一种地震-冲击次序作用下桥墩耗能防护装置及防护方法

本发明属于桥梁防灾减灾，具体为一种地震-冲击次序作用下桥墩耗能防护装置及其防护方法。

背景技术：

1、桥梁是交通生命线工程的重要组成部分。对于高烈度地震区桥梁，不仅面临小震、中震和大震等不同等级地震的威胁，更易在地震发生后遭受次生地质灾害（落石、滑坡、泥石流等）乃至车辆、船舶撞击的冲击作用。这种“先地震、后冲击”的次序作用具有显著的阶段性与累积致灾效应：桥墩在经受地震往复作用后，会产生残余位移、塑性铰区损伤或防护构件变形，随后在此损伤基础上再次承受外部瞬态冲击，会导致桥墩损伤累积、冲击响应放大，灾后修复困难。针对这一工程挑战，现有的技术脉络主要围绕抗震耗能与防撞吸能两个独立的技术分支展开。

2、现有桥墩抗震耗能技术通常采用延性设计、隔震减震设计、可更换耗能构件及摇摆自复位体系等方法，通过桥墩塑性铰耗能、阻尼器、耗能钢构件或可更换耗能构件来降低地震响应。该类技术的重点在于耗散地震能量和控制桥墩变形，但通常未充分考虑桥墩经历小震、中震或大震作用后继续承受外部冲击时的剩余防护能力，也难以针对震后冲击提供压溃吸能、峰值削减和可更换牺牲防护功能。

3、现有桥墩防撞吸能技术通常主要针对船舶、车辆、漂浮物、落石或泥石流块石等冲击作用进行设计，例如采用钢围护结构、橡胶护舷、复合材料套箱、蜂窝吸能盒或消能防撞设施吸收外部冲击能量。该类技术的重点在于削减瞬态冲击峰值，但通常未充分考虑小震、中震和大震作用下桥墩与防护装置之间的往复相对位移、耗能构件工作状态、地震后桥墩剩余承载能力以及震后冲击与前序地震损伤之间的耦合影响。

4、因此，现有关于桥墩的地震或冲击防护设计仅考虑单独灾害作用影响，单一抗震耗能技术难以承担震后冲击吸能功能，单一防撞吸能技术也难以承担地震分级耗能和位移调控功能。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种能根据地震、冲击不同阶段进行分类传能、分级耗散、分阶段保护的地震-冲击次序作用下桥墩耗能防护装置及其防护方法。

2、本发明提供的这种地震-冲击次序作用下桥墩耗能防护装置，该防护装置沿桥墩本体的径向由内向外依次设置有内侧隔离垫层、地震耗能层、位移限位调控层、蜂窝吸能层和外防护壳体；内侧隔离垫层用于在桥墩本体与防护装置之间提供柔性缓冲界面；地震耗能层设置于所述内侧隔离垫层的外侧，用以通过塑性变形耗散地震往复作用产生的能量；位移限位调控层设置于所述地震耗能层的外侧，其具有预设间隙，并能够在相对位移超过预设阈值后闭合以参与传力限位，从而控制外侧功能层的启动时机；蜂窝吸能层设置于所述位移限位调控层的外侧，用以通过压溃变形吸收震后外部冲击产生的能量；外防护壳体作为最外层构件，用以直接承受并分散外部冲击载荷至所述蜂窝吸能层。

3、上述防护装置的一种实施方式中，还包括桥墩连接组件，所述桥墩连接组件环绕桥墩本体固定设置，并夹设在所述内侧隔离垫层与地震耗能层之间；所述桥墩连接组件包括沿桥墩周向布置的分瓣式环向抱箍和沿桥墩高度方向延伸的竖向连接肋，所述分瓣式环向抱箍与竖向连接肋交叉连接以形成整体骨架。

4、上述防护装置的一种实施方式中，所述地震耗能层包括多个沿桥墩本体周向和高度方向间隔排布的可更换地震耗能单元；每个所述可更换地震耗能单元均包含第一连接板、第二连接板、低屈服点钢耗能板和高阻尼橡胶层；低屈服点钢耗能板连接在第一连接板与第二连接板之间，用以在往复位移下发生集中塑性变形以耗散能量；高阻尼橡胶层与所述低屈服点钢耗能板相贴合，用以提供附加阻尼并改善耗能稳定性。

5、上述防护装置的一种实施方式中，所述位移限位调控层包括限位块、剪切销、导向槽、滑移垫层和缓冲垫；

6、所述限位块固定于所述地震耗能层的外侧或蜂窝吸能层的内侧，并与对面的承压面之间形成所述预设间隙；所述剪切销穿插于所述位移限位调控层两侧的相邻构件之间，用于在受力超限时被剪断以释放约束；所述导向槽沿桥墩本体的高度方向延伸，用于引导所述蜂窝吸能层发生受控滑移；所述滑移垫层铺设于相邻可相对滑动构件表面之间；所述缓冲垫设置于可能发生刚性碰撞的构件之间。

7、上述防护装置的一种实施方式中，所述位移限位调控层还包括电磁感应触发式状态记忆锁止机构；所述电磁感应触发式状态记忆锁止机构包括金属感应触发插头、磁场发生件、感应线圈、感应检测模块和弹出式锁齿；所述金属感应触发插头随桥墩侧构件同步运动；所述磁场发生件和感应线圈相对设置，用于在所述金属感应触发插头运动至磁场区域时使所述感应线圈产生感应信号；所述感应检测模块与所述感应线圈电连接，用于在所述感应信号达到预设触发阈值时输出锁止控制信号；所述弹出式锁齿响应于所述锁止控制信号而动作，伸出并卡入所述金属感应触发插头上对应的锁止结构，以限制其反向回退，使所述位移限位调控层由初始柔性调控状态切换并保持为震后增强限位状态。

