CN103510491B - 复合材料消能护舷及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料消能护舷，包括壳体和被包裹在壳体内的消能填充体，所述消能填充体包括消能材料和若干条消能肋，所述若干条消能肋分布在消能材料的内部和/或消能材料与壳体之间,所述若干条消能肋均与壳体连为一体，这种复合材料消能护舷的消能肋构成纵横交错的网状结构，具有较高的抗剪强度和一定的缓冲弹性变形能力，可保护壳体不发生较大的剪切变形整体防撞效果好，且造价低廉，使用寿命长，便于维护和修理。

Description

复合材料消能护舷及其制造工艺

技术领域

本发明涉及水上建筑安全防护技术领域，尤其是一种复合材料消能护舷，具体地说是一种用于减小各类桥梁的桥墩、桥塔、承台、码头等水上建筑在撞击事故中受到的冲击力的复合材料消能护舷及其制造工艺。

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。

经过多年的研究运用，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。具体来说防撞设施看分为两大类：一为间接式，其特点为：在桥墩之外另设防撞设施，桥墩不直接接受力，让桥墩彻底回避船舶撞击问题。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二放弃。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：湛江海湾大桥、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

本发明要解决的技术问题是：为了解决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，本发明提供了一种能充分消化转移撞击能量、成本低、应用范围广且绿色环保的复合材料消能护舷来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合材料消能护舷，包括壳体和被包裹在壳体内的消能填充体，所述消能填充体包括消能材料和若干条消能肋，所述若干条消能肋分布在消能材料的内部和/或消能材料与壳体之间，所述若干条消能肋均与壳体连为一体；所述壳体为复合材料面层构成的实心壳体或者为复合材料面层内填充有夹心材料的夹层壳体，所述壳体的耐腐蚀性能极佳，使用寿命长，能长达几十年耐受降水、海水等各种恶劣环境中的腐蚀，复合材料面层采用纤维和竖直制成，能有效将撞击荷载迅速分散。

所述消能材料由若干个单元块组合构成，每个所述单元块的表面上均开设有多条消能槽，所述消能肋设置于消能槽中，至少有一条消能槽是开设在消能材料的外表面上或者是一直延伸至消能材料的外表面，而其它消能槽直接与之连通或者相互之间连通后再与之连通，从而达到所有所述消能槽均与消能材料的外部空间连通的目的，所述若干条消能肋为的波形筋段或者螺旋形筋段，消能肋呈波形或者螺旋形便具有类似弹簧的结构，具有较强的缓冲变形能力，消能材料受到撞击，消能肋因为撞击力压缩变形，一方面将撞击物的动能转化为弹性势能，另一方面延长了撞击物与复合材料消能护舷的作用时间，最终减小了撞击力的大小。

为了利用波形筋段或者螺旋形筋段的类弹簧结构，保证缓冲变形能，消能肋应当孤立存在，所述若干条消能肋具有的公共点的个数为零，如果两个消能肋相交或者重叠会，会影响消能肋的压缩变形和回弹能力，从而无法保证足够好的缓冲能力和抗剪能力。

作为优选，所述若干个单元块为若干个形状大小一致的长方体块，所述长方体块面积最大的一组相对面的两个面为第一平面和第二平面，所述消能槽垂直相交开设在所述第一平面和第二平面上并形成多个交点，可以将所述消能槽靠近长方体块棱边的部分留出，不在这部分设置消能肋，用作导流槽，方便注塑时树脂的流通；所述第一平面上的消能槽在第二平面的投影与第二平面上的消能槽重合，所述第一平面和第二平面之间以交点为端点开设有多个通孔，所述通孔垂直于第一平面，所述通孔中设置有消能柱，所述消能柱联接和支撑第一平面和第二平面上的消能肋，将长方体块看做房屋，消能肋好似房屋的屋梁，那么消能柱就是支撑起整个房屋的立柱，不仅加强了单元块结构强度、抗剪能力和缓冲变形能力，而且在应对垂直与第一平面的方向力时，同样具备了较强的防冲撞能力。

所述若干个单元块为若干个形状大小一致的长方体块，所述消能槽开设在所述长方体块的六个面上，所述单元块同一面上的所述消能槽交叉开设形成网孔为矩形或者菱形的网状结构，网状结构具有较强的结构强度，对于消能材料的支撑作用更加显著，进一步加强了复合材料消能护舷防撞能力；在复合材料消能护舷某处收到撞击力时，由于消能肋相互交联，撞击力会被迅速传递开，防止撞击力过于集中；除了消能肋由于本身材料性质具有很一定缓冲能力外，网状结构在受力时，结点之间相互作用，也产生较强的变形能力用于缓冲保护；网孔为菱形，理想情况是，菱形网孔的一条对角线与撞击力的方向平行，那么撞击力对菱形网孔进行压缩，这条对角线对应的这组对角相互靠近，菱形网孔发生较大形变，产生回弹力，进一步加强复合材料消能护舷的弹性变形能力；网孔为矩形，矩形的一组对边平行于撞击力的方向，则另一组对边垂直于撞击力的方向，显然含有这种网状结构的复合材料消能护舷的不易变形，整体结构在应力上强度更大，结构稳定性更强。

