本发明属于桥梁减隔震，具体涉及一种超材料钢管混凝土桥墩及施工方法。
背景技术：
1、近年来，随着中国经济和建设的快速发展，桥梁建设需求大幅增加。桥墩作为桥梁结构的主要支撑和重要抗侧力构件，对整体结构的稳定性至关重要。传统的钢筋混凝土桥墩在地震中存在设计和施工缺陷，如墩柱抗弯设计不足、抗剪强度不足等，容易导致严重破坏。而钢管混凝土桥墩因其承载力高、延性好、施工优势等方面的优势逐渐成为更合适的选择。其延性和耗能性能优越，是抗震设计的重要优势。
2、由于地震作业的影响，尽管钢管混凝土桥墩较之原有的普通桥墩已经有了较好的抗震性能，但是由于钢管混凝土桥墩本身是由钢管以及混凝土填筑形成，针对目前的使用情况，如果在地震的作用下，钢管混凝土桥墩会经历以下问题：(1)桥墩的位移和变形：钢管混凝土桥墩在地震中可能发生较大的位移和变形，这可能导致桥墩失去稳定性，甚至倒塌；(2)钢管破坏：地震的动态加载可能导致钢管混凝土桥墩中的钢管发生弯曲、扭曲或断裂等破坏情况，进而影响桥墩的整体性能；(3)混凝土开裂和剥落：地震荷载可能导致混凝土桥墩发生开裂和剥落，这会降低桥墩的强度和耐久性。同时，由于钢管混凝土桥墩的结构复杂性，维修和加固工作可能相对困难。这可能导致在地震后恢复和修复工作的复杂性和成本增加。
3、地震超材料是基于声子晶体和弹性波超材料的一种衰减地震波的周期性排列的人工结构。地震超材料具有带隙特性，处在带隙的频率范围内的地震波受到抑制或者禁止不能在地震超材料中传播。因而地震超材料可以应用于振动控制和噪音消除技术，以改善设备的运行性能和使用寿命。对于添加了超材料的钢管混凝土桥墩，其目的就在于调制、减弱甚至阻止自然地震波的传播。
4、地震超材料的形成原理基本上都遵循相似的设计原则，其目的是通过特定的结构和组合来实现宽带隙，从而有效地衰减地震波的传播效果。这些材料的独特设计使其能够改变地震波的传播方式，减轻或甚至消除地震造成的破坏性影响。首先，地震超材料的设计需要考虑材料的物理性质和结构；其次，超材料的关键在于形成宽带隙，即指在一定频率范围内对地震波有较高的衰减效果，使地震波在超材料中传播时会受到多重散射和干涉效应的影响，从而导致能量的衰减和分散。总之，地震超材料的设计原理是通过精确的材料选择、合理的结构设计和优化的特征参数，形成宽带隙以控制地震波的传播。
5、与此同时，嵌套式结构在减隔震方面拥有潜在的优势，但是现有技术的限制的条件下，可能会有一些不足：(1)嵌套结构涉及多个层次的组合和连接，因此在设计和建造过程中会更加复杂，这可能需要更高级的工程技术和专业知识，并增加施工时间和成本；(2)嵌套结构的复杂性可能导致维护和修复变得更加困难；(3)如果目前没有较多示例去支撑嵌套结构，那么采用嵌套结构可能会在未来面临相关技术风险未知因素。
技术实现思路
1、发明目的：本发明通过与天然材料所不同，源自内部组成材料的结构布阵所形成的一种人工复合材料-超材料来进行设计，解决如下技术问题：(1)通过设计新型材料和结构，提高桥墩的抗震能力，降低在地震等自然灾害中的破坏风险；(2)超材料可以提供更高的强度和更轻的重量，因此可以减轻桥墩的自重，降低对地基的压力，从而减少地基沉降和变形，提高桥梁的稳定性和安全性，这样也间接提升了桥墩在地震作用下的稳定性；(3)超材料的特殊性能和加工工艺可以实现更灵活多样的桥墩结构设计，满足不同场景和要求的需要，在不同的地区以及不同的地震波状态下可以提高桥梁的适用性和可塑性，这样可以使得该桥墩有着更为广泛的使用以及寿命的提高来减少维护成本，基于此，本发明提供了一种超材料钢管混凝土桥墩，是通过嵌套式的结构设计而成的一种宽带隙地震超材料，由多个层次的材料组成，每个层次都具有不同的物理性质和结构，这种设计可以实现多重反射、干涉和散射效应，从而有效地减弱地震波的传播。
