一種抗爆炸沖擊作用的橋梁墩柱截面的制作方法

一種抗爆炸沖擊作用的橋梁墩柱截面，屬于橋梁工程結構技術領域。

背景技術：

橋梁墩柱結構作為橋梁結構的支撐體系，將上部結構恒載、汽車荷載、人群荷載等荷載傳遞至基礎，一旦發生破壞，將改變橋梁整體結構的受力模式，破壞嚴重時甚至帶來橋梁結構的連續性倒塌。恐怖分子蓄意襲擊、敵方魚雷襲擊、工業危險品生產及運輸等風險均會導致橋梁墩柱結構發生破壞，目前我國橋梁工程墩柱結構進行抗爆設計時缺少國家及行業性規范指導。重點城市復雜立體交通橋梁結構及跨海大橋的建設項目投資巨大兼備國防戰略需求，需要在外觀上設計不異于普通橋梁墩柱外表，但橋梁墩柱仍具備一定抗爆性能的橋梁結構。

申請號CN201320388426.X公布了一種橋墩的抗爆炸沖擊裝置，防護思路為不改變原有橋墩截面設計，在既有普通橋墩結構外部設置橡膠覆蓋層及彈性束圈緩減爆炸沖擊作用，該方法尚未涉及橋墩截面優化設計層面，改變了橋梁墩柱外觀形象，喪失了橋梁結構墩柱抗爆性能隱蔽性需求。申請號CN201510699296.5提出了一種抗爆耗能輕鋼結構柱，針對普通民用建筑技術領域，在橋梁墩柱應用方面，受橋梁結構墩柱耐久性設計控制，該鋼結構設計方法不適用于橋梁墩柱，尤其是跨海大橋等面臨腐蝕性海水環境，使用條件將更為苛刻。

因此，在設計理念上，應克服現有技術的缺點，轉變外部增設防護層的思路，研究一種外觀上無異于普通橋墩，同時又能有效提高橋梁墩柱結構抗爆炸沖擊作用的截面形式。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種新的橋梁墩柱截面設計來有效應對抗爆炸沖擊作用，旨在減輕爆炸作用下橋梁墩柱承載力下降過快，避免由于橋墩破壞導致橋梁結構連續性倒塌。

為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案：一種抗爆炸沖擊作用的橋梁墩柱截面，包括由外向內依次設置的第一抗爆構件和第二抗爆構件；

所述第一抗爆構件包括由外向內依次設置的封閉性外鋼板、第一凱夫拉層、泡沫鋁層、第二凱夫拉層和封閉性內鋼板；

所述第二抗爆構件包括一根桁架中心支撐鋼管、多根桁架外圍支撐鋼管、類正弦鋼桁架、類余弦鋼桁架、箍筋、縱筋、第一連接件和第二連接件；

所述多根桁架外圍支撐鋼管平行均布于豎直桁架中心支撐鋼管的周向，并且桁架外圍支撐鋼管布設根數為不低于六根的偶數，所述多根桁架外圍支撐鋼管每相鄰兩根之間通過一根水平的第一連接件連接，所述類正弦鋼桁架與類余弦鋼桁架以交替排列的方式在桁架中心支撐鋼管和桁架外圍支撐鋼管上焊接；

沿所述桁架外圍支撐鋼管長度方向平行均布有多根縱筋，沿所述多根縱筋長度方向設有纏繞縱筋的箍筋，并且所述箍筋為一根螺旋箍筋；

所述第二抗爆構件的桁架外圍支撐鋼管通過多根第二連接件與第一抗爆構件的封閉性內鋼板連接實現了第一抗爆構件與第二抗爆構件的固定連接，并且被封閉性內鋼板圍住的第二抗爆構件整體均勻填充有內混凝土層。