一种制造所述的复合材料消能护舷的制造工艺，包括以下步骤：

A）制造若干个能够组合成一个完整消能材料的单元块；

B）在每个所述单元块的表面上开设多条消能槽，所述消能槽中至少有一条开设在消能材料的外表面上或者一直延伸开设至消能材料的外表面，从而与消能材料的外部空间直接连通，其它消能槽直接或者相互连接后与上述与消能材料的外部空间直接连通的消能槽连接，从而使所有所述消能槽均与消能材料的外部空间连通；理想情况是在任意二个相邻的所述单元块的组合面上的消能槽对应设置，对应设置的所述消能槽能够组合成宫腔，消能肋设置在空腔中，实际上，空腔的形成并不需要一对消能槽对应开设，单个消能槽与平面之间也可以形成空腔，但是当一条消能肋置于单个消能槽与面形成的空腔中时，消能肋结合相邻两个单元块的强度会降低，导致整个复合材料消能护舷的稳定性和结构强度降低；

C）消能肋由纤维材料和树脂材料制成，纤维材料制成丝束状，在所述若干个单元块上缠绕纤维丝，所述纤维丝嵌在消能槽中，纤维丝对复合材料消能护舷产生束缚力，使得消能肋与单元块的结合更加紧密和牢靠，增强复合材料消能护舷的结构稳定性和强度，进一步提高了抗剪强度和缓冲变形能力；

D）将所述若干个单元块拼搭组合成缠绕着纤维丝的消能材料；

E）用纤维布包裹消能材料并放入注塑模具中；

F）采用真空导入技术注入熔融树脂一体成型复合材料消能护舷。通孔通孔

为了方便生产制造复合材料消能护舷，步骤A）中若干个单元块为形状大小一致的长方体块，长方体块容易组合，消能槽开设方便。

一种优选的消能槽开设方式为，步骤B）中，消能槽交叉开设形成网孔为矩形或者菱形的网状结构。

另一种优选的消能槽开设方式为步骤B）中，所述消能槽垂直相交开设在所述第一平面和第二平面上并形成多个交点，所述第一平面和第二平面之间以交点为端点开设有多个通孔，所述通孔垂直于第一平面；

步骤C）中，将纤维丝穿入通孔和嵌在消能槽中缠绕在单元块上。

本发明的有益效果是，这种复合材料消能护舷的消能肋构成纵横交错的网状结构，具有较高的抗剪强度和一定的缓冲弹性变形能力，可保护壳体不发生较大的剪切变形，消能材料可以增强局部抗失稳能力，降低船舶或车辆撞击桥梁造成的损失；同时所采用的消能材料为可压缩缓冲消化吸收转移的绿色环保材料，因此其整体防撞效果好，且造价低廉，使用寿命长，便于维护和修理；另外，这种复合材料消能护舷的适用性广，既可以为自浮式也可以为固定式的，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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明复合材料消能护舷布置在桥梁上的结构示意图。

图2是本发明复合材料消能护舷的结构示意图。

图3是图2的局部剖视图。

图4是本发明复合材料消能护舷实施例1的单元块的结构示意图。

图5是本发明复合材料消能护舷实施例2的单元块的结构示意图。

图6是本发明复合材料消能护舷实施例3的单元块的结构示意图。

图7是本发明复合材料消能护舷实施例4的单元块的结构示意图。

图8是本发明复合材料消能护舷实施例5的单元块的结构示意图。

图9是本发明复合材料消能护舷实施例6的单元块的结构示意图。

图中1、复合材料消能护舷，2、壳体，3、消能填充体，4、消能材料，5、消能肋，6、通孔，7、单元块，8、消能槽，9、复合材料面层，10、夹心材料，11、连接件，12、导流槽。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～3所示，本发明提供了一种复合材料消能护舷1，包括壳体2和被包裹在壳体2内的消能填充体3，消能填充体3包括消能材料4和若干条消能肋5，若干条消能肋5分布在消能材料4的内部和/或消能材料4与壳体2之间，壳体2为复合材料面层9构成的实心壳体2或者为复合材料面层9内填充有夹心材料10的夹层壳体2，复合材料面层9采用纤维和树脂制成，该纤维是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、混合纤维中的一种，该树脂是不饱和树脂、间苯树脂、邻苯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双酚A型树脂、反应型树脂中的一种，夹心材料10是聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或强芯毡中的一种；消能填充体3包括消能材料4和消能肋5，消能材料4为聚氨脂泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或强芯毡中的一种，消能肋5包括纤维丝和树脂，纤维丝为长纤维丝束，材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、混合纤维中的一种，树脂基体的材料为不饱和树脂、间苯树脂、邻苯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双酚A型树脂、反应型树脂中的一种；可以将多个复合材料消能护舷1通过连接件11连接，连接件11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；还可将复合材料消能护舷1直接使用螺栓等紧固连接件11固定在防撞物体的表面；可以根据具体的安装环境设计复合材料消能护舷1的外形尺寸，例如长方形、圆形、椭圆形、弧形、环形、箱形、菱形或者”7”字形。

