泡沫鋁夾芯板加固山區跨泥石流橋墩抗沖結構優化研究

王東坡， 李　偉， 何思明， 李新坡， 吳　永

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都　610059；2.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安　710064；3.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室，成都　610041；4.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，成都　610041)

泡沫鋁夾芯板加固山區跨泥石流橋墩抗沖結構優化研究

王東坡1， 李偉2， 何思明3,4， 李新坡3,4， 吳永3,4

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都610059；2.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安710064；3.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室，成都610041；4.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，成都610041)

摘要：在山區跨泥石流橋墩外表面覆蓋一層緩沖防護結構可有效減小泥石流沖擊危害，達到保護橋墩的目的。為此，將泡沫鋁作為一種耗能緩沖材料引入橋墩抗泥石流沖擊領域，并將其與鋼板組合為復合夾芯結構，采用靜力壓載試驗對五種不同結構形式夾芯板的力學性能進行分析。結果表明：泡沫鋁夾芯結構在進入屈服強度后有寬而平的耗能緩沖應力平臺，可吸收大量的沖擊能量；對比五種夾芯結構的耗能性能，確定未加入豎向鋼板的雙層泡沫鋁夾芯結構為最優化的結構形式。在此基礎上開展優化結構在跨泥石流橋墩上的示范應用，工程應用效果顯著。

關鍵詞：泥石流；橋墩；泡沫鋁；壓載試驗；耗能緩沖

橋梁是交通工程的重要組成部分及薄弱環節，也是交通工程運營期間需要重點保護的對象。橋墩是橋梁的關鍵部位，決定著橋梁結構的整體穩定。然而，由于我國山區泥石流分布范圍廣、規模巨大，眾多橋梁難以一跨越過泥石流溝，大量橋墩不得不直接坐落在泥石流溝內。近年來，伴隨泥石流頻發，尤其在我國西部山區的地震地質活躍帶，泥石流災害對位于泥石流溝道、溝口等位置處的橋墩構成重大威脅[1-2]：高能量反復沖擊作用，使得橋墩保護層破壞，甚至將橋墩的箍筋和主筋砸斷，導致橋梁整體垮塌。這樣的案例在國內外山區橋梁工程時有發生，例如映(秀)-臥(龍)公路青崗坪魚子溪大橋，在2013年“7·10”特大泥石流作用下，使得剛建好的橋墩受到嚴重沖擊，外層包裹的鋼板發生重度塑性變形，內層混凝土被擊碎，未實施鋼板包裹的橋墩其保護層已完全破壞，甚至箍筋已被砸斷(見圖1)。如不及時對受損橋墩進行修復，橋墩極有可能在下一季洪水期間發生整體沖擊破壞，導致橋梁垮塌[3-4]。

圖1　“7·10”特大泥石流沖毀映(秀)-臥(龍)公路魚子溪大橋Fig.1 Ying(Xiu)-Wo(Long) highway Yuzixi bridge destroyed by “7·10”debris flow

20世紀80年代后期，泡沫鋁材料開始迅速發展，由于具有輕質、高比強度、吸能緩沖能力強等特性，使其成為一種良好的抗沖擊防護材料。Andrews等[5]研究了閉孔泡沫鋁的壓縮性能，指出閉孔泡沫鋁的壓縮性能與其密度、胞壁曲率及胞壁波紋形狀有關。Han等[6]研究了閉孔泡沫鋁材料的能量吸收性能，結果表明閉孔泡沫鋁材料在進入屈服強度后會產生一段很長的應力平臺，這一平臺越長，其耗能能力越好。國內眾多學者也對閉孔泡沫鋁材料的吸能能力對了大量的研究工作。王展光等[7]研究了閉孔泡沫鋁的力學性能及其吸能能力，結果表明閉孔泡沫鋁單軸壓縮應力-應變曲線有三個變形階段，且其抗壓強度及吸能能力隨著孔隙率的增大而降低?？到üΦ萚8]運用一維沖擊波理論，提出了一種用于計算閉孔泡沫鋁緩沖層衰減結構物上沖擊壓力波的簡化方法，并研究了閉孔泡沫鋁相對密度以及厚度對沖擊壓力波的影響。