2、为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种超材料钢管混凝土桥墩，包括墩柱，所述墩柱放置于承台的上方，所述墩柱放置于预制盖梁的下方，所述墩柱沿径向截面上自内部而外依次包括预应力筋、内混凝土层、橡胶管、外混凝土层、主要钢管。
3、进一步地，主要钢管包括内钢管和套设在所述内钢管外部的外钢管，所述内钢管和外钢管之间形成了一个空心的柱体结构，所述柱体结构的内部设在若干加强筋和连接件；确保主要钢管与混凝土之间能够有效地锚固和传递力量。
4、进一步地，所述墩柱与预制盖梁通过上连接节点进行连接，所述上连接节点包括上部分段钢管和上部内插钢筋，墩柱的顶端内置上部内插钢筋，预制盖梁内置上部分段钢管，所述主要钢管、上部内插钢筋与上部分段钢管进行连接。
5、进一步地，所述墩柱与承台通过下连接节点进行连接，所述下连接节点包括下部内插钢筋，墩柱的底端内置下部内插钢筋，承台设有预留孔，下部内插钢筋穿过预留孔通过锚固螺栓与承台连接。
6、进一步地，所述橡胶管选自硬度为50～70的丁苯橡胶或丁腈橡胶；传统的钢管混凝土桥墩包括钢管、混凝土，而本发明中在需要选择一种具有良好的机械性能和地震波吸收特性的基础材料，选择了常见的结构：橡胶。
7、进一步地，所述墩体为圆柱形结构，所述墩体的直径为4.5～7.5m，主要钢管的壁厚为0.8～1.2m，主要钢管的壁厚与橡胶管的厚度的比例为2：1，橡胶管与主要钢管的间距为0.6～1.0m，预应力筋与橡胶管的间距为0.4～0.6m。
8、上述的超材料钢管混凝土桥墩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
9、(1)工厂预制：主要钢管、内置两个上部分段钢管的预制盖梁、橡胶管；
10、(2)安装：根据橡胶管与主要钢管的间距为0.6～1.0m，将主要钢管安装在橡胶管的外部；
11、(3)填筑混凝土：将外混凝土层填筑在主要钢管与橡胶管之间，将内混凝土层填筑在橡胶管的内部，并在内混凝土层的内部开设通孔，通孔的内部放置预应力筋，得到墩柱；墩柱的顶端和底端分别内置上部内插钢筋和下部内插钢筋；
12、(4)墩柱连接承台和预制盖梁：将下部内插钢筋穿过承台内置的预留孔通过锚固螺栓连接，将上部内插钢筋插入预制盖梁，上部分段钢管与主要钢管进行连接。
13、在进行安装之前，先进行墩柱的制作，根据实施场地所需要的要求来进行焊接和连接，组装成桥墩。
14、本发明中的地震超材料，不同于工程上传统抗震方法，不是在桥墩中通过安装诸如阻尼器等减震结构来达到减隔震效果，而是在桥墩的墩体自身通过常见材料：钢管、橡胶管、混凝土的排列，即嵌套式结构来实现，利用它的带隙特性，使处于带隙内的地震波在通过桥墩的传递到达桥梁体这一结构之前被控制并减弱，低成本实现建筑物的抗震。
15、通过钢管、混凝土、橡胶这不同层次的设计来发挥出地震超材料的能带结构优势，而带隙的增加，谐振模式提高，总带隙宽度变宽，自然对于地震的减隔震提高。总而言之，是类俄罗斯套娃地震超材料的振动模式，以使得带隙加宽的这一机理在结构中表示。在径向截面上由外部至内依次为主要钢管、外混凝土层、橡胶管和内混凝土层的梯度材料的设计来实现更好的性能，梯度材料表明材料的性质在空间上逐渐变化；通过引入梯度结构，形成了嵌套式的地震超材料结构，再通过施工结合所形成的超材料钢管混凝土桥墩，可以实现地震波的逐层减弱和分散，提高地震防护效果。
