泡沫铝夹芯板加固山区跨泥石流桥墩抗冲结构优化研究

王东坡， 李　伟， 何思明， 李新坡， 吴　永

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都　610059；2.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安　710064；3.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室，成都　610041；4.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都　610041)

泡沫铝夹芯板加固山区跨泥石流桥墩抗冲结构优化研究

王东坡1， 李伟2， 何思明3,4， 李新坡3,4， 吴永3,4

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安710064；3.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室，成都610041；4.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041)

摘要：在山区跨泥石流桥墩外表面覆盖一层缓冲防护结构可有效减小泥石流冲击危害，达到保护桥墩的目的。为此，将泡沫铝作为一种耗能缓冲材料引入桥墩抗泥石流冲击领域，并将其与钢板组合为复合夹芯结构，采用静力压载试验对五种不同结构形式夹芯板的力学性能进行分析。结果表明：泡沫铝夹芯结构在进入屈服强度后有宽而平的耗能缓冲应力平台，可吸收大量的冲击能量；对比五种夹芯结构的耗能性能，确定未加入竖向钢板的双层泡沫铝夹芯结构为最优化的结构形式。在此基础上开展优化结构在跨泥石流桥墩上的示范应用，工程应用效果显著。

关键词：泥石流；桥墩；泡沫铝；压载试验；耗能缓冲

桥梁是交通工程的重要组成部分及薄弱环节，也是交通工程运营期间需要重点保护的对象。桥墩是桥梁的关键部位，决定着桥梁结构的整体稳定。然而，由于我国山区泥石流分布范围广、规模巨大，众多桥梁难以一跨越过泥石流沟，大量桥墩不得不直接坐落在泥石流沟内。近年来，伴随泥石流频发，尤其在我国西部山区的地震地质活跃带，泥石流灾害对位于泥石流沟道、沟口等位置处的桥墩构成重大威胁[1-2]：高能量反复冲击作用，使得桥墩保护层破坏，甚至将桥墩的箍筋和主筋砸断，导致桥梁整体垮塌。这样的案例在国内外山区桥梁工程时有发生，例如映(秀)-卧(龙)公路青岗坪鱼子溪大桥，在2013年“7·10”特大泥石流作用下，使得刚建好的桥墩受到严重冲击，外层包裹的钢板发生重度塑性变形，内层混凝土被击碎，未实施钢板包裹的桥墩其保护层已完全破坏，甚至箍筋已被砸断(见图1)。如不及时对受损桥墩进行修复，桥墩极有可能在下一季洪水期间发生整体冲击破坏，导致桥梁垮塌[3-4]。

图1　“7·10”特大泥石流冲毁映(秀)-卧(龙)公路鱼子溪大桥Fig.1 Ying(Xiu)-Wo(Long) highway Yuzixi bridge destroyed by “7·10”debris flow

20世纪80年代后期，泡沫铝材料开始迅速发展，由于具有轻质、高比强度、吸能缓冲能力强等特性，使其成为一种良好的抗冲击防护材料。Andrews等[5]研究了闭孔泡沫铝的压缩性能，指出闭孔泡沫铝的压缩性能与其密度、胞壁曲率及胞壁波纹形状有关。Han等[6]研究了闭孔泡沫铝材料的能量吸收性能，结果表明闭孔泡沫铝材料在进入屈服强度后会产生一段很长的应力平台，这一平台越长，其耗能能力越好。国内众多学者也对闭孔泡沫铝材料的吸能能力对了大量的研究工作。王展光等[7]研究了闭孔泡沫铝的力学性能及其吸能能力，结果表明闭孔泡沫铝单轴压缩应力-应变曲线有三个变形阶段，且其抗压强度及吸能能力随着孔隙率的增大而降低。康建功等[8]运用一维冲击波理论，提出了一种用于计算闭孔泡沫铝缓冲层衰减结构物上冲击压力波的简化方法，并研究了闭孔泡沫铝相对密度以及厚度对冲击压力波的影响。