閉孔泡沫鋁具有良好的緩沖能力，但是在實際應用中由于其模量較低，表面粗糙，不能單獨作為耗能結構使用，使其應用受到限制。于是，將閉孔泡沫鋁和其他高強度板材結合形成所謂的“三明治”結構，使其組合結構具有輕質、高強度、減振吸能等特點，在充分發揮閉孔泡沫鋁材料自身特點的同時解決了其強度低的問題。Yu等[9]利用落錘加載設備研究了閉孔泡沫鋁夾芯梁的變形和失效機理，發現動態加載下夾芯梁由于出現了較大的局部壓入和破壞失效，其能量吸收能力低于準靜態加載。Ruan等[10]研究了閉孔泡沫鋁夾芯板在準靜態壓痕載荷下的力學響應和能量吸收特性，結果表明面板厚度、芯體厚度、邊界條件及黏結劑條件均對夾芯板的力學響應和吸能性能有顯著影響。Ivanez等[11]結合動態彎曲試驗和3D有限元模型對比分析了“三明治”夾芯梁的動態彎曲響應，表明閉孔泡沫芯體的破壞與上層面板的破壞有很大的關系。國內眾多專家學者也對閉孔泡沫鋁夾芯結構的動態沖擊響應及其沖擊性能做了大量的研究工作[12-14]。

泡沫鋁及泡沫鋁“三明治”結構的力學性能和動態響應研究較為成熟。然而，對于泡沫鋁基復合結構的優化研究還尚不完善，在山區橋梁抗泥石流沖擊領域鮮有應用。因此，本文針對泥石流沖擊橋墩的現實問題，引入泡沫鋁夾芯結構加固橋墩，鑒于泥石流沖擊橋墩為低速沖擊過程，應用MTS準靜態壓縮試驗分析并對比五種擬定的泡沫鋁基復合結構的力學性能，確定最優的結構形式，并開展工程應用示范。

1地質模型構建

為保障山區跨泥石流橋墩的安全，引入泡沫鋁材料用于橋墩防撞領域。泡沫鋁作為耗能材料與鋼板組合為夾芯結構包裹在受泥石流沖擊威脅的橋墩處，構建地質模型如圖2所示。擬定一泥石流流體以一定的速度v沖擊橋墩，橋墩迎沖面設置一層一定厚度的泡沫鋁夾芯結構。泡沫鋁夾芯結構為雙層結構，上下層面板采用HPB210鋼板，中層面板采用HPB345鋼板，各層板厚及泡沫鋁芯體厚度依據橋墩抗沖擊等級要求不同而分別設置。

圖2　泥石流沖擊泡沫鋁夾芯結構防護橋墩地質模型Fig.2 The geological model of the debris flow impact bridge pier protected by aluminum foam sandwich panel

2泡沫鋁夾芯結構準靜態壓縮力學性能試驗

泥石流裹挾塊石對橋墩的沖擊過程表現為動態過程，但其沖擊速度一般低于10 m/s，屬于低速沖擊過程。已有研究表明盡管在低速沖擊下也應考慮材料應變率效應的影響[15-16]，然而在泥石流防治工程結構設計中為便于計算，針對泥石流沖擊作用往往采用“準靜態”模型處理，其計算結果較為保守，在工程應用上偏于安全。因此，本文從工程結構設計及應用角度出發采用準靜態壓縮試驗對泥石流沖擊泡沫鋁夾芯結構的力學性能進行分析。

2.1試驗裝置

試驗采用MTS壓縮試驗機，如圖3所示。試驗以0.5～1.0 MPa/s的速率對試樣進行加荷，并通過系統加速度和位移傳感器進行數據采集。

圖3　MTS壓縮試驗機Fig.3 MTS compression testing machine

2.2結構及材料參數

為便于比較不同泡沫鋁夾芯結構耗能緩沖性能，設計五種不同結構形式的泡沫鋁夾芯結構(見圖4)，分為5組，每組6個試件。本文夾芯結構采用元泰達環保建材科技有限責任公司生產的閉孔泡沫鋁，其主要性能為：密度500 kg/m3，彈性模量0.2 GPa，泊松比0.3，屈服強度6 MPa；夾芯結構上下層面板采用HPB210鋼板，其材料性能為：密度7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服強度210 MPa；中層面板采用HPB345鋼板，其材料性能為：密度7 800 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強度345 MPa。Ⅰ型及Ⅱ型結構中閉孔泡沫鋁厚度為100 mm，Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型中上下層閉孔泡沫鋁總厚度為100 mm；夾芯結構中上下層采用6 mm×100 mm×100 mm的HPB210鋼板，中間層采用3 mm×100 mm×100 mm的HPB345鋼板；Ⅱ型、Ⅳ型及Ⅴ型結構中采用2 mm厚的HPB345豎向鋼板，間距25 mm，鋼板的具體長度和寬度由夾芯結構的尺寸決定。

