CN103031817A - 一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构及应用其的防撞系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构及应用其的防撞系统，所述的双筒结构包括外筒（1）和内筒（2），在外筒（1）和内筒（2）之间设有蜂窝格构增强体（3）且在内筒（2）内填充有填充材料体（4）。所述的防撞系统包括蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，该双筒结构包括直筒单元（5）和弯筒单元（6），相邻且相互连接的直筒单元（5）之间或者直筒单元（5）和弯筒单元（6）之间或者弯筒单元（6）之间通过榫卯接头（7）和插销棒（16）相连构成条形或者环状的防撞系统，所述防撞系统的内侧设有移动装置（8）。本发明整体编织成型，填充材料体具有较大的刚度，可限制变形度而不会破裂，寿命长、成本低且易维护。
Description
一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构及应用其的防撞系统
技术领域
[0001] 本发明涉及工程建设领域，尤其是一种适用于各类桥梁的桥墩、码头、水上建筑、海洋平台等用以减轻船舶、车辆、浮冰撞击灾害的防撞设施及用于轻质高强的竖向承载构件，具体地说是一种利用复合材料制造的可设计性强、成本低、耐腐蚀的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构及应用其的防撞系统。
背景技术
[0002] 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。船舶对桥梁的撞击所造成的结构损伤在一定程度上降低了桥梁在设计寿命内的承载能力和耐久性，甚至会导致整个结构的倒塌。由船(车）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设施尤为必要。
[0003] 经过多年的研究应用，国内外出现了多种类型的桥墩防撞设施，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。但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。鉴于目前常用防撞设施存在的诸多弊端，采用新材料设计开发新型防撞系统迫在眉睫。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有桥梁防撞设施存在的防撞效果差、成本高、修复难度大等问题，提供一种整体性强、成本低、耐腐蚀、且能延长撞击时间、经受多次撞击的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构及应用其的防撞系统。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的双筒结构包括外筒和内筒，在外筒和内筒之间设有蜂窝格构增强体且在内筒内填充有填充材料体。
[0006] 所述的外筒和内筒上设有沿外筒和内筒的径向布置的检修孔。
[0007] 所述双筒结构的端部设有榫卯接头，所述的榫卯接头采用蜂窝格构增强体制成。
[0008] 所述的榫卯接头包括凹接头和凸接头，所述的凹接头和凸接头上设有连接孔且凹接头和凸接头的外形呈棱台形、圆台形或六边形。
[0009] 所述的外筒和内筒为复合材料筒体、塑料筒体、金属筒体、轻木或泡沫复合材料夹芯管、复合材料夹砂管、表层缠绕复合材料的金属骨架中的一种或几种。[0010] 所述的外筒采用纤维与树脂制成，其中纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种，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。
