CN104762929A - 一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，涉及桥梁保护技术领域，该装置包括柔性浮围、发电机组、滑轮装置、柔性索，柔性浮围套设于桥墩，且漂浮于水面；柔性浮围的顶面固定四个发电机组，柔性浮围的底面连接有四个滑轮装置，每个滑轮装置与一个发电机组相对设置，每个滑轮装置通过一个传动系统与对应的发电机组连接；每条柔性索的一端固定于桥墩，中部绕过一个滑轮装置，另一端悬挂连接一个重物。本发明实现防船撞、消浪、发电多功能于一体，结构简单，功能性强。

Description

一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置

技术领域

本发明涉及桥梁保护技术领域，具体涉及一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置。

背景技术

随着我国桥梁设计、研究及建造技术的发展，实现跨海交通需要的跨海桥梁的建设已经成为桥梁发展的一个重要方面，跨海大桥一般均为长联桥，桥墩数量众多，桥位处风高浪大。

海洋航运比内陆更加繁忙，特别是跨海大桥建设地址一般紧靠港口和内陆，都是航运重要枢纽，船舶与桥梁碰撞的风险比内河更高。目前广泛采用的是各种直接耗能防撞装置，对船撞，特别是波浪撞击的能量没有吸收再利用。专利号为CN 101215826B的中国专利“一种桥梁防撞装置”，利用可漂浮在海面上的柔性浮围，浮围内设置多个缓冲器，当船舶撞击桥墩时，缓冲器可以及时吸收船舶的撞击能量，同时缓冲器还可使船舶发生偏转，使船舶偏离撞击方向继续运动。但是该装置耗能装置仅为多个缓冲器，经过耗能后的船舶撞击能量依然比较大。

波浪蕴含着丰富的能量，任其直接作用在桥梁结构上，会对桥梁结构形成很大的波流力，桥梁结构的安全和耐久性方面的设计等级需要做较大的提高，投资需要大幅度提高，为了保证桥梁结构的安全，需要为桥梁结构提供合适的消浪装置。专利号为CN 101736689B的中国专利“一种用于桥塔的消浪结构”，当波浪袭击桥塔时，一部分波浪作用在套筒迎浪面而发生发射，一部分波浪通过套筒孔进入环形波浪室，并沿支撑板孔流入相邻的消浪腔室，消浪室内不同相位的波浪之间互相干扰，从而消耗波浪的能量，但是该消浪装置的能量消耗效率不是很高，而且不能对波浪能进行有效得转化利用。

与已有发电方式相比，波浪能发电不会污染环境，波浪能的储量丰富，但是收集和转化困难，波浪能发电装置的施工和运营耐久性不容易实现，从而导致发电成本高，长期以来未能得到大力发展。专利号为CN 202402205 U的中国专利“振荡浮子式波浪能发电装置”，包括浮子能量收集系统、机械储能系统和发电机发电系统，浮子能量收集系统需要利用支架固定在海床上，但是波浪能丰富的海域风高浪大，在海床上进行锚固施工工作困难很大而且成本很高，所产生的电能又需要重新在海洋架设电塔电线等来进行采集输送，经济成本较高，而且采集电线网对航道的干扰和本身的抗风抗波浪安全性又带来极大的挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其实现防船撞、消浪、发电多功能于一体，结构简单，功能性强。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，安装于既有桥梁，该装置包括一个柔性浮围，柔性浮围是横截面为椭圆形的柱体，该柱体沿竖直方向开设有中心孔，柔性浮围套在桥墩上，且漂浮于水面，该装置还包括四个发电机组、四个滑轮装置和四根柔性索，所述四个发电机组固定于柔性浮围的顶面，每个发电机组与柔性浮围的中轴线之间的距离均相等；所述四个滑轮装置位于柔性浮围的下方，每个滑轮装置分别与一个发电机组相对设置，每个滑轮装置通过一个传动系统与相对的发电机组连接；每条柔性索的一端固定于桥墩，中部绕过一个滑轮装置，另一端悬挂连接一个重物。

