CN102561230A - 一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，它包括防撞单元（1），防撞单元（1）包括壳体（2）和位于壳体（2）内的填充材料体（3），所述的壳体（2）为复合材料面层（4）构成的实心壳体或者为内部填充有夹芯材料（5）的复合材料面层（4）与夹心材料（5）构成的夹层壳体；所述的填充材料体（3）包括空间格构体（6）和耗能材料（7），空间格构体（6）由纤维腹板（8）呈单层单向、单层双向、多层单向或多层多向布置在壳体（2）内构成，耗能材料（7）位于纤维腹板（8）之间和/或纤维腹板（8）与壳体（2）的内壁之间。本发明的防撞装置具有成本低、防撞性强、寿命长，易组装更换的特点，适宜推广使用。

Description

一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置

技术领域

本发明涉及一种桥梁或码头防撞结构，尤其是一种利用复合材料制造的低成本绿色防撞装置，具体地说是一种适用于各类桥梁的桥墩、桥塔、承台、码头、水上建筑、海洋建筑以及航船用以减轻船舶、浮冰或车辆等撞击灾害的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置。

背景技术

众所周知，船（车）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。因此对桥梁采取防撞措施尤为必要，其根本目的是：防止桥梁因船舶（车辆）撞击力而发生结构毁坏，同时尽可能地保护船舶（车辆），将损失减小到最低程度。

经过多年的研究应用，国内外出现了多种针对船桥碰撞的桥墩防撞设施，但其基本原理是基于能量吸收、动量缓冲而设计的，每种防撞设施都有其特点和使用条件。具体来说防撞设施可分为两大类：一为间接式，其特点为：在桥墩之外另设防撞设施，桥墩不直接受力，让桥墩彻底回避船舶撞击的问题。如：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。间接式防撞方法虽然一劳永逸，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。二为直接式，其特点为：力经过缓冲后直接作用在桥墩上，如护弦方式、绳索变形方式、缓冲材料设施方式、缓冲设施工程方式及固定或浮式套箱防撞设施等。一般使用在航道较窄、水较深的场合，通常建造费用较省，土建工程量不大。如：珠江特大桥、上海长江大桥采用钢箱型防撞装置，该消能设施利用钢材塑性变形破损消能，当船舶撞击钢套箱防撞装置时，防撞结构外层非连续（间断的）结构钢板发生大的变形，吸收了部分碰撞能量，并且延长了接触时间，使撞击力峰值得以降低，同时由于结构变形和相互作用，从而拨动船头方向，减少了船舶与结构间的能量交换。但钢套箱通常承受单次撞击，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。

发明内容

本发明的目的是针对现有的桥梁防撞装置存在的防撞效果差、成本高或修复难度大的问题，提供的一种能充分吸收撞击能量、成本低、应用范围广且绿色环保的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，它包括防撞单元，防撞单元包括壳体和位于壳体内的填充材料体，所述的壳体为复合材料面层构成的实心壳体或者为内部填充有夹芯材料的复合材料面层与夹心材料构成的夹层壳体；所述的填充材料体包括空间格构体和耗能材料，空间格构体由纤维腹板呈单层单向、单层双向、多层单向或多层多向布置在壳体内构成，耗能材料位于纤维腹板之间和/或纤维腹板与壳体的内壁之间。

所述的相邻且相互连接的任两个防撞单元之间通过连接件相连。

所述的连接件为索、不锈钢链、缆绳、钢绞线、螺栓、尼龙棒或销钉中的一种或几种的组合。

所述防撞单元的侧部设有防撞缓冲设施，所述的防撞缓冲设施通过紧固件间隔设置在防撞单元的内侧，防撞缓冲设施采用橡胶护舷或内设填充材料体的防撞袋制成。

所述的复合材料面层采用纤维与树脂制成，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种；所述的树脂为不饱和聚酯、邻苯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、无机树脂或热塑性树脂材料中的至少一种。

