CN102535401A - 一种复合材料浮体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料浮体结构，包括浮体单元（1），浮体单元（1）由壳体（2）和填充在壳体（2）内的填充材料体（3）构成，所述浮体单元（1）的两端分别设有一向内凹进浮体单元（1）的凹端接头（4）和一向外凸出浮体单元（1）并与凹端接头（4）相吻合的凸端接头（5），相邻且相互连接的两个浮体单元（1）通过凹端接头（4）和凸端接头（5）嵌合相连后采用连接件（6）固定相连。本发明的浮体单元之间通过凹凸接头嵌合相连后通过沿其宽度方向设置的连接孔采用插销锁定或采用外法兰与螺栓配合的形式连成整体，具有结构简单、成本低、安装维护方便、自浮性强的特点，适用于防撞构件或组装为浮桥、浮码头等水上浮动平台。

Description

一种复合材料浮体结构

技术领域

本发明涉及一种水上浮体结构，尤其是一种利用复合材料制造的低成本、弹性大、耐腐蚀的浮体结构，具体地说是一种适用于各类桥梁的桥墩及近岸码头、水上建筑、海洋建筑用以减轻船舶、浮冰或车辆等撞击灾害以及可拼接为移动式水上栈桥码头、浮桥的复合材料浮体结构。 

背景技术

根据有关资料文献的介绍，船撞桥事故在世界各地一直在不断地发生，船撞桥事故的频率远比我们想象的更高。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是惊人的。很多船撞桥事故轻则损失数万元，重则人员伤亡、损失以数百万、数千万甚至数十亿美元计，大量的间接损失更是难以计算。随着交通运输业的快速发展，我国近期修建的跨越通航江河、港区和海峡的大型桥梁数量逐步增多，而航道上船舶数量也不断增加且船型趋于大型化，使得桥梁和通行船舶之间的矛盾日趋突出，因此船舶撞击桥墩的事故亦不断增加。如武汉长江大桥，自1975年建成到1999年12月18日共发生了70起，其中直接经济损失上百万的大事故超过l0起，而发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事件更达到300余起以上。桥梁防船撞问题也正逐渐得到了有关航运管理、规划设计等部门的高度重视。 

为此，国外的学者已率先开展了相关的研究，提出了船桥碰撞理论，并设计出了一些桥梁防护设施。我国主要集中在借鉴和参考国外研究成果，进行实例桥梁的防撞装置的设计和应用，其成果被部分规范引用，但桥梁防撞击的研究工作和防撞装置的安装在我国仍然未能引起足够的重视。此外，现有防撞装置几何尺度偏大，外形欠美观，维护费用较高，也不能满足现代交通对桥墩防撞装置的要求。 

桥梁采取防撞措施的根本目的是：防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承载力而造成结构毁坏，同时尽可能地保护船舶，将损失减小到最低程度。防撞设施的型式不同，其工作机理就不同，或阻止船舶撞击力传到桥墩，或通过缓冲消能延长船舶撞击时间、减小船舶撞击力，最终达到保护桥梁安全的目的。各种类型的桥墩防撞设施的基本工作原理都是吸收能量、缓冲动能，每种防撞措施都有其特点和使用条件。目前常用的桩群方式、薄壳筑沙围堰方式、人工岛方式等，一般适用于水浅、地质情况较好的场合，虽然一劳永逸，但会影响航道，且常常因为造价太高或者条件不具备而放弃。而钢结构套箱消能设施利用钢材塑性变形破损消能，但其通常承受单次撞击，撞损后维修较困难；同时碰撞时船体易受损伤；另外钢材常年在水中易锈蚀，维护费用较高，故采用新材料设计开发新型防撞系统迫在眉睫。 

浮桥是一种由若干个具有良好通用性和互换性的浮体单元组成，根据不同的需求，配置必要的专用设备或工具后，广泛运用于交通保障、水上工程施工和特殊工程等领域，特别适合交通不便地区和浅水区域。由于浮桥架设简便，成桥迅速，整体采用模块化技术，机动性强，在军事上常被应用，因此又称“战桥”。浮桥可用于人行、公路、铁路，其构造并不复杂，架拆也方便，但维修费用高。浮桥作为跨水域浮式通道，在军事与民用领域的应用由来已久。与永久式桥梁相比，浮桥具有建造周期短、投资省(仅为同等通行能力固定桥的1/6～1/10)，机动性强和对水文、地质条件适应能力强等优点。但由于浮桥在解决立体交通、防腐以及抗风浪等方面的局限性，过去一直把它作为临时性水上交通设施。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的浮体结构耐候性差、成本高、修复难度大的问题，提供一种弹性变形大、耗能多、延缓时间长且自重轻、拼接方便、稳定性好的复合材料浮体结构。 

