫混凝土浆体，然后将其按照密度梯度依次浇筑到负泊松比蜂窝骨架中并振捣均匀，经过预定龄期的养护，待泡沫混凝土凝结硬化后即可制成分层梯度负泊松比蜂窝填充夹芯层。

上述方案中，分层梯度负泊松比蜂窝填充夹芯层可通过工厂预制直接应用到实际工程中亦可现场浇筑。在制作过程中，若需缩短制作周期，加快生产速率，采用快硬硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥来制作泡沫混凝土。

上述方案中，为提高该装置的防腐能力和耐久性，可在迎撞面板外表面喷涂一层聚脲弹性材料，喷涂后可提高该装置的延性和能量吸收能力。

上述方案中，该防撞装置可预制生产，在该防撞装置遭受车辆撞击荷载损毁后，可立即更换新的防撞装置，该装置更换方便快捷，能够显著降低桥墩维修对交通造成的不利影响。此外，本装置占据的路面面积较小，更适用于交通繁忙的城市区域。

总体来说本发明具有以下优点：

(1)该发明将分层梯度负泊松比蜂窝填充结构作为缓冲吸能层，负泊松比蜂窝骨架及其内部填充的泡沫混凝土能够协同作用，共同抵抗撞击力，吸收撞击能量。一方面，在蜂窝中填充泡沫混凝土能够显著增强其刚度和承载力，避免蜂窝骨架在受到冲击荷载作用时产生过早的屈服和破坏；另一方面，负泊松比蜂窝可以约束内部泡沫混凝土的变形，避免泡沫混凝土在撞击荷载作用下发生飞溅或者结构性脆断，使整体结构呈现出内凹的变形模式。

(2)该发明的芯层材料是分层梯度负泊松比蜂窝填充结构，可通过调整泡沫混凝土密度和蜂窝规格来改善该防撞装置的吸能能力，以适用于不同的工况。该结构还可以通过改变梯度系数和梯度类型来优化撞击力传递过程，提高其防护性能。

(3)该防撞装置由刚度较大的内外防撞层和刚度较小的分层梯度蜂窝填充结构组成，能够做到刚柔并济。在撞击荷载作用下，迎撞面板首先产生弹塑性变形，吸收部分撞击能量并将荷载较均匀的传递至分层梯度蜂窝填充夹芯层；芯层通过泡沫混凝土脆性破坏和蜂窝骨架弹塑性变形吸收撞击能量，降低传递至背板防撞层的初始峰值力；最终荷载由背板防撞层传递至桥墩。该防撞装置可同时减轻撞击荷载对车辆和桥墩造成的损伤。

(4)该防护装置具有质量轻，更换方便，可设计性强，吸能效率高等优点。而且该防撞装置占据较小的道路面积，对道路设计和城市交通的影响较小。

附图说明

图1为本发明中的分层梯度芯层与普通均质芯层在撞击荷载作用下理想的应力应变曲线。

图2为本发明的桥墩防撞负泊松比填充芯层受到撞击荷载作用时材料流动方向。

图3(a)为胞壁厚度梯度形式的负泊松比蜂窝填充夹芯层示意图。

图3(b)为泡沫混凝土密度梯度形式的负泊松比蜂窝填充夹芯层示意图。

图3(c)为泡沫混凝土分层密度梯度形式的负泊松比蜂窝填充夹芯层示意图。

图4为本发明的负泊松比蜂窝骨架拼接示意图。

图5(a)为本发明的桥墩防撞装置拼接示意图。

图5(b)为本发明的“工字型”连接件大样图。

图6为本发明的整体结构图。

在所有附图中，相同的部件标号表示相同的构件或材料，其中1为钢筋混凝土桥墩，2为内防撞层，3为缓冲吸能夹芯层，4为外层迎撞面板，31为泡沫混凝土材料，32为内凹六边形负泊松比蜂窝骨架，321为负泊松比蜂窝内层背板，322为负泊松比蜂窝内凹折板，323为负泊松比蜂窝外层表板，51为“工字型”夹扣，52为螺杆，53为螺母。