所述的夹芯材料为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或强芯毡中的至少一种。

所述的耗能材料为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、蜂窝、圆管、毛竹、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、空心管、空心塑料球中的至少一种。

所述的防撞单元呈条形、块形、圆形、椭圆形、弧形、“7”字形、环形、箱形。

本发明相比现有技术有如下优点：

1、本发明的各个独立的防撞单元可通过连接件快速相连成一个整体，并且单个单元损坏更换方便快速。

2、本发明的填充材料体采用在空间格构体内填充耗能材料来防撞耗能，纵横交错的纤维腹板具有较高的抗剪强度和一定的缓冲弹性变形能力，可保护复合材料壳体不发生较大的剪切变形，纤维腹板之间的耗能材料可增强纤维腹板的局部抗失稳能力，从而由纤维腹板与耗能材料形成的空间网格状耗能结构发挥作用，降低船舶或车辆撞击桥梁造成的损失；同时所采用的耗能材料为可压缩缓冲吸能的绿色再生材料，因此其整体吸能效果好，且造价低廉。

3、本发明防撞单元的壳体采用树脂基纤维增强复合材料，其耐腐蚀性能极其优越，使用年限可达50年以上，能长时间耐受江水、海水等各种恶劣环境的腐蚀；并且采用的纤维为可有效将接触面积较大的撞击荷载迅速分散的长纤维。

4、本发明的防撞装置弹性性能好，既可以为自浮式的也可以为固定式的，它可广泛适用于各类桥梁的桥墩、桥塔、承台、码头、水上建筑、海洋建筑以及船舶用以减轻船舶、浮冰或车辆的撞击灾害领域；当船舶、浮冰或车辆撞击发生后，通过缓冲消能延长船舶、浮冰或车辆撞击时间、减小船舶撞击力，使受保护的结构不发生局部损伤，并可有效保护船舶、车辆以及人员安全。

5、本发明的防撞装置尺寸外形不受限制，可设计性强，制造成本适中，防撞功能可靠、完善，使用寿命长，便于维护和修理。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的防撞单元内部结构示意图； 

附图3为本发明的空间格构体的组合形式示意图，其中图3（a）为格构腹板单层单向设置的结构示意图，图3（b）为格构腹板单层双向设置的结构示意图，图3（c）为格构腹板双层单向布置的结构示意图，图3（d）为格构腹板多层多向布置的结构示意图；

附图4为本发明的防撞装置布置在桥梁承台外侧的结构示意图之一；

附图5为本发明的防撞装置布置在桥梁承台外侧的结构示意图之二；

附图6为本发明的防撞装置布置在桥梁承台外侧的结构示意图之三；

附图7为本发明的防撞装置布置在桥梁承台外侧的结构示意图之四；

附图8为附图7设置防撞单元位置处的结构俯视图；

附图9为本发明的防撞装置布置在港口码头时的结构示意图；

附图10为本发明的防撞装置布置在城市跨线桥横梁上的结构示意图；

附图11为本发明的防撞装置布置在桥墩上的结构示意图；

附图12为附图10的俯视图。

其中：1—防撞单元；2—壳体；3—填充材料体；4—复合材料面层；5—夹芯材料；6—空间格构体；7—耗能材料；8—纤维腹板；9—连接件；10—防撞缓冲设施；11—紧固件。