闭孔泡沫铝具有良好的缓冲能力，但是在实际应用中由于其模量较低，表面粗糙，不能单独作为耗能结构使用，使其应用受到限制。于是，将闭孔泡沫铝和其他高强度板材结合形成所谓的“三明治”结构，使其组合结构具有轻质、高强度、减振吸能等特点，在充分发挥闭孔泡沫铝材料自身特点的同时解决了其强度低的问题。Yu等[9]利用落锤加载设备研究了闭孔泡沫铝夹芯梁的变形和失效机理，发现动态加载下夹芯梁由于出现了较大的局部压入和破坏失效，其能量吸收能力低于准静态加载。Ruan等[10]研究了闭孔泡沫铝夹芯板在准静态压痕载荷下的力学响应和能量吸收特性，结果表明面板厚度、芯体厚度、边界条件及黏结剂条件均对夹芯板的力学响应和吸能性能有显著影响。Ivanez等[11]结合动态弯曲试验和3D有限元模型对比分析了“三明治”夹芯梁的动态弯曲响应，表明闭孔泡沫芯体的破坏与上层面板的破坏有很大的关系。国内众多专家学者也对闭孔泡沫铝夹芯结构的动态冲击响应及其冲击性能做了大量的研究工作[12-14]。

泡沫铝及泡沫铝“三明治”结构的力学性能和动态响应研究较为成熟。然而，对于泡沫铝基复合结构的优化研究还尚不完善，在山区桥梁抗泥石流冲击领域鲜有应用。因此，本文针对泥石流冲击桥墩的现实问题，引入泡沫铝夹芯结构加固桥墩，鉴于泥石流冲击桥墩为低速冲击过程，应用MTS准静态压缩试验分析并对比五种拟定的泡沫铝基复合结构的力学性能，确定最优的结构形式，并开展工程应用示范。

1地质模型构建

为保障山区跨泥石流桥墩的安全，引入泡沫铝材料用于桥墩防撞领域。泡沫铝作为耗能材料与钢板组合为夹芯结构包裹在受泥石流冲击威胁的桥墩处，构建地质模型如图2所示。拟定一泥石流流体以一定的速度v冲击桥墩，桥墩迎冲面设置一层一定厚度的泡沫铝夹芯结构。泡沫铝夹芯结构为双层结构，上下层面板采用HPB210钢板，中层面板采用HPB345钢板，各层板厚及泡沫铝芯体厚度依据桥墩抗冲击等级要求不同而分别设置。

图2　泥石流冲击泡沫铝夹芯结构防护桥墩地质模型Fig.2 The geological model of the debris flow impact bridge pier protected by aluminum foam sandwich panel

2泡沫铝夹芯结构准静态压缩力学性能试验

泥石流裹挟块石对桥墩的冲击过程表现为动态过程，但其冲击速度一般低于10 m/s，属于低速冲击过程。已有研究表明尽管在低速冲击下也应考虑材料应变率效应的影响[15-16]，然而在泥石流防治工程结构设计中为便于计算，针对泥石流冲击作用往往采用“准静态”模型处理，其计算结果较为保守，在工程应用上偏于安全。因此，本文从工程结构设计及应用角度出发采用准静态压缩试验对泥石流冲击泡沫铝夹芯结构的力学性能进行分析。