本发明的目的是通过以下技术方案解决的： 

一种复合材料浮体结构，包括浮体单元，浮体单元由壳体和填充在壳体内的填充材料体构成，所述浮体单元的两端分别设有一向内凹进浮体单元的凹端接头和一向外凸出浮体单元并与凹端接头相吻合的凸端接头，相邻且相互连接的两个浮体单元通过凹端接头和凸端接头嵌合相连后采用连接件固定相连。

所述浮体单元的两端分别设有连接孔，连接孔分别位于浮体单元的凹端接头处和凸端接头处且连接孔分别贯穿凹端接头和凸端接头位置处的浮体单元的端部。 

所述凹端接头处的连接孔和凸端接头处的连接孔位置一一对应；所述的凹端接头和凸端接头嵌合相连后采用连接件插入连接孔使相邻且相互连接的两个浮体单元固定相连。 

所述的连接件为尼龙棒、不锈钢管或防腐木棒制成的插销。 

所述浮体单元的两端皆设有外法兰，外法兰沿凹端接头和凸端接头的端面外侧设置。 

所述的凹端接头和凸端接头嵌合相连后采用连接件连接外法兰使相邻且相互连接的两个浮体单元固定相连。 

所述的连接件为金属或复合材料制成的螺栓。 

所述的凹端接头内设有向凹端接头的外侧凸出的凸块；所述的凸端接头内设有向凸端接头的内侧凹进与凹端接头内的凸块相吻合的凹槽。 

所述的浮体单元的内侧设有固定在浮体单元上的护舷，护舷的内侧设有聚四氟乙烯滑板制成的滑动装置。 

所述的填充材料体为缓冲耗能材料或者缓冲耗能材料和缓冲耗能空间格构体的组合；所述的缓冲耗能材料为聚氨酯泡沫，缓冲耗能空间格构体采用纤维与树脂制成，纤维为玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂中的一种。 

本发明相比现有技术有如下优点： 

1、本发明的浮体单元的两端分别设置凹凸接头，相邻且相互连接的浮体单元通过凹凸接头嵌合相连后通过沿凹凸接头宽度方向设置的连接孔采用插销锁定或者采用外法兰与螺栓配合的形式连成整体，独立的浮体单元之间安装便捷且容易更换。

2、本发明的浮体单元可根据自重轻、拼接方便、稳定性好的特点，拼接安装为多种连接可靠、受力合理、便于安装的浮桥、浮码头等水上浮动平台，可随着水潮涨落而自动升降。 

3、本发明浮体单元的外壳采用了强耐腐蚀、力学特性优越的纤维增强复合材料，具有良好的抗侯性及抗冲击破坏性，能防紫外线、防冻、抗海水化学剂油渍等侵蚀；同时壳体内部紧密填充的缓冲耗能材料的缓冲耗能能力强，并能通过泡沫挤压和缓冲耗能空间格构体屈曲消耗大量能量，具有较大的变形能力，能压缩后自恢复而不破坏可适应江水、海水等各种恶劣环境，可有效保护船舶不至于局部受损并减小了维护费用。 

4、本发明的浮体结构自浮性强、缓冲性好、弹性模量低，并具有结构简单、制造成本低、安装维护方便的特点，适宜推广使用。 

附图说明

附图1为本发明的浮体单元横断面结构示意图； 

附图2为本发明的带连接孔的浮体单元结构示意图，其中图2（a）为两端分别设置一个凹端接头和一个凸端接头的浮体单元结构示意图，图2（b）为两端分别设置一个带凸块的凹端接头和一个带凹槽的凸端接头的浮体单元结构示意图，图2（c）为两端分别设置两个凹端接头和两个凸端接头的浮体单元结构示意图，图2（d）为两端分别设置两个带凸块的凹端接头和两个带凹槽的凸端接头的浮体单元结构示意图，图2（e）为两端分别设置一个带凸块的凹端接头和一个带凹槽的凸端接头的弯曲段浮体单元结构示意图；