8、上述防护装置的一种实施方式中，所述电磁感应触发式状态记忆锁止机构还包括整流储能模块，所述整流储能模块电连接在所述感应线圈与所述感应检测模块之间，用于将感应线圈产生的电能整流并储存，以向所述感应检测模块或弹出式锁齿供能。

9、上述防护装置的一种实施方式中，所述蜂窝吸能层包括多个沿桥墩本体周向和高度方向分块、分段布置的可更换蜂窝吸能盒；每个所述可更换蜂窝吸能盒包括外框、蜂窝芯、前封板、后封板和高强螺栓；蜂窝芯填充在所述外框内部；前封板和后封板分别盖设于所述蜂窝芯冲击方向的前端和后端；高强螺栓将所述可更换蜂窝吸能盒与相邻构件可拆卸连接。

10、上述防护装置的一种实施方式中，所述可更换蜂窝吸能盒采用抽屉式可更换结构，其上下两端与导向槽滑动配合，并通过所述高强螺栓锁紧固定，实现沿导向槽方向的独立快速拆装。

11、上述防护装置的一种实施方式中，所述内侧隔离垫层、地震耗能层、位移限位调控层、蜂窝吸能层以及外防护壳体中的至少一个或多个层中的构成部件采用模块化可拆卸连接方式，用于在灾害后对损伤部件进行独立更换。

12、一种利用上述防护装置的桥墩分级耗能防护方法，包括以下步骤：

13、在小震或运营振动阶段，防护装置与桥墩本体之间的微小相对位移仅引起所述内侧隔离垫层和地震耗能层的弹性变形或小阻尼耗能，此时所述位移限位调控层的预设间隙保持打开，蜂窝吸能层不参与受力，电磁感应触发式状态记忆锁止机构不启动；

14、在中震阶段，相对位移使所述地震耗能层进入滞回耗能状态以耗散主要地震能量，所述位移限位调控层的预设间隙尚未完全闭合，蜂窝吸能层仍不作为主要受力构件，电磁感应触发式状态记忆锁止机构不启动；

15、在大震阶段，相对位移使所述位移限位调控层的预设间隙闭合以参与承压限位，同时将地震能量继续引入所述地震耗能层进行充分耗能；此阶段，所述电磁感应触发式状态记忆锁止机构被触发启动，其弹出式锁齿伸出锁止，使位移限位调控层保持为震后增强限位状态；

16、在震后冲击阶段，外部冲击首先作用于所述外防护壳体并传导至蜂窝吸能层，使所述蜂窝吸能层发生压溃变形以吸收冲击能量，同时保持于震后增强限位状态的所述位移限位调控层参与传力并限制传递给已受震桥墩本体的峰值力。

17、本发明的有益效果如下：

18、1、针对铁路桥墩地震及次生灾害冲击的次序作用特点，建立了小震隔离缓冲、中震耗能减损、大震限位耗能和震后冲击吸能保护的四阶段分级分类防护机制，克服了现有单一抗震耗能技术或单一防撞吸能技术仅针对单一灾害作用形式进行设计的不足；通过将地震往复能量和震后瞬态冲击能量分流至不同的耗能路径和吸能路径，实现了小震不误启动、中震优先耗能、大震限位保护、震后冲击吸能的分级分类防护效果，为高烈度地震区桥梁在复合灾害下的服役安全提供了一种可靠的技术方案；

19、2、通过位移限位调控层中的预设间隙、限位块、剪切销、滑移垫层和导向件等构件，实现了阈值触发和传力路径的控制；使得各功能层能够按照设计顺序有序触发和协同工作，避免了地震耗能构件与冲击吸能构件之间的相互干扰；

20、3、此外通过位移限位调控层中的电磁感应触发式状态记忆锁止机构实现了大震后的状态记忆与增强限位功能，利用大震下的相对位移驱动金属感应触发插头切割磁场产生感应信号，通过幅值、时长的阈值识别驱动锁止动作；小震、中震阶段感应信号低于触发阈值不启动锁止，有效避免非设计工况下的误锁止，保障地震耗能层的独立工作空间；感应产生的电能经整流储能模块储存后为锁止机构供能，锁止后通过弹出式锁齿的机械卡位与楔形摩擦组件的自锁作用持续保持限位状态，无需依赖持续外部供电，适配地震后断电的极端工况；锁止状态可限制桥墩回弹过程中防护装置的过度回退，降低震后冲击下的反弹与二次撞击风险，使震后冲击稳定进入预设的受控防护路径；

21、4、地震耗能单元、蜂窝吸能盒、剪切销、限位块和外防护壳体等均采用模块化可拆卸结构，灾害作用后可根据地震耗能单元的屈服状态、冲击吸能单元的压溃状态、剪切销的剪断状态等判断对应模块是否达到更换条件，并进行独立拆卸和更换，无需对桥墩本体进行大范围修复；由于将主要损伤集中于可更换部件，减少了桥墩主体的修复工作量，可实现地震及震后冲击复合灾害后铁路桥梁的快速修复。