圖4　五種不同結構形式的泡沫鋁夾芯結構模型及試樣Fig.4 Five different structural forms of aluminum foam sandwich panels model and sample

3試驗結果及分析

開展30組準靜態壓縮試驗，共獲得27組有效數據(模型Ⅰ第1組、第2組、第4組由于試驗儀器調置不當未能獲得有效數據)。將每種類型不同組試驗數據繪制于同一坐標，結果見圖5～圖9所示。

3.1應力-應變曲線

圖5為Ⅰ型結構形式實測真實應力-應變曲線和顯示Ⅰ型結構真實應力-應變特征點變化的代表性曲線，該曲線具有以下特征：① 在壓載作用下曲線首先近直線型增長，直至應力到達峰值A點(閉孔泡沫鋁屈服強度點)，該階段為夾芯結構的線彈性變形階段；② 當作用在夾芯結構上的壓載繼續增加超過材料的屈服強度之后，結構能承受的應力有小幅度的急劇降低，最后降至谷底B點；③ 谷底點之后應力再次增長，但增長速率緩慢，該階段為夾芯結構的塑性屈服階段；④ 應力緩慢增長至C點(閉孔泡沫鋁致密化起始點)后開始迅速增長，該階段為夾芯結構的壓致密實化階段。

圖6為Ⅱ型結構形式的實測真實應力-應變曲線和顯示特征點變化的代表性曲線，該曲線具有與Ⅰ型結構應力-應變曲線相似的特征。由于Ⅱ型結構中加入了豎向鋼板，盡管大幅度提升了結構的整體屈服強度，然而A點(鋼板屈服強度點)之后應力開始急速降低，不利于結構的整體耗能與穩定。

圖7為雙層泡沫鋁夾芯結構(Ⅲ型)應力-應變曲線，該曲線具有與Ⅰ型結構相似的應力-應變特征，不同之處在于：由于Ⅲ型采用的是雙層夾芯結構，因此在壓載作用下，其應力-應變曲線表現為兩個相似階段的疊加。第一階段，下層泡沫鋁夾芯層的壓縮階段(O～D段)；第二階段，上層泡沫鋁夾心層的壓縮階段(D～G段)。相比而言，Ⅲ型結構具有穩定上升的屈服平臺，相同厚度下，耗能效果明顯優于Ⅰ型結構。

圖8為Ⅳ型結構形式實測真實應力-應變曲線和顯示特征點變化的代表性曲線，該曲線特征如下：① 壓載作用下下層未加豎向鋼板的泡沫鋁芯體首先被壓縮，因此該階段(O～C段)表現出與Ⅰ型結構相似的特征；② 下層泡沫鋁致密化階段開始的同時上層結構也開始被壓縮，但由于豎向鋼板的剛性支撐，使得結構的整體應力水平相比起始階段提升了近6倍；③ 第二個峰值應力點(D點，豎向鋼板的屈服強度點)之后應力開始急劇降低，降至E點后結構依次進入閉孔泡沫鋁的塑性屈服階段和壓致密實化階段。

圖5 Ⅰ型結構應力-應變曲線及顯示特征點變化的代表性曲線Fig.5Stress-straincurvesofstructureⅠandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints圖6 Ⅱ型結構應力-應變曲線及顯示特征點變化的代表性曲線Fig.6Stress-straincurvesofstructureⅡandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints圖7 Ⅲ型結構應力-應變曲線及顯示特征點變化的代表性曲線Fig.7Stress-straincurvesofstructureⅢandtherepresentativecurveshowsthechangeofthekeypoints

圖8?、粜徒Y構應力-應變曲線及顯示特征點變化的代表性曲線Fig.8 Stress-strain curves of structure Ⅳ and the representative curve shows the change of the key points