在所述第一抗爆構件封閉性外鋼板的外壁還設置有混凝土保護層。

所述第一凱夫拉層和第二凱夫拉層結構均為經紗和緯紗每隔一根紗線就交織一次的平紋組織結構，并且平紋組織結構不低于十層；

所述泡沫鋁層結構為通孔蜂窩狀結構；

所述類正弦鋼桁架、類余弦鋼桁架與橋墩水平方向的夾角為45°~60°。

所述第一凱夫拉層和第二凱夫拉層為經環氧樹脂浸漬后加溫加壓形成不超過5.5mm厚的整體面層；

所述封閉性外鋼板與第一凱夫拉層之間通過環氧樹脂粘接、所述封閉性內鋼板與第二凱夫拉層之間通過環氧樹脂粘接，所述泡沫鋁層填充于第一凱夫拉層和第二凱夫拉層之間。

所述封閉性外鋼板為壁厚大于16mm的Q345qD鋼材；

所述的封閉性內鋼板為壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD鋼材；

所述第一凱夫拉層和第二凱夫拉層紗線材料密度為1420~1450kg/m³，紡織線徑0.4~0.5mm、斷裂伸長率大于2.3%，彈性模型大于60Gpa；

所述泡沫鋁層采用屈服強度50~52MPa的純鋁制成、泡孔大小為1~2mm、相對密度為0.5~0.6、孔隙率為65%~75%；

所述泡沫鋁層厚度不低于八倍的封閉性外鋼板厚度。

所述桁架中心支撐鋼管為外徑大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外圍支撐鋼管為外徑大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外圍支撐鋼管布設根數為六根或八根；

所述類正弦鋼桁架直徑、類余弦鋼桁架直徑均不低于縱筋直徑數值，同時也不應低于25mm；

所述第一連接件為外徑大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二連接件沿橋墩長度方向每隔半個類正弦鋼桁架長度即水平焊接一根，并且每根第二連接件長度為40mm~60mm；

所述內混凝土層采用C50~C55微膨脹混凝土。

本實用新型和現有技術相比具有以下有益效果。

一、本實用新型通過設置雙封閉性的復合第一抗爆構件：即設計封閉性內鋼板、封閉性外鋼板兩層封閉鋼板，又在封閉性內鋼板、封閉性外鋼板之間依次設置第一凱夫拉層、泡沫鋁層、第二凱夫拉層，這使得橋墩結構外部遭受爆炸沖擊作用時能夠起到良好的吸能緩沖作用；

具體來說，第一凱夫拉層延緩了封閉性外鋼板遭受爆炸沖擊作用時所發生的塑性變形，提高了封閉性外鋼板的抗沖擊能力，此為抗爆沖擊第一道防線；

隨著爆炸沖擊波能量的增加，通孔蜂窩狀的泡沫鋁層發生大的壓縮變形，呈現出負泊松比性質，并迅速將吸能范圍擴散至更大的泡沫鋁結構范圍，蜂窩狀的泡沫鋁宏觀結構相比現有技術中的泡沫鋁結構受力形式更為優化，提高了泡沫鋁層的結構承載能力，此為抗爆沖擊第二道防線；

當泡沫鋁吸能失效后，靠近封閉性內鋼板的第二凱夫拉層發揮作用，進一步降低對爆炸對封閉性內鋼板的沖擊作用，提高結構失效時對應的臨界爆炸沖擊波沖量，進而保護內部縱筋和箍筋，此為第三道防線，也就是說第一抗爆構件組成了面對爆炸沖擊的三道防線。

本實用新型又設置了內部為桁架式結構的第二抗爆構件：即將桁架外圍支撐鋼管均布于桁架中心支撐鋼管周向，同時又在桁架外圍支撐鋼管、桁架外圍中心鋼管間焊接交替排列的類正弦鋼桁架與類余弦鋼桁架，這樣就使得桁架式結構的第二抗爆構件形成多個穩定的三角形，同時桁架外圍支撐鋼管通過多根第二連接件與封閉性內鋼板連接，這就使得含多個穩定三角形的第二抗爆件明顯提高了封閉性內鋼板保持原狀的能力，也間接保護了受力縱筋、箍筋的受力狀態不發生改變，對遭受任意方向的爆炸沖擊作用，都盡可能導致受力模式轉變為局部損失，此為抗爆炸沖擊作用的第四道防線。

另外，在封閉性內鋼板與第二抗爆構件的桁架式結構之間填充微膨脹混凝土，相當于對封閉性內鋼板施加了預應力效應，封閉性內鋼板的圍箍效應也間接提高了微膨脹混凝土的抗壓強度，也對外部遭受爆炸作用是一種提前反向預加作用。