在上述技术方案的基础上，该装置还包括若干个阻尼器，每个阻尼器均设置于柔性浮围和所述桥墩之间。

在上述技术方案的基础上，每个阻尼器的一端与中心孔的孔壁铰接，另一端与桥墩铰接。

在上述技术方案的基础上，该装置包括四个阻尼器，四个阻尼器与柔性浮围的中轴线之间的距离均相等。

在上述技术方案的基础上，所述桥墩的横截面为长方形，中心孔的横截面为长方形。

在上述技术方案的基础上，所述柔性浮围的内部为空心结构，柔性浮围开有四个通孔，四个通孔与柔性浮围内部不连通，每个传动系统贯穿一个通孔。

在上述技术方案的基础上，所述传动系统为一条环形皮带，发电机组包括一个转轮，滑轮装置包括一个滑轮，环形皮带两端分别套设于对应发电机组的转轮和对应滑轮装置的滑轮。

在上述技术方案的基础上，该装置还包括电能传输电缆，所述电能传输电缆沿桥梁布置，电能传输电缆的一端与发电机组电连接，另一端延伸至桥梁外。

在上述技术方案的基础上，所述滑轮装置、柔性索和重物均位于水里。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的柔性浮围套设于桥墩，且漂浮于水面；柔性浮围的顶面固定四个发电机组，柔性浮围的底面连接有四个滑轮装置，每个滑轮装置与一个发电机组相对设置，每个滑轮装置通过一个传动系统与对应的发电机组连接；每条柔性索的一端固定于桥墩，中部绕过一个滑轮装置，另一端悬挂连接一个重物，整体实现防船撞、消浪、发电多功能于一体，结构简单，功能性强。

2、本发明的柔性索的一端固定于桥墩，中部绕过一个滑轮装置，另一端悬挂连接一个重物，柔性索连接整个桥梁防撞装置与既有桥梁，利用既有桥墩进行本桥梁防撞装置的锚固安装，降低施工难度、节约了成本；利用桥梁布置电力传输电缆，可以保证电缆的安全性和耐久性，同时降低电力传输成本，具有很大的应用前景和推广意义。

附图说明

图1为本发明实施例中一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明防撞装置被船撞时柔性浮围的卸力示意图；

图5为本发明防撞装置被船撞时柔性浮围的受力示意图；

图6为波浪形成原理示意图。

附图标记：

1-柔性浮围，2-发电机组，3-滑轮装置，4-传动系统，5-柔性索，6-重物，7-阻尼器，8-桥墩，9-通孔，10-船舶，11-中心孔。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2和图3所示，一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，安装于既有桥梁，本发明桥梁防撞装置包括一个柔性浮围1、四个发电机组2、四个滑轮装置3、四根柔性索5、若干个阻尼器7和电能传输电缆。柔性浮围1是横截面为椭圆形的柱体上，该柱体沿竖直方向开设有中心孔11，柔性浮围1套在桥墩8，且漂浮于水面，桥墩8的横截面为长方形，中心孔11的横截面为长方形，柔性浮围1椭圆形横截面的长轴与桥墩8横截面的长边平行，当船舶撞击在柔性浮围1的椭圆形外轮廓时，可以促使柔性浮围1发生一定角度的扭转，同时船舶改变方向，卸掉一部分船撞力；柔性浮围1的内部为空心结构，保证整个装置半浮于水面。每个阻尼器7均设置于柔性浮围1和桥墩8之间，每个阻尼器7的一端与中心孔11的孔壁铰接，另一端与桥墩8铰接，阻尼器7一端于中心孔11的孔壁铰接，适应柔性浮围1的转动和平动的同时，为柔性浮围1提供阻尼力。本实施例中，阻尼器7的数量为四个，四个阻尼器7与柔性浮围1的中轴线之间的距离均相等，四个阻尼器7位于桥墩8两侧。