[0011] 所述的蜂窝格构增强体为由纤维腹板构成的空腹结构或者纤维腹板与夹芯材料构成的实腹结构，所述的纤维腹板呈单层单向、单层多向、多层单向或多层多向布置在外筒和内筒构成的腔体内；其中纤维腹板采用纤维与树脂制成，夹芯材料为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、聚氨酯弹性体或强芯毡中的至少一种。
[0012] 所述的填充材料体为缓冲耗能材料或者缓冲耗能材料与空心装置的结合或者缓冲耗能材料与蜂窝格构增强体的结合；其中缓冲耗能材料为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、陶粒、石子、煤矸石粉、液体、混凝土、加气泡沫混凝土、蜂窝、毛竹中一种或几种，空心装置为封闭的金属管、复合材料缠绕管、复合材料拉挤管、塑料管、塑料空心球、复合材料空心球、金属空心球中的一种或几种。
[0013] 所述的防撞系统包括蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，蜂窝格构增强型复合材料双筒结构包括直筒单元和弯筒单元，相邻且相互连接的直筒单元之间或者直筒单元和弯筒单元之间或者弯筒单元之间通过榫卯接头和插销棒相连构成条形或者环状的防撞系统，所述防撞系统的内侧设有移动装置。
[0014] 所述的移动装置为万向轮、尼龙或金属滚轮、聚四氟乙烯滑板、聚氯乙烯滑板、塑料滑板、钢板、复合材料板、蜂窝格构增强柱体中的至少一种；所述的插销棒采用钢棒、木棒、混凝土棒、FRP约束钢棒、FRP约束木棒、FRP约束混凝土棒、尼龙棒、高分子塑料棒、锁链、钢绞线中的一种或几种的组合。
[0015] 本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的外筒和内筒与蜂窝格构增强体整体编织成型，具有承载能力强、吸能效果好的特点，可有效分散船舶撞击荷载，抵御船舶的多次撞击。蜂窝格构增强体可将外筒筒体、内筒筒体粘结为一个整体，内筒、外筒双筒构造实现多级设防；同时内筒内填充的填充材料体具有较大的刚度，可限制防撞系统的整体变形，保证其不会破裂，且填充材料体通过摩擦消耗大量能量，可根据工程需要灵活选取材料。
[0016] 本发明的双筒结构的筒体采用强耐腐蚀、力学性能优越的树脂基纤维增强复合材料，也可在钢管外缠绕纤维复合材料，使用年限可达50年以上，可适应江水、海水等各种恶劣环境，后期维护费用低。
[0017] 本发明各个独立的双筒结构单元之间通过端部的榫卯接头和插销棒快速连成一个整体，安装快捷方便，单个单元损坏更换方便，具有可设计性强、制造成本适中、使用寿命长且便于维护和修复的特点，适宜推广使用。
附图说明
[0018] 附图1为本发明的防撞结构示意图；
附图2为本发明的防撞结构剖面示意图； 附图3为本发明的防撞结构横截面示意图，其中图3(a)为具有外筒、内筒、编织在内筒和外筒之间的蜂窝格构增强体且内筒内部填充有缓冲耗能材料的双筒结构横截面示意图，图3 (b)为具有外筒、内筒、编织在内筒和外筒之间的蜂窝格构增强体且内筒内部填充有缓冲耗能材料和较大直径空心管的双筒结构横截面示意图，图3 (c)为具有外筒、内筒、编织在内筒和外筒之间的蜂窝格构增强体及分散在内筒内部缓冲耗能材料间的蜂窝格构增强体的双筒结构横截面示意图，图3(d)为具有外筒、内筒、编织在内筒和外筒之间的蜂窝格构增强体且内筒内部分层填充缓冲耗能材料和蜂窝格构增强体的双筒结构横截面示意图；附图4为本发明的双筒结构端部设有榫卯接头的结构示意图，其中图4 Ca)为两端具有凸接头的等截面直筒单元，图4 (b)为一端具有凸接头一端具有凹接头的等截面直筒单元，图4 (c)为两端具有凹接头的等截面直筒单元，图4 (d)为一端具有凸接头一端具有凹接头的变截面直筒单元，图4 (e)为两端具有凸接头的弯筒单元，图4 (f)为一端具有凸接头一端具有凹接头的弯筒单元，图4 (g)为两端具有凹接头的弯筒单元；
附图5为本发明的防撞系统连接示意图，其中图5 (a)为正视图，图5 (b)为俯视图，图5 (c)为插销棒示意图，图5 (d)为凹接头端部详图，图5 (e)为凸接头端部详图；
附图6为本发明的防撞系统在桥梁墩柱或承台上安装使用状态示意图之一，其中图6Ca)为平面布置图，图6 (b)为立面布置图；
附图7为本发明的防撞系统在桥梁墩柱或承台上安装使用状态示意图之二，其中图7Ca)为平面布置图，图7 (b)为立面布置图；