一种制造复合材料消能护舷1的工艺，包括以下步骤：

A）制造若干个能够组合成一个完整消能材料4的单元块7；

B）在每个所述单元块7的表面上开设多条消能槽8，所述消能槽8中至少有一条开设在消能材料4的外表面上或者一直延伸开设至消能材料4的外表面，从而与消能材料4的外部空间直接连通，其它消能槽8直接或者相互连接后与上述与消能材料4的外部空间直接连通的消能槽8连接，从而使所有所述消能槽8均与消能材料4的外部空间连通；

C）在若干个单元块7上缠绕纤维丝，纤维丝嵌在消能槽8中；

D）将若干个单元块7拼搭组合成缠绕着纤维丝的消能材料4；

E）用纤维布包裹消能材料4并放入注塑模具中；

F）采用真空导入技术注入熔融树脂一体成型复合材料消能护舷1。

实施例1

如图4所示，一种复合材料消能护舷1，包括壳体2和被包裹在壳体2内的消能填充体3，复合材料消能护舷1为长方形，采用玻璃纤维和不饱和树脂固化形成实心壳体2；消能填充体3包括消能材料4和消能肋5，使用聚氨脂泡沫制造若干个长方体形状单元块7，若干个单元块7组合构成消能材料4，单元块7形状大小一致，消能肋5包括玻璃纤维丝束和不饱和树脂；单元块7的十二条棱均被五等分，分别在六个面上以棱上的等分点为端点垂直于棱开设有消能槽8，每个面上的消能槽8形成矩形网孔的网状结构，将纤维丝缠绕在单元块7上，纤维丝嵌在消能槽8中；将单元块7组合构成，再将纤维布包裹在消能材料4的外部空间，并将消能材料4放入注塑模具中，最后采用真空导入工艺注入熔融不饱和树脂一体成型复合材料消能护舷1，纤维布与树脂融合形成壳体2。

实施例2

如图5所示，一种复合材料消能护舷1，壳体2和被包裹在壳体2内的消能填充体3，复合材料消能护舷1为长方形，壳体2为复合材料面层9内填充有夹心材料10的夹层壳体2，复合材料面层9采用碳纤维和乙烯基树脂固化而成，夹心材料10是聚氨酯泡沫；消能填充体3包括消能材料4和消能肋5，使用PMI泡沫制造若干个长方体形状单元块7，若干个单元块7组合形成消能材料4，单元块7形状大小一致，消能肋5包括碳纤维丝束和乙烯基树脂；单元块7的都开设长条形消能槽8，每个单元块7上的所有消能槽8均相互连通，每个面上的消能槽8形成网孔为菱形的网状结构，每个菱形网孔的对角线总与一条棱垂直，将纤维丝缠绕在单元块7上，纤维丝嵌在消能槽8中；将单元块7组合构成，再将纤维布包裹在消能材料4的外部空间，并将消能材料4放入注塑模具中，最后采用真空导入工艺注入熔融乙烯基树脂注塑成型，纤维布与乙烯基树脂融合形成壳体2的内层，再在壳体2内层表面上依序包裹上聚氨酯泡沫和纤维布，放入模具中再次注入熔融乙烯基树脂一体成型复合材料消能护舷1。

实施例3

如图6所示，与实施例2的区别在于：复合材料消能护舷1为“7”字形，可以通过螺栓直接固定在桥梁上，复合材料面层9采用芳纶纤维和环氧树脂固化而成，夹心材料10是聚氯乙烯泡沫，消能材料4为聚氯乙烯泡沫，纤维丝材料为芳纶纤维，消能肋5中树脂的材料为环氧树脂，另外在组合构成的消能材料4上开设有多个通孔6，通孔6中放入芳纶纤维丝束，所有通孔6都与消能材料4的外部空间连通，最后采用真空导入工艺注入熔融不饱和树脂一体成型复合材料消能护舷1。

实施例4

如图7所示，实施例4与实施例1的区别在于：只在长方体形状的单元块7的四个面上开设的波形的消能槽8，波形的消能槽8的形状大小形一致，所有消能槽8均与消能材料4的外部空间连通，对于长条形的复合材料消能护舷1来说，当它安装在桥梁上的时候，它的宽度方向是与撞击力的方向一致的，因此，开有波形的消能槽8的四个面选取为与复合材料消能护舷1宽度方向平行的四个面，而且波形的消能槽8的波的延伸方向也与复合材料消能护舷1宽度方向是一致的。