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1-3所示：一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，它包括防撞单元1，防撞单元1包括壳体2和位于壳体2内的填充材料体3，其中壳体2为复合材料面层4构成的实心壳体或者为内部填充有夹芯材料5的复合材料面层4与夹心材料5构成的夹层壳体，复合材料面层4采用纤维与树脂制成，该纤维选用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种，树脂选用不饱和聚酯、邻苯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、无机树脂或热塑性树脂材料中的至少一种；夹芯材料5为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或强芯毡中的至少一种。填充材料体3包括空间格构体6和耗能材料7，空间格构体6由纤维腹板8呈单层单向、单层双向、多层单向或多层多向布置在壳体2内构成，纤维腹板8相交的角度任选，但优选为纵横正交布置；耗能材料7位于纤维腹板8之间和/或纤维腹板8与壳体2的内壁之间，且耗能材料7选用聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、蜂窝、圆管、毛竹、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、空心管、空心塑料球中的至少一种，耗能材料7的尺寸、数量、位置可根据结构实际受力灵活采用。填充材料体3既可以预先采用纤维腹板8形成空间格构体6后再填充耗能材料7的方式成型，也可以采用纤维腹板8、耗能材料7与壳体2同时成型的方式。另外为进一步加强该防撞单元1的性能，可在防撞单元1的侧部设置防撞缓冲设施10，防撞缓冲设施10通过紧固件11间隔设置在防撞单元1的内侧，防撞缓冲设施11可采用橡胶护舷或内设填充材料体3的防撞袋制成。防撞单元1呈条形、块形、圆形、椭圆形、弧形、“7”字形、环形、箱形或其它与防撞目标体外形相匹配的形状。相邻且相互连接的任两个防撞单元1之间可通过连接件9相连，连接件9为索、不锈钢链、缆绳、钢绞线、螺栓、尼龙棒或销钉中的一种或几种的组合；还可将防撞单元1直接使用螺栓等紧固连接件固定在防撞物体的表面。另外为保证防撞单元1的稳定性，还可将防撞单元1使用紧固件11固定在防撞目标体上。

实施例1

如图4所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置呈与桥梁承台外形相配的环状漂浮式可转动结构，该环状结构由若干个防撞单元1及其内侧设置的防撞缓冲设施10组成，橡胶护舷制成的防撞缓冲设施10通过螺栓制成的紧固件11间隔设置在防撞单元1的内侧。防撞单元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为玻璃纤维与乙烯基树脂固化而成的复合材料面层4构成的实心壳体；壳体2内的耗能材料7选用聚氨酯泡沫，在聚氨酯泡沫的外侧包裹双轴向玻璃纤维布后沿多层多向铺设构成纤维腹板8形成的空间格构体6，再采用真空导入工艺一体成型防撞单元1。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场采用螺栓作为紧固件11在防撞单元1的内侧安装防撞缓冲设施10，再采用螺栓作为连接件9固定连接相邻的防撞单元1，使其形成与桥墩外围相匹配的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置。

实施例2

如图5所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置呈与桥梁承台外形相配的环状固定结构，该环状结构由若干个防撞单元1组成，防撞单元1由壳体2和填充在壳体2内的填充材料体3构成，截面呈弧形的壳体2由玄武岩纤维与环氧树脂固化而成的复合材料面层4及填充在复合材料面层4内由泡桐木制成的夹芯材料5组成；壳体2内的耗能材料7选用圆管，圆管填充在空间格构体6构成的空腔内。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，采用钢绞线作为连接件9将防撞单元1连接起来后，在采用螺栓将相连的防撞单元1固定在桥梁承台外侧，防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

实施例3

如图6所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置呈与桥梁承台外形相配的环状固定结构，该环状结构由若干个防撞单元1组成，防撞单元1由壳体2和填充在壳体2内的填充材料体3构成，截面呈“7”字形的壳体2为玻璃纤维与乙烯基树脂固化而成的复合材料面层4构成的实心壳体；壳体2内的耗能材料7选用聚氨酯泡沫，在聚氨酯泡沫的外侧包裹±45°向玻璃纤维布后沿多层多向铺设构成纤维腹板8形成的空间格构体6，再采用真空导入工艺一体成型防撞单元1。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，将防撞单元1挂置在混凝土桥梁承台上，并用螺栓将防撞单元1与桥梁承台的外侧固定相连。防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

实施例4

如图7和图8所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置呈与桥梁承台外形相配的半环状固定结构，该半环状结构由若干个防撞单元1组成，防撞单元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的截面呈箱型并设置有倒角，该壳体2由玄武岩纤维与环氧树脂固化而成的复合材料面层4及填充在复合材料面层4内由balsa木制成的夹芯材料5组成；壳体2内的耗能材料7选用横向布置的毛竹，横向布置的毛竹填充在空间格构体6构成的空腔内。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，用螺栓作为连接件9将防撞单元1沿桥梁承台的被撞区域固定在桥梁承台的外侧即可。防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