附图8为本发明的防撞系统在桥梁墩柱或承台上安装使用状态示意图之三，其中图8(a)为平面布置图，图8 (b)为立面布置图。
[0019] 其中：1一外筒；2—内筒；3—蜂窝格构增强体；4一填充材料体；5—直筒单兀；6一弯筒单兀；7—禪卯接头；8 —移动装置；9一检修孔；10 —纤维腹板；11 一夹芯材料；12—缓冲耗能材料；13—空心装置；14一凹接头；15—凸接头；16—连接孔；17—插销棒。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
[0021] 如图所示：一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，该双筒结构包括外筒I和内筒2，在外筒I和内筒2之间设有蜂窝格构增强体3且在内筒2内填充有填充材料体4，其中外筒I和内筒2为复合材料筒体、塑料筒体、金属筒体、轻木或泡沫复合材料夹芯管、复合材料夹砂管、表层缠绕复合材料的金属骨架中的一种或几种，外筒I优选采用纤维与树脂制成的复合材料筒体，其中纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种，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；蜂窝格构增强体3为由纤维腹板10构成的空腹结构或者纤维腹板10与夹芯材料11构成的实腹结构，纤维腹板10呈单层单向、单层多向、多层单向或多层多向布置在外筒I和内筒2构成的腔体内，其中纤维腹板10由纤维与树脂固化而成，可以采用真空导入工艺成型，也可以采用拉挤工艺预成型，夹芯材料11为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、聚氨酯弹性体或强芯毡中的至少一种；填充材料体4为缓冲耗能材料12或者缓冲耗能材料12与空心装置13的结合或者缓冲耗能材料12与蜂窝格构增强体3的结合，其中缓冲耗能材料12为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、陶粒、石子、煤矸石粉、液体、混凝土、加气泡沫混凝土、蜂窝、毛竹中一种或几种，空心装置13为封闭的金属管、复合材料缠绕管、复合材料拉挤管、塑料管、塑料空心球、复合材料空心球、金属空心球中的一种或几种。外筒1、内筒2可以采用真空导入工艺一次成型，也可以采用缠绕工艺成型；外筒1、内筒2、蜂窝格构增强体3可以采用真空导入工艺或拉挤工艺一体成型，也可以采用缠绕工艺、真空导入工艺、拉挤工艺组合分阶段成型。另外为方便灌注填充材料体4和产品的维护，在外筒I及内筒2上可设有沿外筒I和内筒2的径向布置的检修孔9 ;另外为使上述双筒结构能够快速相连构成防撞系统，在双筒结构的端部设有采用蜂窝格构增强体3制成的榫卯接头7，榫卯接头7包括凹接头14和凸接头15，其中凹接头14和凸接头15上皆设有连接孔16且凹接头14和凸接头15的外形可呈棱台形、圆台形或六边形等多种形式。
[0022] 一种采用蜂窝格构增强型复合材料双筒结构制成的防撞系统，包括蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，蜂窝格构增强型复合材料双筒结构包括直筒单元5和弯筒单元6，相邻且相互连接的直筒单元5之间或者直筒单元5和弯筒单元6之间或者弯筒单元6之间通过榫卯接头7和插销棒17相连构成条形或者环状的防撞系统，该防撞系统的内侧设有移动装置8，其中移动装置8为万向轮、尼龙或金属滚轮、聚四氟乙烯滑板、聚氯乙烯滑板、塑料滑板、钢板、复合材料板、蜂窝格构增强柱体中的至少一种，插销棒17采用钢棒、木棒、混凝土棒、FRP约束钢棒、FRP约束木棒、FRP约束混凝土棒、尼龙棒、高分子塑料棒、锁链、钢绞线中的一种或几种的组合。另外考虑到桥墩各侧所受船撞的风险不同，直筒单元5可制成等截面直筒单元和变截面直筒单元；考虑到船头形状，可将迎撞侧防撞系统的外形设置为尖端形，从而利于有效拨离船舶行驶方向。
[0023] 实施例1