綜上所述，第一抗爆構件和第二抗爆構件組成的四道防線，有效的減緩了外部的爆炸沖擊作用，實現了橋梁墩柱對外部爆炸沖擊作用的良好主動防御。

二、本實用新型取材方便，制作簡易，造價低廉，可將第一抗爆構件、第二抗爆構件分解后在工廠預制加工完畢，然后再運輸至工地進行拼裝焊接、粘貼、澆筑混凝土等工作，具有良好的施工性能。

三、本實用新型最外側設有混凝土保護層，能夠保護最外層封閉性外鋼板的耐久性，節省了防銹處理等工作量，同時在外觀上與普通鋼筋混凝土墩柱相同，具有較強的隱蔽性。

附圖說明

圖1為本實用新型沿橋墩中心剖面的立面結構示意圖。

圖2為本實用新型的橫截面平面示意圖。

圖中，1為混凝土保護層，2為封閉性外鋼板，3為第一凱夫拉層，4為泡沫鋁層，5為第二凱夫拉層，6為封閉性內鋼板，7為第一連接件，8為箍筋，9為縱筋，10為內混凝土層，11為桁架外圍支撐鋼管，12為第二連接件，13為桁架中心支撐鋼管，14為類正弦鋼桁架，15為類余弦鋼桁架。

具體實施方式

實施例一

如圖1、圖2所示，一種抗爆炸沖擊作用的橋梁墩柱截面，包括由外向內依次設置的第一抗爆構件和第二抗爆構件；

所述第一抗爆構件包括由外向內依次設置的封閉性外鋼板2、第一凱夫拉層3、泡沫鋁層4、第二凱夫拉層5和封閉性內鋼板6；

所述第二抗爆構件包括一根桁架中心支撐鋼管13、多根桁架外圍支撐鋼管11、類正弦鋼桁架14、類余弦鋼桁架15、箍筋8、縱筋9、第一連接件7和第二連接件12；

所述多根桁架外圍支撐鋼管11平行均布于豎直桁架中心支撐鋼管13的周向，并且桁架外圍支撐鋼管11布設根數為不低于六根的偶數，所述多根桁架外圍支撐鋼管11每相鄰兩根之間通過一根水平的第一連接件7連接，所述類正弦鋼桁架14與類余弦鋼桁架15以交替排列的方式在桁架中心支撐鋼管13和桁架外圍支撐鋼管11上焊接；

沿所述桁架外圍支撐鋼管11長度方向平行均布有多根縱筋9，沿所述多根縱筋9長度方向設有纏繞縱筋9的箍筋8，并且所述箍筋8為一根螺旋箍筋8；

所述第二抗爆構件的桁架外圍支撐鋼管11通過多根第二連接件12與第一抗爆構件的封閉性內鋼板6連接實現了第一抗爆構件與第二抗爆構件的固定連接，并且被封閉性內鋼板6圍住的第二抗爆構件整體均勻填充有內混凝土層10。

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5結構均為經紗和緯紗每隔一根紗線就交織一次的平紋組織結構，并且平紋組織結構不低于十層；

所述泡沫鋁層4結構為通孔蜂窩狀結構；

所述類正弦鋼桁架14、類余弦鋼桁架15與橋墩水平方向的夾角為45°~60°。

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5為經環氧樹脂浸漬后加溫加壓形成不超過5.5mm厚的整體面層；

所述封閉性外鋼板2與第一凱夫拉層3之間通過環氧樹脂粘接、所述封閉性內鋼板6與第二凱夫拉層5之間通過環氧樹脂粘接，所述泡沫鋁層4填充于第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5之間。

所述封閉性外鋼板2為壁厚大于16mm的Q345qD鋼材；

所述的封閉性內鋼板6為壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD鋼材；

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5紗線材料密度為1420~1450kg/m³，紡織線徑0.4~0.5mm、斷裂伸長率大于2.3%，彈性模型大于60Gpa；

所述泡沫鋁層4采用屈服強度50~52MPa的純鋁制成、泡孔大小為1~2mm、相對密度為0.5~0.6、孔隙率為65%~75%；

所述泡沫鋁層4厚度不低于八倍的封閉性外鋼板2厚度。

所述桁架中心支撐鋼管13為外徑大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外圍支撐鋼管11為外徑大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外圍支撐鋼管11布設根數為六根或八根；