圖9為Ⅴ型結構形式實測真實應力-應變曲線和顯示特征點變化的代表性曲線。該結構由于上下兩層均加入了豎向鋼板，因此其應力-應變曲線與另外四種結構有較大區別，主要特征如下：① 壓載作用下中層橫向鋼板首先被壓縮，應力近直線型增長至第一個峰值A點(橫向鋼板的屈服強度點)；② 之后，應力在小幅度降低后又開始增長(上層結構中豎向鋼板開始發揮其剛性支撐作用)，增至第二個應力峰值C點；③ 隨后應力開始急劇下降，降至D點后下層結構中的豎向鋼板也開始被壓縮，因此應力再次上升；④ 第三個峰值E點過后，整體結構開始依次進入閉孔泡沫鋁的塑性屈服和壓致密實階段。

圖9?、跣徒Y構應力-應變曲線及顯示特征點變化的代表性曲線Fig.9 Stress-strain curves of structure Ⅴ and the representative curve shows the change of the key points

3.2變形及失效模式

為了更加直觀地了解每種結構形式的力學性能，試驗過程中采用高速攝像儀記錄每組試樣的變形過程。圖10(a)～(e)分別為具有代表性的五種結構壓縮過程圖像。

壓載作用下，Ⅰ型及Ⅲ型結構變形模式僅表現為泡沫鋁芯體的壓致密實。當泡沫鋁被壓致密實后Ⅰ型結構便失去了耗能緩沖的能力，其失效模式為壓密失效，而Ⅲ型結構失效模式表現為碎裂失效。Ⅱ型結構變形失效模式可歸納為三種，即芯體剪斷、鋼板彎曲和芯體壓縮。由于豎向鋼板的剛性支撐使得壓載作用下兩邊臨空的泡沫鋁芯體首先被剪斷，隨后豎向鋼板開始進入彎曲變形階段，同時內部泡沫鋁也開始被壓縮。Ⅳ型結構變形失效模式類似于Ⅱ型結構，不同之處在于：試樣在壓縮變形的起始階段下層泡沫鋁芯體首先被壓縮，當芯體被壓致密實后上層結構才開始進入Ⅱ型結構的變形失效模式。Ⅴ型結構同樣具有與Ⅱ型相似的變形失效模式，區別在于：內層橫向鋼板發生壓彎破壞現象。

圖10　典型試樣壓縮過程Fig.10 Typical sample compression process

3.3能量吸收

在山區橋墩抗泥石流沖擊領域，衡量防護結構性能的關鍵在于其吸收沖擊能量的能力，目前，評估泡沫緩沖吸能特性主要有緩沖曲線、吸能曲線及能量吸收圖等三種方法。本文通過實驗給出泡沫鋁夾芯結構的能量吸收圖[17]，見圖11。

為便于比較五種不同泡沫鋁夾芯結構的能量吸收能力，從各組中選取一個具有代表性的試樣，繪出能量吸收圖，見圖11。從圖中可以看出，伴隨應變量的增大，五種泡沫鋁夾芯結構的吸收的能量均在逐漸增加；相比于Ⅰ型和Ⅱ型結構，Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型結構的能量吸收能力明顯更強。在應變量ε=0.3之前，Ⅳ型和Ⅴ型結構的能量吸收曲線均高于Ⅲ型結構，這說明在相同應變條件下，Ⅳ型和Ⅴ型結構的能量吸收能力更強；然而，當應變量大于0.5之后，Ⅲ型結構的能量吸收曲線開始高于其余兩種結構，說明在較大應變情況下，Ⅲ型結構具有更強的能量吸收能力；同時，Ⅲ型結構在變形吸能的過程中始終保持著較高、較平穩的能量吸收速率，且在結構允許的變形范圍內吸收的能量也最多。綜合考慮以上情況，最終選擇Ⅲ型為最優化結構形式。

圖11　五種不同泡沫鋁夾芯結構能量吸收圖Fig.11 The energy-absorption diagram of five different aluminum foam sandwich structures