如图6所示，一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，该双筒结构由4个等截面直筒单元5和4个弯筒单元6组成，直筒单元5和弯筒单元6之间采用榫卯接头7和插销棒17连接为一个整体，布置在桥梁塔柱周围。为实现防撞系统随水位浮动，防撞系统与桥墩之间安装聚四氟乙烯板作为移动装置8。直筒单元5和弯筒单元6主要由外筒1、内筒2、编织在内筒I和外筒2之间的蜂窝格构增强体3及填充在内筒2内的填充材料体4组成。具体成型时，在模具内铺设玻璃纤维，将外侧裹有±45°玻璃纤维布的聚氨酯泡沫按照设计图纸布设，采用真空导入工艺一次成型具有凹接头14和/或凸接头15的外筒1、内筒2及编织在内筒I和外筒2之间的蜂窝格构增强体3。待防撞系统在塔柱周围安装完毕后，通过检修孔9往内筒2内填充陶粒作为填充材料体4 ;采用尼龙棒将直筒单元5和弯筒单元6连为一个整体，从而形成与塔柱外形相匹配的应用蜂窝格构增强型复合材料双筒结构的防撞系统。
[0024] 实施例2
如图7所示，一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，该防撞结构由6个等截面直筒单元5、4个变截面直筒单元5和8个弯筒单元6组成，相邻直筒单元5之间或者直筒单元5和弯筒单元6之间采用榫卯接头7和插销棒17连接为一个整体，布置在桥梁承台周围。为实现防撞系统随水位浮动，防撞系统与桥墩之间安装蜂窝格构增强柱体作为移动装置8，蜂窝格构增强柱体采用玻璃纤维与泡桐木真空导入成型。考虑到桥墩各侧所受船撞的风险不同，迎撞侧设置为大直径双筒结构，其他部位双筒结构尺寸略小。直筒单元5和弯筒单元6主要由外筒1、内筒2、编织在内筒I和外筒2之间的蜂窝格构增强体3及填充在内筒2内的填充材料体4组成。内筒2采用玄武岩纤维与乙烯基树脂缠绕成型的复合材料筒体，以复合材料筒体为模板，摆放外侧裹有O。/90°玄武岩纤维布的聚氯乙烯泡沫，再铺设玄武岩纤维，采用真空导入工艺一次成型外筒I及编织在内筒I和外筒2之间的蜂窝格构增强体3 ;内筒2内摆放塑料管作为空心装置13，再采用手糊工艺成型凹接头14和/或凸接头15，再在工厂内灌注中砂作为缓冲耗能材料12。待防撞系统在塔柱周围就位后，采用FRP约束钢棒将直筒单元5和弯筒单元6连为一个整体，从而形成与塔柱外形相匹配的应用蜂窝格构增强型复合材料双筒结构的防撞系统。
[0025] 实施实例3
如图8所示，一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，该防撞结构由10个等截面直筒单元5和6个弯筒单元6组成，相邻直筒单元5之间或者直筒单元5和弯筒单元6之间采用榫卯接头7和插销棒17连接为一个整体，布置在桥梁墩身周围。为实现防撞系统随水位浮动，防撞系统与桥墩之间安装塑料滑板作为移动装置8。为有效拨离船舶行驶方向，迎撞侧防撞节段设置为尖端型，从而保证船舶不会直接撞击桥墩。直筒单元5和弯筒单元6主要由外筒1、内筒2、编织在内筒I和外筒2之间的蜂窝格构增强体3及填充在内筒2内的填充材料体4组成。内筒2采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕成型的复合材料筒体，以复合材料筒体为模板，摆放外侧裹有0° /45°玻璃纤维布的聚氯乙烯泡沫，采用真空导入工艺成型蜂窝格构增强体3;再以蜂窝格构增强体3作为模板，采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕成型的复合材料筒体作为外筒I。采用手糊工艺成型凹接头14和/或凸接头15。待防撞系统在桥梁墩身周围安装完毕后，通过检修孔9往内筒2内填充泡沫颗粒与砂的混合料作为填充材料体4 ;采用高分子塑料棒将直筒单元5和弯筒单元6连为一个整体，从而形成与塔柱外形相匹配的应用蜂窝格构增强型复合材料双筒结构的防撞系统。
[0026] 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. 一种蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的双筒结构包括外筒（I)和内筒（2)，在外筒（I)和内筒（2)之间设有蜂窝格构增强体（3)且在内筒（2)内填充有填充材料体（4)。