实施例5

如图8所示，实施例5与实施例1的区别在于：开设的消能槽8为螺旋形的消能槽8，螺旋形的消能槽8的延伸方向与长条形的复合材料消能护舷1的宽度方向一致。

对于螺旋形的消能槽8可以在单元块7上开设，也可以不将消能材料4分解制造，直接生产整块消能材料4，并在整块消能材料4上开设螺旋形的消能槽8，然后在消能槽8中塞入纤维丝。

实施例6

如图9所示，实施例6与实施例1的区别在于：长方体块面积最大的一组相对面的两个面为第一平面和第二平面，消能槽8垂直相交开设在第一平面和第二平面上并形成多个交点，第一平面上的消能槽8在第二平面的投影与第二平面上的消能槽8重合，第一平面和第二平面之间以交点为端点开设有多个通孔6，通孔6垂直于第一平面，通孔6中设置有消能柱，纤维丝的缠绕方式为：从第一平面的一段消能槽8经过一个通孔6到第二平面的一端消能槽8，再经过一个通孔6回到第一平面；消能槽8靠近第一平面和第二平面边界的部分留空，用作导流槽12，采用真空导入工艺注入熔融树脂时，增强树脂的流动的通畅性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种复合材料消能护舷（1），其特征在于：包括壳体（2）和被包裹在壳体（2）内的消能填充体（3），所述消能填充体（3）包括消能材料（4）和若干条消能肋（5），所述若干条消能肋（5）分布在消能材料（4）的内部和/或消能材料（4）与壳体（2）之间,所述若干条消能肋（5）均与壳体（2）连为一体；

所述消能材料（4）由若干个单元块（7）组合构成，每个所述单元块（7）的表面上均开设有多条消能槽（8），所述消能肋（5）设置于消能槽（8）中，所有所述消能槽（8）均与消能材料（4）的外部空间连通。

2.如权利要求1所述的复合材料消能护舷（1），其特征在于：所述若干个单元块（7）为若干个形状大小一致的长方体块，所述长方体块面积最大的一组相对面的两个面为第一平面和第二平面，所述消能槽（8）垂直相交开设在所述第一平面和第二平面上并形成多个交点，所述第一平面上的消能槽（8）在第二平面的投影与第二平面上的消能槽（8）重合，所述第一平面和第二平面之间以交点为端点开设有多个通孔（6），所述通孔（6）垂直于第一平面，所述通孔（6）中设置有消能柱。

3.如权利要求1所述的复合材料消能护舷（1），其特征在于：所述若干个单元块（7）为若干个形状大小一致的长方体块，所述消能槽（8）开设在所述长方体块的六个面上，所述单元块（7）同一面上的所述消能槽（8）交叉开设形成网孔为矩形或者菱形的网状结构。

4.一种制造权利要求1~3任意一项所述的复合材料消能护舷（1）的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

A）制造若干个能够组合成一个完整消能材料（4）的单元块（7）；

B）在每个所述单元块（7）的表面上开设多条消能槽（8），所述消能槽（8）中至少有一条开设在消能材料（4）的外表面上或者一直延伸开设至消能材料（4）的外表面，从而与消能材料（4）的外部空间直接连通，其它消能槽（8）直接或者相互连接后与上述与消能材料（4）的外部空间直接连通的消能槽（8）连接，从而使所有所述消能槽（8）均与消能材料（4）的外部空间连通；

C）在所述若干个单元块（7）上缠绕纤维丝，所述纤维丝嵌在消能槽（8）中；

D）将所述若干个单元块（7）拼搭组合成缠绕着纤维丝的消能材料（4）；

E）用纤维布包裹消能材料（4）并放入注塑模具中；

F）采用真空导入技术注入熔融树脂一体成型复合材料消能护舷（1）。

5.如权利要求4所述的复合材料消能护舷（1）的制造工艺，其特征在于：

步骤A）中若干个单元块（7）为形状大小一致的长方体块。

6.如权利要求5所述的复合材料消能护舷（1）的制造工艺，其特征在于：

步骤B）中，所述消能槽（8）交叉开设形成网孔为矩形或者菱形的网状结构。

7.如权利要求5所述的复合材料消能护舷（1）的的制造工艺，其特征在于：

步骤B）中，所述消能槽（8）垂直相交开设在所述第一平面和第二平面上并形成多个交点，所述第一平面和第二平面之间以交点为端点开设多个通孔（6），所述通孔（6）垂直于第一平面；

步骤C）中，将纤维丝穿入通孔（6）和嵌在消能槽（8）中缠绕在单元块（7）上。