附图3为本发明的带连接孔的浮体单元拼接结构示意图，其中图3（a）为两端分别设置一个凹端接头和一个凸端接头的浮体单元拼接结构示意图，图3（b）为两端分别设置一个带凸块的凹端接头和一个带凹槽的凸端接头的浮体单元拼接结构示意图，图3（c）为两端分别设置两个凹端接头和两个凸端接头的浮体单元拼接结构示意图，图3（d）为两端分别设置两个带凸块的凹端接头和两个带凹槽的凸端接头的浮体单元拼接结构示意图，图3（e）为两端分别设置一个带凸块的凹端接头和一个带凹槽的凸端接头的弯曲段浮体单元拼接结构示意图；

附图4为本发明的带连接孔的浮体单元端部拼接时连接件的结构示意图，其中图4（a）为顶端和底端分别扩大端头和设置径向栓孔的等直径插销，图4（b）为顶端和底端分别设置径向栓孔的等直径插销，图4（c）为顶端设置径向栓孔的变直径插销，图4（d）为端部无径向栓孔的变直径插销；

附图5为本发明的带框型外法兰的浮体单元拼接结构示意图，其中图5（a）为水平放置的浮体单元拼接结构示意图，图5（b）为竖直放置的浮体单元拼接结构示意图；

附图6为本发明的带单侧外法兰的浮体单元拼接结构示意图；

附图7为本发明的带单侧外法兰且底部设置凹槽的浮体单元拼接结构示意图；

附图8为本发明的浮体单元在桥梁墩柱或承台上安装使用状态示意图。

其中：1—浮体单元；2—壳体；3—填充材料体；4—凹端接头；5—凸端接头；6—连接件；7—连接孔；8—外法兰；9—护舷；10—滑动装置；11—缓冲耗能材料；12—缓冲耗能空间格构体。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1-7所示：一种复合材料浮体结构，包括浮体单元1，浮体单元1由壳体2和填充在壳体2内的填充材料体3构成，壳体2采用纤维与树脂制成，纤维为玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂中的一种，另外壳体2也可为内部填充有轻木或泡沫等材料的夹层结构；填充材料体3为缓冲耗能材料11或者缓冲耗能材料11和缓冲耗能空间格构体12的组合；缓冲耗能材料11为聚氨酯泡沫，缓冲耗能空间格构体12采用纤维与树脂制成，纤维为玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂中的一种。浮体单元1为适用不同的托承基础可根据情况选用直线形构件、弯曲形构件或其它异型构件，在浮体单元1的内侧设有固定在浮体单元1上的护舷9，护舷9的内侧设有聚四氟乙烯滑板制成的滑动装置10。浮体单元1的两端分别设有一向内凹进浮体单元1的凹端接头4和一向外凸出浮体单元1并与凹端接头4相吻合的凸端接头5，相邻且相互连接的两个浮体单元1通过凹端接头4和凸端接头5嵌合相连后采用连接件6固定相连；并且为了凹端接头4和凸端接头5嵌合相连的稳定性，还可在凹端接头4内设置向凹端接头4的外侧凸出的凸块，同时在凸端接头5内设有向凸端接头5的内侧凹进与凹端接头4内的凸块相吻合的凹槽。该类浮体单元1之间的可采用两种固定方式固定相连，其中一种是在浮体单元1的两端分别设置连接孔7，连接孔7分别位于浮体单元1的凹端接头4处和凸端接头5处且连接孔7分别贯穿凹端接头4和凸端接头5位置处的浮体单元1的端部，凹端接头4处的连接孔7和凸端接头5处的连接孔7位置一一对应，在连接浮体单元1时，凹端接头4和凸端接头5嵌合相连后采用连接件6插入连接孔7使相邻且相互连接的两个浮体单元1固定相连，此时连接件6为尼龙棒、不锈钢管或防腐木棒制成的插销，插销的结构可根据需要选用；另一种固定方式为在浮体单元1的两端设置外法兰8，外法兰8沿凹端接头4和凸端接头5的端面外侧设置，在连接浮体单元1时，凹端接头4和凸端接头5嵌合相连后采用连接件6连接外法兰8使相邻且相互连接的两个浮体单元1固定相连，该连接件6为金属或复合材料制成的螺栓。 