2.1试验装置

试验采用MTS压缩试验机，如图3所示。试验以0.5～1.0 MPa/s的速率对试样进行加荷，并通过系统加速度和位移传感器进行数据采集。

图3　MTS压缩试验机Fig.3 MTS compression testing machine

2.2结构及材料参数

为便于比较不同泡沫铝夹芯结构耗能缓冲性能，设计五种不同结构形式的泡沫铝夹芯结构(见图4)，分为5组，每组6个试件。本文夹芯结构采用元泰达环保建材科技有限责任公司生产的闭孔泡沫铝，其主要性能为：密度500 kg/m3，弹性模量0.2 GPa，泊松比0.3，屈服强度6 MPa；夹芯结构上下层面板采用HPB210钢板，其材料性能为：密度7 850 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服强度210 MPa；中层面板采用HPB345钢板，其材料性能为：密度7 800 kg/m3，弹性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服强度345 MPa。Ⅰ型及Ⅱ型结构中闭孔泡沫铝厚度为100 mm，Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型中上下层闭孔泡沫铝总厚度为100 mm；夹芯结构中上下层采用6 mm×100 mm×100 mm的HPB210钢板，中间层采用3 mm×100 mm×100 mm的HPB345钢板；Ⅱ型、Ⅳ型及Ⅴ型结构中采用2 mm厚的HPB345竖向钢板，间距25 mm，钢板的具体长度和宽度由夹芯结构的尺寸决定。

图4　五种不同结构形式的泡沫铝夹芯结构模型及试样Fig.4 Five different structural forms of aluminum foam sandwich panels model and sample

3试验结果及分析

开展30组准静态压缩试验，共获得27组有效数据(模型Ⅰ第1组、第2组、第4组由于试验仪器调置不当未能获得有效数据)。将每种类型不同组试验数据绘制于同一坐标，结果见图5～图9所示。

3.1应力-应变曲线

图5为Ⅰ型结构形式实测真实应力-应变曲线和显示Ⅰ型结构真实应力-应变特征点变化的代表性曲线，该曲线具有以下特征：① 在压载作用下曲线首先近直线型增长，直至应力到达峰值A点(闭孔泡沫铝屈服强度点)，该阶段为夹芯结构的线弹性变形阶段；② 当作用在夹芯结构上的压载继续增加超过材料的屈服强度之后，结构能承受的应力有小幅度的急剧降低，最后降至谷底B点；③ 谷底点之后应力再次增长，但增长速率缓慢，该阶段为夹芯结构的塑性屈服阶段；④ 应力缓慢增长至C点(闭孔泡沫铝致密化起始点)后开始迅速增长，该阶段为夹芯结构的压致密实化阶段。

图6为Ⅱ型结构形式的实测真实应力-应变曲线和显示特征点变化的代表性曲线，该曲线具有与Ⅰ型结构应力-应变曲线相似的特征。由于Ⅱ型结构中加入了竖向钢板，尽管大幅度提升了结构的整体屈服强度，然而A点(钢板屈服强度点)之后应力开始急速降低，不利于结构的整体耗能与稳定。

图7为双层泡沫铝夹芯结构(Ⅲ型)应力-应变曲线，该曲线具有与Ⅰ型结构相似的应力-应变特征，不同之处在于：由于Ⅲ型采用的是双层夹芯结构，因此在压载作用下，其应力-应变曲线表现为两个相似阶段的叠加。第一阶段，下层泡沫铝夹芯层的压缩阶段(O～D段)；第二阶段，上层泡沫铝夹心层的压缩阶段(D～G段)。相比而言，Ⅲ型结构具有稳定上升的屈服平台，相同厚度下，耗能效果明显优于Ⅰ型结构。

图8为Ⅳ型结构形式实测真实应力-应变曲线和显示特征点变化的代表性曲线，该曲线特征如下：① 压载作用下下层未加竖向钢板的泡沫铝芯体首先被压缩，因此该阶段(O～C段)表现出与Ⅰ型结构相似的特征；② 下层泡沫铝致密化阶段开始的同时上层结构也开始被压缩，但由于竖向钢板的刚性支撑，使得结构的整体应力水平相比起始阶段提升了近6倍；③ 第二个峰值应力点(D点，竖向钢板的屈服强度点)之后应力开始急剧降低，降至E点后结构依次进入闭孔泡沫铝的塑性屈服阶段和压致密实化阶段。

图5 Ⅰ型结构应力-应变曲线及显示特征点变化的代表性曲线Fig.5Stress-straincurvesofstructureⅠandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints图6 Ⅱ型结构应力-应变曲线及显示特征点变化的代表性曲线Fig.6Stress-straincurvesofstructureⅡandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints图7 Ⅲ型结构应力-应变曲线及显示特征点变化的代表性曲线Fig.7Stress-straincurvesofstructureⅢandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints