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说明。

本发明为一种桥墩防撞装置，其主要由钢板内防撞层，分层梯度泡沫混凝土填充蜂窝夹芯层，外层迎撞面板，防撞装置各部件之间的“工字型”连接件以及连接螺栓组成，其中夹芯层由内凹六边形负泊松比蜂窝骨架及其内部泡沫混凝土填充物组成。

上述方案中，泡沫混凝土分层密度梯度蜂窝芯防撞装置可根据以下步骤进行设计，制作和安装：

步骤1：根据桥墩的尺寸和工况选择梯度系数，内外防撞面板和芯层厚度。通过芯层厚度确定蜂窝骨架层数，沿周向胞元个数和胞元折角等与负泊松比蜂窝骨架相关的参数，然后按照以下方法计算蜂窝骨架和“工字型”夹扣的尺寸。

假设本结构外层迎撞面板厚度设计为t1内径为d1，内防撞层厚度设计为t2内径为d2，胞元层数为n，则单个胞元沿面内方向的高度表达式为：

设已知内凹六边形蜂窝的夹角为各层蜂窝沿周向有m组胞元，设第i层胞元的底边长为l1i，顶边长为l2i，由于胞元尺寸具有连续性，则上层胞元的底边长度与下层胞元的顶边长度相同，即l1(i+1)＝l2i，则第i层胞元的底边长为

，其中

由上述可知，可通过确定内外层防撞面板参数d1，t1，d2，t2和蜂窝骨架层数n，沿周向胞元个数m和胞元折角即可大致确定夹芯结构的形状和尺寸。在设计“工字型”夹扣时，夹扣的内翼缘厚度取为3/4t2，螺母的厚度取为内翼缘厚度的一半，即3/8t2。在制作内侧防撞钢板时应在钢板对接处边缘的内侧开槽，开槽的深度取为3/4t2。夹扣的几何形状见夹扣大样图。

步骤2：为了方便运输，安装和施工，该防撞装置设计为三分之一圆环(如图5(a)所示)。负泊松比蜂窝骨架的内层背板，中间层内凹折板和外层表板分别按照上述尺寸通过机加工制成，按照图4的拼接方式通过环氧树脂胶进行粘接，待环氧树脂凝固后即可制成负泊松比梯度蜂窝。

步骤3：根据“工字型”夹扣的尺寸分别在内防撞层，缓冲吸能夹芯层和外层迎撞面板三个部件上预留螺栓孔，开孔大小和位置由连接件和螺栓的尺寸共同确定，分别对各部件表面进行粗糙化处理。

步骤4：按照负泊松比蜂窝骨架胞元尺寸设计泡沫混凝土填充物的平均密度，按照梯度系数确定每一层的泡沫混凝土密度。在制作过程中，首先按照预设配合比混合水泥、水和外加剂制成水泥浆，根据预设密度添加泡沫制成泡沫混凝土浆体，然后将其按照密度梯度依次浇筑到负泊松比蜂窝骨架中并振捣均匀，经过预定龄期的养护，待泡沫混凝土凝结硬化后即可制成分层梯度负泊松比蜂窝填充夹芯层。

步骤5：通过环氧树脂依次将内防撞层，缓冲吸能层和外层迎撞面板进行粘接，待环氧树脂固化后即可制成梯度负泊松比蜂窝填充芯防撞装置。在安装时，通过“工字型”夹扣将该防撞装置固定在桥墩表面。若需进一步提高该防撞装置的延性和耐撞性，可在迎撞面板外表面喷涂一层聚脲弹性材料。

为了保证芯层在撞击荷载作用下能较好的实现内凹变形模式并尽量节约蜂窝骨架材料用量，应确保负泊松比蜂窝胞壁的侧向刚度和抗拉强度与泡沫混凝土的抗压强度和孔隙率相匹配。在实际应用中可通过动态压缩或落锤试验确定相匹配的蜂窝胞壁厚度和泡沫混凝土密度，然后再批量生产。

以上所述结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的实施方式，上述实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。