16、与传统的钢管混凝土桥墩的施工方法相比，本发明的施工方法在大体上采用相同的拼接方式，但同时在一开始有采用工厂预制的方式，简化了相应钢筋的繁琐过程；并且在墩柱中间插入橡胶管，使得内部结构更为紧凑；而相应的混凝土在其中的浇筑量也相应的减少，这也使得在由于地区地震差异下，如果选择密实混凝土等材料更好、价格更低的混凝土时的成本降低。该施工方法的使用，在一定程度上减少了施工时间、施工成本和人力成本，在一开始设计好以后也通过研究保证了相关结构的初步稳定和耐久性；与此同时，在传统的施工方法上加以进行预制设计、安装等改进，在有着建设知识的基础上，降低了施工过程中的风险和事故发生率。
17、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的超材料钢管混凝土桥墩具有更好的减隔震效果，与传统的钢管混凝土桥墩相比，在墩体中间添加有预应力筋，增加了桥墩的承载能力和稳定性，对主要钢管的外部可以进行涂层保护，相应地强度等也进一步地提升，因此，也具有更好的承载能力；而因为在一开始就有了对相应墩体的设计构造，所以预制过后简化了施工流程，也能够更好地适应各种地形要求。同时，超材料这种人工复合材料在地震作用下所产生的局部波频振动，可以对不同频率的竖向振动和水平方向的振动来进行衰减，对于建筑结构在地震防护方面有着很大的应用前景。
1.一种超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，包括墩柱，所述墩柱放置于承台(4)的上方，所述墩柱放置于预制盖梁(6)的下方，其特征在于，所述墩柱沿径向截面上自内部而外依次包括预应力筋(5)、内混凝土层(11)、橡胶管(2)、外混凝土层(12)、主要钢管(3)。
2.根据权利要求1所述的超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述主要钢管(3)包括内钢管(31)和套设在所述内钢管(31)外部的外钢管(32)，所述内钢管(31)和外钢管(32)之间形成了一个空心的柱体结构，所述柱体结构的内部设在若干加强筋和连接件。
3.根据权利要求1所述的超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述墩柱与预制盖梁(6)通过上连接节点进行连接，所述上连接节点包括上部分段钢管(9)和上部内插钢筋(10)，墩柱的顶端内置上部内插钢筋(10)，预制盖梁(6)内置上部分段钢管(9)，所述主要钢管(3)、上部内插钢筋(10)与上部分段钢管(9)进行连接。
4.根据权利要求1所述的超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述墩柱与承台(4)通过下连接节点进行连接，所述下连接节点包括下部内插钢筋(7)，墩柱的底端内置下部内插钢筋(7)，承台(4)设有预留孔，下部内插钢筋(7)穿过预留孔通过锚固螺栓(8)与承台(4)连接。
5.根据权利要求1所述的超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述橡胶管选自硬度为50～70的丁苯橡胶或丁腈橡胶。
6.根据权利要求1所述的超材料钢管混凝土桥墩，其特征在于，所述墩体为圆柱形结构，所述墩体的直径为4.5～7.5m，主要钢管的壁厚为0.8～1.2m，主要钢管的壁厚与橡胶管的厚度的比例为2：1，橡胶管与主要钢管的间距为0.6～1.0m，预应力筋与橡胶管的间距为0.4～0.8m。
7.权利要求1～6任一项所述的超材料钢管混凝土桥墩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