4映秀-臥龍公路橋墩抗沖防護示范工程

省道S303線映秀至臥龍公路是四川九環線的重要路段，是通往臥龍大熊貓自然保護區及四姑娘山的唯一道路，也是川西北小金、丹巴等縣與省會成都最便捷的通道[18]。“5·12”大地震、“7·10”泥石流等重大自然地質災害致使映秀至臥龍公路段遭受嚴重破壞，大量泥石流、崩塌滾石等次生地質災害沖毀、砸壞眾多沿線橋梁，映秀至臥龍公路青崗坪魚子溪大橋受損最為嚴重。為此，本文以確定的最優化結構為基礎提出的橋墩抗沖結構，對S303映臥公路青崗坪漁子溪大橋橋墩實施了泥石流沖擊防護措施(見圖12)，目前，工程已經歷兩個雨季的考驗，效果十分顯著。

圖12　映秀-臥龍公路漁子溪大橋抗沖防護示范工程Fig.12 Demonstration project of anti-impact protection for Yuzixi bridge of Ying xiu-Wo long road

5結論

本文針對橋墩防護領域引入新型泡沫鋁基復合防撞結構，采用MTS準靜態壓縮試驗對比分析五種不同泡沫鋁夾芯結構的力學性能、變形失效模式及吸能能力，得出以下結論：

(1) 壓載試驗表明，閉孔泡沫鋁夾芯結構在進入屈服強度后有寬而平的耗能緩沖應力平臺，可吸收大量的沖擊能量，從而達到耗能緩沖的目的；相比于其他結構而言，Ⅰ型及Ⅲ型結構由于其較長且穩定的塑性屈服平臺可被視為較理想的抗沖擊結構形式，其中相同應變條件下Ⅲ型結構能量吸收能力更為優良。

(2) 壓載作用下，Ⅰ型和Ⅲ型結構的變形模式僅表現為泡沫鋁芯體的壓致密實，失效模式可分別歸結為壓密失效和碎裂失效；Ⅱ型、Ⅳ型和Ⅴ型結構的變形及失效模式可歸納為三種，即芯體剪斷、鋼板彎曲和芯體壓縮。

(3) 采用能量吸收圖比較了五種不同泡沫鋁夾芯結構的能量吸收能力，最終選擇Ⅲ型為最優化結構形式。在此基礎上，將最優化泡沫鋁夾芯結構應用于S303映臥公路漁子溪大橋橋墩防護工程中，取得了較好的應用效果。

參 考 文 獻

[1] 王全才，劉希林，孔紀名，等. 都汶公路泥石流對溝口橋梁危險性評價[J]. 地球科學進展，2004, 19(增刊1): 238-241.

WANG Quan-cai, LIU Xi-lin, KONG Ji-ming, et al. Risk assessment of debris flow to bridge pier of Duwen road [J]. Advances in Earth Science, 2004, 19(Sup1): 238-241.

[2] 何思明，莊衛林，張雄，等. 都汶公路徹底關大橋橋墩抗滾石沖擊防護研究[J]. 巖石力學與工程學報，2013, 32(2): 3421-3427.

HE Si-ming, ZHUANG Wei-lin, ZHANG Xiong, et al.Research on rockfall impact prevention of Che Di-guan bridge pier, Duwen road [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(2): 3421-3427.

[3] 王東坡，何思明，吳永，等. 滾石防護棚洞EPS墊層結構緩沖作用研究[J]. 振動與沖擊，2014, 33(4): 199-203.

WANG Dong-po, HE Si-ming,WU Yong, et al. Cushioning effect of rock sheds with EPS sushion on rock-falls action [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(4): 199-203.

[4] 向波，何思明，歐陽朝軍，等. 都(江堰)-汶(川)高速沙坪大橋橋面柔性滾石防護技術研究[J]. 四川大學學報:工程科學版，2014, 46(2): 8-13.

XIANG Bo, HE Si-ming, OUYANG Chao-jun, et al. Study about the flexible protection technology against rockfall for the deck of shaping bridge on the Dujiangyan-Wenchuan highway [J]. Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2014, 46(2): 8-13.

[5] Andrews E, Sanders E, Gibon L J. Compressive and tensile behavior of aluminum foam [J]. Material Science Engineering, 1999, A270: 113-124.

[6] Han Fu-sheng, Zhu Zhen-gang, Gao Jun-chang, et al. Compressive deformation and energy absorbing characteristic of foamed aluminum [J]. Metallurgical and Materials Transactions, 1998, 29: 2497-2502.