所述類正弦鋼桁架14直徑、類余弦鋼桁架15直徑均不低于縱筋9直徑數值，同時也不應低于25mm；

所述第一連接件7為外徑大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二連接件12沿橋墩長度方向每隔半個類正弦鋼桁架14長度即水平焊接一根，并且每根第二連接件12長度為40mm~60mm；

所述內混凝土層10采用C50~C55微膨脹混凝土。

實施例二

如圖1、圖2所示，一種抗爆炸沖擊作用的橋梁墩柱截面，包括由外向內依次設置的第一抗爆構件和第二抗爆構件；

所述第一抗爆構件包括由外向內依次設置的封閉性外鋼板2、第一凱夫拉層3、泡沫鋁層4、第二凱夫拉層5和封閉性內鋼板6；

所述第二抗爆構件包括一根桁架中心支撐鋼管13、多根桁架外圍支撐鋼管11、類正弦鋼桁架14、類余弦鋼桁架15、箍筋8、縱筋9、第一連接件7和第二連接件12；

所述多根桁架外圍支撐鋼管11平行均布于豎直桁架中心支撐鋼管13的周向，并且桁架外圍支撐鋼管11布設根數為不低于六根的偶數，所述多根桁架外圍支撐鋼管11每相鄰兩根之間通過一根水平的第一連接件7連接，所述類正弦鋼桁架14與類余弦鋼桁架15以交替排列的方式在桁架中心支撐鋼管13和桁架外圍支撐鋼管11上焊接；

沿所述桁架外圍支撐鋼管11長度方向平行均布有多根縱筋9，沿所述多根縱筋9長度方向設有纏繞縱筋9的箍筋8，并且所述箍筋8為一根螺旋箍筋8；

所述第二抗爆構件的桁架外圍支撐鋼管11通過多根第二連接件12與第一抗爆構件的封閉性內鋼板6連接實現了第一抗爆構件與第二抗爆構件的固定連接，并且被封閉性內鋼板6圍住的第二抗爆構件整體均勻填充有內混凝土層10。

在所述第一抗爆構件封閉性外鋼板2的外壁還設置有混凝土保護層1。

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5結構均為經紗和緯紗每隔一根紗線就交織一次的平紋組織結構，并且平紋組織結構不低于十層；

所述泡沫鋁層4結構為通孔蜂窩狀結構；

所述類正弦鋼桁架14、類余弦鋼桁架15與橋墩水平方向的夾角為45°~60°。

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5為經環氧樹脂浸漬后加溫加壓形成不超過5.5mm厚的整體面層；

所述封閉性外鋼板2與第一凱夫拉層3之間通過環氧樹脂粘接、所述封閉性內鋼板6與第二凱夫拉層5之間通過環氧樹脂粘接，所述泡沫鋁層4填充于第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5之間。

所述封閉性外鋼板2為壁厚大于16mm的Q345qD鋼材；

所述的封閉性內鋼板6為壁厚大于18mm的Q345qD或Q370qD鋼材；

所述第一凱夫拉層3和第二凱夫拉層5紗線材料密度為1420~1450kg/m³，紡織線徑0.4~0.5mm、斷裂伸長率大于2.3%，彈性模型大于60Gpa；

所述泡沫鋁層4采用屈服強度50~52MPa的純鋁制成、泡孔大小為1~2mm、相對密度為0.5~0.6、孔隙率為65%~75%；

所述泡沫鋁層4厚度不低于八倍的封閉性外鋼板2厚度。

所述桁架中心支撐鋼管13為外徑大于60mm、壁厚大于6mm的管材；

所述桁架外圍支撐鋼管11為外徑大于38mm、壁厚大于4mm的管材；所述桁架外圍支撐鋼管11布設根數為六根或八根；

所述類正弦鋼桁架14直徑、類余弦鋼桁架15直徑均不低于縱筋9直徑數值，同時也不應低于25mm；

所述第一連接件7為外徑大于34mm、壁厚大于3mm的管材；

所述多根第二連接件12沿橋墩長度方向每隔半個類正弦鋼桁架14長度即水平焊接一根，并且每根第二連接件12長度為40mm~60mm；

所述內混凝土層10采用C50~C55微膨脹混凝土。

本實用新型的制作包括以下步驟：

1）城市橋梁墩柱截面設計為Φ3.2m的圓形柱狀橋墩，混凝土保護層1為70mm厚，依據本實用新型截面設計及制作要求，封閉性外鋼板2采用Q345qD鋼材，制作成外徑3.06m厚20mm空心圓截面，封閉性內鋼板6采用Q345qD鋼材，制作成外徑2.64m厚25mm空心圓截面；