图8　Ⅳ型结构应力-应变曲线及显示特征点变化的代表性曲线Fig.8 Stress-strain curves of structure Ⅳ and the representative curve shows the change of the key points

图9为Ⅴ型结构形式实测真实应力-应变曲线和显示特征点变化的代表性曲线。该结构由于上下两层均加入了竖向钢板，因此其应力-应变曲线与另外四种结构有较大区别，主要特征如下：① 压载作用下中层横向钢板首先被压缩，应力近直线型增长至第一个峰值A点(横向钢板的屈服强度点)；② 之后，应力在小幅度降低后又开始增长(上层结构中竖向钢板开始发挥其刚性支撑作用)，增至第二个应力峰值C点；③ 随后应力开始急剧下降，降至D点后下层结构中的竖向钢板也开始被压缩，因此应力再次上升；④ 第三个峰值E点过后，整体结构开始依次进入闭孔泡沫铝的塑性屈服和压致密实阶段。

图9　Ⅴ型结构应力-应变曲线及显示特征点变化的代表性曲线Fig.9 Stress-strain curves of structure Ⅴ and the representative curve shows the change of the key points

3.2变形及失效模式

为了更加直观地了解每种结构形式的力学性能，试验过程中采用高速摄像仪记录每组试样的变形过程。图10(a)～(e)分别为具有代表性的五种结构压缩过程图像。

压载作用下，Ⅰ型及Ⅲ型结构变形模式仅表现为泡沫铝芯体的压致密实。当泡沫铝被压致密实后Ⅰ型结构便失去了耗能缓冲的能力，其失效模式为压密失效，而Ⅲ型结构失效模式表现为碎裂失效。Ⅱ型结构变形失效模式可归纳为三种，即芯体剪断、钢板弯曲和芯体压缩。由于竖向钢板的刚性支撑使得压载作用下两边临空的泡沫铝芯体首先被剪断，随后竖向钢板开始进入弯曲变形阶段，同时内部泡沫铝也开始被压缩。Ⅳ型结构变形失效模式类似于Ⅱ型结构，不同之处在于：试样在压缩变形的起始阶段下层泡沫铝芯体首先被压缩，当芯体被压致密实后上层结构才开始进入Ⅱ型结构的变形失效模式。Ⅴ型结构同样具有与Ⅱ型相似的变形失效模式，区别在于：内层横向钢板发生压弯破坏现象。

图10　典型试样压缩过程Fig.10 Typical sample compression process

3.3能量吸收

在山区桥墩抗泥石流冲击领域，衡量防护结构性能的关键在于其吸收冲击能量的能力，目前，评估泡沫缓冲吸能特性主要有缓冲曲线、吸能曲线及能量吸收图等三种方法。本文通过实验给出泡沫铝夹芯结构的能量吸收图[17]，见图11。

为便于比较五种不同泡沫铝夹芯结构的能量吸收能力，从各组中选取一个具有代表性的试样，绘出能量吸收图，见图11。从图中可以看出，伴随应变量的增大，五种泡沫铝夹芯结构的吸收的能量均在逐渐增加；相比于Ⅰ型和Ⅱ型结构，Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型结构的能量吸收能力明显更强。在应变量ε=0.3之前，Ⅳ型和Ⅴ型结构的能量吸收曲线均高于Ⅲ型结构，这说明在相同应变条件下，Ⅳ型和Ⅴ型结构的能量吸收能力更强；然而，当应变量大于0.5之后，Ⅲ型结构的能量吸收曲线开始高于其余两种结构，说明在较大应变情况下，Ⅲ型结构具有更强的能量吸收能力；同时，Ⅲ型结构在变形吸能的过程中始终保持着较高、较平稳的能量吸收速率，且在结构允许的变形范围内吸收的能量也最多。综合考虑以上情况，最终选择Ⅲ型为最优化结构形式。

图11　五种不同泡沫铝夹芯结构能量吸收图Fig.11 The energy-absorption diagram of five different aluminum foam sandwich structures