实施例5

如图9所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置布置在港口码头上，该防撞装置由若干个防撞单元1组成，防撞单元1由壳体2和填充在壳体2内的填充材料体3构成，截面呈圆筒形的壳体2由玻璃纤维与乙烯基树脂固化而成的复合材料面层4及填充在复合材料面层4内由泡桐木制成的夹芯材料5组成，并预留局部灌料孔；在壳体2内事先布置空间格构体6，采用真空导入工艺一体成型复合材料壳体2后再向壳体2内灌注泡沫砂作为耗能材料7，在手糊玻璃钢密封灌料孔，从而形成圆筒形防撞单元1。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，用螺栓将防撞单元1沿港口码头的被撞区域固定在港口码头的外侧即可。防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

实施例6

如图10所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置布置在城市跨线桥的横梁上，从而防止城市超高车辆撞击桥梁主梁造成车辆损坏、人员伤亡、桥梁落梁乃至倒塌。该防撞单元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的截面呈块状，壳体2为玻璃纤维与乙烯基树脂固化而成的复合材料面层4构成的实心壳体；壳体2内的耗能材料7选用聚氨酯泡沫，再采用真空导入工艺一体成型防撞单元1。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，用螺栓将防撞单元1沿城市跨线桥的横梁横向布置即可。防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

实施例7

如图11和图12所示，一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，该防撞装置呈与桥墩外形相配的环状固定结构，该环状结构由若干个防撞单元1组成，防撞单元1由壳体2和填充在壳体2内的填充材料体3构成，截面与桥墩外形相匹配的壳体2为玻璃纤维与不饱和聚酯树脂固化而成的复合材料面层4构成的实心壳体；壳体2内填充PEI泡沫构成的耗能材料7和玻璃纤维布构成的空间格构体6，再采用真空导入工艺一体成型防撞单元1。在工厂制备好防撞单元1后，在安装现场，将防撞单元1用螺栓固定在桥墩的外侧以防止车撞。防撞单元1的数量及布置方式根据功能需要进行设计。

以上为本发明的复合材料防撞装置的几个实例，但本发明的保护不限于这些实例。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，它包括防撞单元（1），防撞单元（1）包括壳体（2）和位于壳体（2）内的填充材料体（3），其特征在于所述的壳体（2）为复合材料面层（4）构成的实心壳体或者为内部填充有夹芯材料（5）的复合材料面层（4）与夹心材料（5）构成的夹层壳体；所述的填充材料体（3）包括空间格构体（6）和耗能材料（7），空间格构体（6）由纤维腹板（8）呈单层单向、单层双向、多层单向或多层多向布置在壳体（2）内构成，耗能材料（7）位于纤维腹板（8）之间和/或纤维腹板（8）与壳体（2）的内壁之间。

2.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的相邻且相互连接的任两个防撞单元（1）之间通过连接件（9）相连。

3.根据权利要求2所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的连接件（9）为索、不锈钢链、缆绳、钢绞线、螺栓、尼龙棒或销钉中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述防撞单元（1）的侧部设有防撞缓冲设施（10），所述的防撞缓冲设施（10）通过紧固件（11）间隔设置在防撞单元（1）的内侧，防撞缓冲设施（11）采用橡胶护舷或内设填充材料体（3）的防撞袋制成。

5.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的复合材料面层（4）采用纤维与树脂制成，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种；所述的树脂为不饱和聚酯、邻苯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、无机树脂或热塑性树脂材料中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的夹芯材料（5）为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或强芯毡中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的耗能材料（7）为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、蜂窝、圆管、毛竹、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、空心管、空心塑料球中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的缓冲吸能型腹板增强复合材料防撞装置，其特征在于所述的防撞单元（1）呈条形、块形、圆形、椭圆形、弧形、“7”字形、环形、箱形。

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