2）封閉性外鋼板2內側的第一凱夫拉層3、封閉性內鋼板6外側的第二凱夫拉層5采用紗線材料均為密度1430kg/m³，紡織線徑0.4mm、斷裂伸長率2.35%，彈性模型為62GPa，經紗和緯紗每隔1根紗線交織1次的平紋組織結構，共計10層，經環氧樹脂浸漬后加溫加壓形成不超過5mm厚的整體面層；

3）采用環氧樹脂將制作好后的第一凱夫拉層3粘接在封閉性外鋼板2內側表面，第二凱夫拉層5粘接在封閉性外鋼板6內側表面，粘接牢固后，運輸至橋墩橋位處，形成雙環狀空心圓截面固定在橋位；

4）采用屈服強度52MPa的純鋁制成泡孔大小為1mm、相對密度為0.5、孔隙率為65%的泡沫鋁，并將形成的泡沫鋁進一步加工制造成外部結構為等邊長20mm的六邊形蜂窩狀連續結構，將其厚為180mm的環狀泡沫鋁5放入外第一凱夫拉層3與第二凱夫拉層5之間的預留空間；

5）采用外徑60mm壁厚6mm鋼管制作單根桁架中心支撐鋼管13，采用外徑40mm壁厚4mm的鋼管制作6根桁架外圍支撐鋼管11，標定桁架外圍支撐鋼管11至中心支撐鋼管13間距為1185mm后，沿圓周均布排列后，采用直徑為40mm的鋼筋作為類正弦鋼桁架14、類余弦鋼桁架15的桁架部分，與水平角度成45°交角，依次將桁架外圍支撐鋼管11與中心支撐鋼管13焊接連成整體；

6）采用外徑40mm壁厚4mm的鋼管制作第一連接件7，并且每隔半個類正弦鋼桁架14長度，將桁架外圍支撐鋼管11依次焊接，形成封閉的環狀；

7）將受力計算分析所確定的24Φ32縱筋9沿桁架外圍支撐鋼管13環形均布排列后綁扎，將確定的螺旋箍筋8在縱筋9外側綁扎后，放入封閉性內鋼板6內部；

8）采用外徑40mm壁厚4mm長度50mm的鋼管制作第二連接件12，沿橋墩高度方向每隔半個類正弦鋼桁架14長度，在水平方向焊接一道第二連接件12，連接外圍支撐鋼管11與封閉性內鋼板6；

9）采用C50微膨脹混凝土10，對封閉性內鋼板6與第二抗爆件之間的空間進行澆筑、養護；

10）搭設模板，在封閉性外鋼板2外側澆筑混凝土保護層1養護至設計強度后拆模；

11）對建設完成后的橋墩結構進行爆炸作用下的結構數值實驗分析，30kg當量的TNT，距離混凝土保護層1的爆心距離1m處發生爆炸，考查縱筋9的最大主應力，采用本實用新型結構可將沖擊波超壓峰值由未設置前的峰值削弱90%以上比例，橋墩結構整體最大彎剪綜合變形為未設置防爆措施下橋墩結構變形的15%，有效保護了橋墩結構的安全，降低了橋梁墩柱的局部破壞形態和整體變形。

需要說明的是，封閉性外鋼板2、封閉性內鋼板6等部件可以根據橋梁墩柱的不同外形分解為不同的構件進行預制加工。

本實用新型既可以應用于山谷河流路段中公路橋梁、鐵路橋梁、城市橋梁對抗爆有要求的橋墩設計，也可用于有抗爆要求的跨海橋梁及有國防要求的橋墩結構，只需進一步做好混凝土的抗滲及耐久性要求，降低鋼材的銹蝕速率即可。

上述實施例是對本實用新型結構的解釋而非限制，在不脫離本實用新型原理前提下所作的變形也在本實用新型的保護范圍之內。