4映秀-卧龙公路桥墩抗冲防护示范工程

省道S303线映秀至卧龙公路是四川九环线的重要路段，是通往卧龙大熊猫自然保护区及四姑娘山的唯一道路，也是川西北小金、丹巴等县与省会成都最便捷的通道[18]。“5·12”大地震、“7·10”泥石流等重大自然地质灾害致使映秀至卧龙公路段遭受严重破坏，大量泥石流、崩塌滚石等次生地质灾害冲毁、砸坏众多沿线桥梁，映秀至卧龙公路青岗坪鱼子溪大桥受损最为严重。为此，本文以确定的最优化结构为基础提出的桥墩抗冲结构，对S303映卧公路青岗坪渔子溪大桥桥墩实施了泥石流冲击防护措施(见图12)，目前，工程已经历两个雨季的考验，效果十分显著。

图12　映秀-卧龙公路渔子溪大桥抗冲防护示范工程Fig.12 Demonstration project of anti-impact protection for Yuzixi bridge of Ying xiu-Wo long road

5结论

本文针对桥墩防护领域引入新型泡沫铝基复合防撞结构，采用MTS准静态压缩试验对比分析五种不同泡沫铝夹芯结构的力学性能、变形失效模式及吸能能力，得出以下结论：

(1) 压载试验表明，闭孔泡沫铝夹芯结构在进入屈服强度后有宽而平的耗能缓冲应力平台，可吸收大量的冲击能量，从而达到耗能缓冲的目的；相比于其他结构而言，Ⅰ型及Ⅲ型结构由于其较长且稳定的塑性屈服平台可被视为较理想的抗冲击结构形式，其中相同应变条件下Ⅲ型结构能量吸收能力更为优良。

(2) 压载作用下，Ⅰ型和Ⅲ型结构的变形模式仅表现为泡沫铝芯体的压致密实，失效模式可分别归结为压密失效和碎裂失效；Ⅱ型、Ⅳ型和Ⅴ型结构的变形及失效模式可归纳为三种，即芯体剪断、钢板弯曲和芯体压缩。

(3) 采用能量吸收图比较了五种不同泡沫铝夹芯结构的能量吸收能力，最终选择Ⅲ型为最优化结构形式。在此基础上，将最优化泡沫铝夹芯结构应用于S303映卧公路渔子溪大桥桥墩防护工程中，取得了较好的应用效果。

参 考 文 献

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Structural optimization of aluminum foam sandwich panel for bridge pier reinforcement across debris flow in mountain areas

WANG Dong-po1, LI Wei2, HE Si-ming3,4, LI Xin-po3,4, WU Yong3,4

(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Shanxi Provincial Key Laboratory for Highway Bridge & Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China;3. Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process, Chinese Academy of Science, Chengdu 610041, China;4. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Abstract:Bridge pier covered by buffer structure in mountain areas can effectively reduce the impact of debris flow, and protect itself. As an energy dissipation buffer material, the aluminum foam combined with steel plate was introduced to protect the bridge pier from the impact of debris flow. The mechanical properties of five different structural forms of sandwich panels were analyzed by static load test. The results show: the aluminum foam sandwich structure has a broad and flat range of energy buffer and dissipation which can absorb a large amount of impact energy; the double-layer aluminum foam sandwich structure is the best structural form by comparing the energy dissipation performance among the five different structural forms of sandwich panels. On this basis, an optimized structure was applied to the bridge pier across the debris flow, and the effect of engineering application is remarkable.

Key words:debris flow; bridge pier; aluminum foam; compression test; energy dissipation

基金项目：国家自然科学基金(41502297;41572303)；中国科学院科技服务网络计划项目(KFJ-EW-STS-094)；国家重点基础研究发展计划“973”项目(2013CB733201)

收稿日期：2015-08-03修改稿收到日期：2015-10-09

中图分类号:TU443

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.10.017

第一作者 王东坡 男，博士，讲师，1984年生

E-mail:wangdongpo2014@cdut.edu.cn