2.根据权利要求1所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的外筒(I)和内筒（2)上设有沿外筒（I)和内筒（2)的径向布置的检修孔（9)。
3.根据权利要求1所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述双筒结构的端部设有榫卯接头（7)，所述的榫卯接头（7)采用蜂窝格构增强体（3)制成。
4.根据权利要求3所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的榫卯接头（7)包括凹接头（14)和凸接头（15)，所述的凹接头（14)和凸接头（15)上设有连接孔(16)且凹接头（14)和凸接头（15)的外形呈棱台形、圆台形或六边形。
5.根据权利要求1所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的外筒(I)和内筒（2)为复合材料筒体、塑料筒体、金属筒体、轻木或泡沫复合材料夹芯管、复合材料夹砂管、表层缠绕复合材料的金属骨架中的一种或几种。
6.根据权利要求1或5所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的外筒（I)采用纤维与树脂制成，其中纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维中的至少一种，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。
7.根据权利要求1所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的蜂窝格构增强体（3)为由纤维腹板（10)构成的空腹结构或者纤维腹板（10)与夹芯材料（11)构成的实腹结构，所述的纤维腹板（10)呈单层单向、单层多向、多层单向或多层多向布置在外筒（I)和内筒（2)构成的腔体内；其中纤维腹板（10)采用纤维与树脂制成，夹芯材料（11)为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、聚氨酯弹性体或强芯毡中的至少一种。
8.根据权利要求1或7所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，其特征在于所述的填充材料体（4)为缓冲耗能材料（12)或者缓冲耗能材料（12)与空心装置（13)的结合或者缓冲耗能材料（12)与蜂窝格构增强体（3)的结合；其中缓冲耗能材料（12)为聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫铝、泡沫砂、砂、泡沫颗粒与砂的混合料、聚苯砂浆、橡胶轮胎、橡胶粒、橡胶块、聚氨酯弹性体、陶粒、石子、煤矸石粉、液体、混凝土、加气泡沫混凝土、蜂窝、毛竹中一种或几种，空心装置（13)为封闭的金属管、复合材料缠绕管、复合材料拉挤管、塑料管、塑料空心球、复合材料空心球、金属空心球中的一种或几种。
9. 一种应用权利要求1-8任一所述的蜂窝格构增强型复合材料双筒结构的防撞系统，其特征在于所述的防撞系统包括蜂窝格构增强型复合材料双筒结构，蜂窝格构增强型复合材料双筒结构包括直筒单元（5 )和弯筒单元（6 )，相邻且相互连接的直筒单元（5 )之间或者直筒单元（5)和弯筒单元（6)之间或者弯筒单元（6)之间通过端部的榫卯接头（7)和插销棒（17)相连构成条形或者环状的防撞系统，所述防撞系统的内侧设有移动装置（8)。
10.根据权利要求9所述的应用蜂窝格构增强型复合材料双筒结构的防撞系统，其特征在于所述的移动装置（8)为万向轮、尼龙或金属滚轮、聚四氟乙烯滑板、聚氯乙烯滑板、塑料滑板、钢板、复合材料板、蜂窝格构增强柱体中的至少一种；所述的插销棒（17)采用钢棒 、木棒、混凝土棒、FRP约束钢棒、FRP约束木棒、FRP约束混凝土棒、尼龙棒、高分子塑料棒、锁链、钢绞线中的一种或几种的组合。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130410 |