[7] 王展光，蔡萍，應建中，等. 閉孔泡沫鋁的力學性能和吸能能力[J]. 材料導報B：研究篇，2012, 26(5): 152-155.

WANG Zhan-guang,CAI Ping, YING Jian-zhong, et al. Mechanical properties and energy absorption capability of closed cell aluminum foam [J]. Materials Review B: Research Articles, 2012, 26(5): 152-155.

[8] 康建功，石少卿，陳進.泡沫鋁衰減沖擊波壓力的理論分析[J]. 振動與沖擊，2010, 29(12): 128-131.

KANG Jian-gong, SHI Shao-qing, CHEN Jin. Theoretical analysis of shock wave pressure of aluminum foam [J].Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(12): 128-131.

[9] Yu J L, Wang X, Wei Z G, et al. Deformation and failure mechanism of dynamically loaded sandwich beams with aluminum-foam fore[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003, 28(3): 331-347.

[10] D Ruan, G Lu, Y C Wong. Quasi-static indentation tests on aluminium foam sandwich panels [J]. Composite Structures, 2010, 92(9): 2039-2046.

[11] Ivanez I, Santiuste C, Sanchez-Saez S. FEM analysis of dynamic flexural behaviour of composite sandwich beams with foam core [J]. Composite Structures, 2010, 92(9): 2285-2291.

[12] 鄒廣平，唱忠良，明如海，等. 泡沫鋁夾芯板的沖擊性能研究[J]. 兵工學報，2009, 30(2): 276-279.

ZOU Guang-ping, CHANG Zhong-liang, MING Ru-hai, et al. Study on impact properties of aluminum foam sandwich panels [J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(2): 276-279.

[13] 宋延澤，趙隆茂，趙勇剛. 撞擊載荷下泡沫鋁夾層板的動力響應[J]. 爆炸與沖擊，2010, 30(3): 301-307.

SONG Yan-ze, ZHAO Long-mao, ZHAO Yong-gang. Dynamic response of aluminum foam sandwich plate under impact load [J]. Explosion and Shock Waves, 2010,30(3): 301-307.

[14] 敬霖，王志華，趙隆茂，等. 撞擊荷載下泡沫鋁夾芯梁的塑性動力響應[J]. 爆炸與沖擊，2010,30(6): 561-568.

JING Lin, WANG Zhi-hua, ZHAO Long-mao, et al. Dynamic plastic response of foam sandwich beams subjected to impact loading [J]. Explosion and Shock Waves, 2010,30(6): 561-568.

[15] 王永剛，王春雷．結構特征參數和應變速率對泡沫鋁壓縮力學性能的影響[J]．兵工學報，2011, 32(1): 106-111．

WANG Yong-gang, WANG Chun-lei. Effect of structure characteristic parameters and strain rate on the compressive mechanical properties of aluminum foams[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(1): 106-111．

[16] 李斌潮，趙桂平，盧天健. 閉孔泡沫鋁低速沖擊防護的臨界條件與優化設計[J]. 固體力學學報，2011, 32(4): 325-338．

LI Bin-chao, ZHAO Gui-ping, LU Tian-jian. Critical conditions and optimal design of closed-celled aluminum foam protection under low velocity impact[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2011, 32(4): 325-338．

[17] 萬劍芳，屠永清. 不同基體泡沫鋁材料的吸能特性研究[J]. 煤礦機械，2009, 30(2): 70-72.

WAN Jian-fang, TU Yong-qing.Study on energy absorption properties of aluminum foams with different matrix foam [J]. Coal Mine Machinery, 2009, 30(2): 70-72.

[18] 何思明，王東坡，吳永. 崩塌滾石災害的力學機理與防治技術[J]. 自然雜志，2014, 36(5): 336-345.

HE Si-ming, WANG Dong-po, WU Yong. Formation mechanism and key prevention technology of rockfalls [J]. Chinese Journal of Nature, 2014, 36(5): 336-345.

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

基金項目：國家自然科學基金(41502297;41572303)；中國科學院科技服務網絡計劃項目(KFJ-EW-STS-094)；國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(2013CB733201)

收稿日期：2015-08-03修改稿收到日期：2015-10-09

中圖分類號:TU443

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.10.017

第一作者 王東坡 男，博士，講師，1984年生

E-mail:wangdongpo2014@cdut.edu.cn