本发明浮体单元1的两端分别设置凹端接头4和凸端接头5，相邻且相互连接的浮体单元1通过凹端接头4和凸端接头5嵌合相连后通过沿凹端接头4和凸端接头5宽度方向设置的连接孔7采用插销作为连接件6锁定或者采用外法兰8与螺栓作为连接件6配合的形式连成整体，独立的浮体单元1之间安装便捷且容易更换。浮体单元1之间的连接方式如图3、图5、图6和图7所示。浮体单元1的外壳2采用了强耐腐蚀、力学特性优越的纤维增强复合材料，具有良好的抗侯性及抗冲击破坏性，能防紫外线、防冻、抗海水化学剂油渍等侵蚀；同时壳体2的内部紧密填充的缓冲耗能材料11的缓冲耗能能力强，并能通过泡沫挤压和缓冲耗能空间格构体12的屈曲消耗大量能量，具有较大的变形能力，能压缩后自恢复而不破坏可适应江水、海水等各种恶劣环境，可有效保护船舶不至于局部受损并减小了维护费用。该浮体单元1具有自浮性强、缓冲性好、弹性模量低、结构简单、成本低和安装维护方便的特点，拼接方便、稳定性好，适用于防撞构件或组装为浮桥、浮码头等水上浮动平台。 

本发明的浮体单元1的端部设置的凹端接头4和凸端接头5的数量和结构形式可根据需要采用，例如图5（a）显示的水平放置的带外法兰的浮体单元1拼接安装后，适用于拼接水上平台、浮桥等等水上浮动平台；而图5（b）显示的竖直放置的带外法兰的浮体单元1拼接安装后，则适用于拼接在桥梁墩柱或承台上的外侧作为防撞单元。 

本发明的复合材料浮体结构安装在桥梁墩柱或承台上时的状态如图8所示。浮体单元1的壳体2采用玻璃纤维与不饱和聚酯树脂通过真空导入一次成型工艺制备，壳体2内填充聚氨酯泡沫作为缓冲耗能材料11；采用采用凹端接头4、凸端接头5和插销作为连接件6将不同尺度的六个浮体单元1连接成一个闭合完整的等截面六边形环状装置；在浮体单元1与桥墩的接触侧安装橡胶护舷9作为缓冲防撞第一道防线，在橡胶护舷9与桥墩接触侧安装聚四氟乙烯滑板作为滑动装置10。 

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。 

Claims (10)

1.一种复合材料浮体结构，包括浮体单元（1），浮体单元（1）由壳体（2）和填充在壳体（2）内的填充材料体（3）构成，其特征在于所述浮体单元（1）的两端分别设有一向内凹进浮体单元（1）的凹端接头（4）和一向外凸出浮体单元（1）并与凹端接头（4）相吻合的凸端接头（5），相邻且相互连接的两个浮体单元（1）通过凹端接头（4）和凸端接头（5）嵌合相连后采用连接件（6）固定相连。

2.根据权利要求1所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述浮体单元（1）的两端分别设有连接孔（7），连接孔（7）分别位于浮体单元（1）的凹端接头（4）处和凸端接头（5）处且连接孔（7）分别贯穿凹端接头（4）和凸端接头（5）位置处的浮体单元（1）的端部。

3.根据权利要求2所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述凹端接头（4）处的连接孔（7）和凸端接头（5）处的连接孔（7）位置一一对应；所述的凹端接头（4）和凸端接头（5）嵌合相连后采用连接件（6）插入连接孔（7）使相邻且相互连接的两个浮体单元（1）固定相连。

4.根据权利要求3所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的连接件（6）为尼龙棒、不锈钢管或防腐木棒制成的插销。

5.根据权利要求1所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述浮体单元（1）的两端皆设有外法兰（8），外法兰（8）沿凹端接头（4）和凸端接头（5）的端面外侧设置。

6.根据权利要求5所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的凹端接头（4）和凸端接头（5）嵌合相连后采用连接件（6）连接外法兰（8）使相邻且相互连接的两个浮体单元（1）固定相连。

7.根据权利要求6所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的连接件（6）为金属或复合材料制成的螺栓。

8.根据权利要求1所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的凹端接头（4）内设有向凹端接头（4）的外侧凸出的凸块；所述的凸端接头（5）内设有向凸端接头（5）的内侧凹进与凹端接头（4）内的凸块相吻合的凹槽。

9.根据权利要求1所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的浮体单元（1）的内侧设有固定在浮体单元（1）上的护舷（9），护舷（9）的内侧设有聚四氟乙烯滑板制成的滑动装置（10）。

10.根据权利要求1所述的复合材料浮体结构，其特征在于所述的填充材料体（3）为缓冲耗能材料（11）或者缓冲耗能材料（11）和缓冲耗能空间格构体（12）的组合；所述的缓冲耗能材料（11）为聚氨酯泡沫，缓冲耗能空间格构体（12）采用纤维与树脂制成，纤维为玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂中的一种。

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