另外，四个滑轮装置3位于柔性浮围1的下方，每条柔性索5的一端固定于桥墩8，中部绕过一个滑轮装置3，另一端悬挂连接一个重物6，滑轮装置3、柔性索5和重物6均位于水里，随着波浪起伏，重物6、柔性浮围1和柔性索5使整个桥梁防撞装置体系处于自平衡状态，同时为整个体系提供水平复位的回复力，随潮汐自动升降，柔性索5带动滑轮装置3转动，波浪能转化为重力势能，再转化为转动机械能。四个发电机组2固定于柔性浮围1的顶面，每个发电机组2与柔性浮围1的中轴线之间的距离均相等，发电机组2远离海水并进行良好的防水和耐久性设计。每个滑轮装置3分别与顶面的一个发电机组2相对设置，每个滑轮装置3通过一个传动系统4与相对的发电机组2连接，柔性浮围1开有四个通孔9，通孔9与柔性浮围1的内部不连通，每个传动系统4贯穿一个通孔，传动系统4为一条环形皮带，发电机组2包括一个转轮，滑轮装置3包括一个滑轮，环形皮带两端分别套设于对应发电机组2的转轮和对应滑轮装置3的滑轮。传动系统4将滑轮装置3的转动机械能传递至发电机组2，将滑轮装置3的转动机械能转化为电能，并进行后期储存和传输。电能传输电缆沿桥梁布置，电能传输电缆的一端与发电机组2电连接，另一端延伸至桥梁外且延伸至桥梁外，将电能输送出去。

参见图4和图5所示，本桥梁防撞装置实现防船撞功能的过程：柔性浮围1套设于桥墩8，保护桥墩8周围，当船舶10偏离航道欲撞击桥墩8，首先会撞击到柔性浮围1，柔性浮围1受力，会发生柔性变形，并发生一定角度的偏转，使船舶10改变行驶方向，卸掉大部分的船撞力。这时，柔性浮围1的受力主要包括重力、浮力、柔性索5对其的作用力F，阻尼器7对其的作用力F_阻尼器，船撞方向处的柔性索5与柔性浮围1底面的夹角β大于相对处的柔性索5与柔性浮围1底面的夹角α，船舶10撞击柔性浮围1受到的阻力F_船撞阻力＝F_{阻 尼器}+F_电阻尼+2F(ctanα-ctanβ)。柔性浮围1发生变形吸收一部分能量后，发生整体位移，连接柔性浮围1和桥墩8的阻尼器7发挥阻尼耗能作用，同时发电机组2利用波浪能发电也可起到电磁阻尼耗能的作用，经过以上一系列的卸力及耗能过程以后，作用在桥墩8的船撞力仅剩下阻尼器7传递过来的阻尼力，桥墩8容易承受，从而达到防船撞的目的；当船撞力消失后，柔性索5的非平衡水平力为整个桥梁防撞装置体系复位提供回复力，使其自动复位。

本桥梁防撞装置实现发电功能的过程：参见图6所示，根据线性波浪理论可知，水质点的运动轨迹是一个规则的圆，所以半浮于海面的柔性浮围1，在众多水质点的激励作用下，也会做轨迹类似于圆的运动。参见图1所示，柔性浮围1在重力、浮力和柔性索5的拉力共同作用下始终处于自平衡状态，当波浪上升时，柔性浮围1带动滑轮装置3一起上升，海水中的重物6位置上升，柔性索5带动滑轮装置3发生转动，将波浪能转化为重物6的重力势能和滑轮装置3的转动机械能；滑轮装置3转动，并通过传动系统4带动发电机组2进行工作，将滑轮装置3的转动机械能转化为电能，利用波浪能完成发电的过程。当波浪下降时，柔性浮围1带动滑轮装置3一起下降，重物6位置下降，柔性索5带动滑轮装置3发生反向转动，将重物6的重力势能转化为滑轮装置3的转动机械能；滑轮装置3转动，并通过传动系统4带动发电机组2进行工作，将滑轮装置3的转动机械能转化为电能，利用波浪能完成发电的过程。

本桥梁防撞装置实现消浪功能的过程：从能量转化的角度来看，如果没有安装本防撞装置，波浪中的水质点会按照圆运动的轨迹作用于桥墩8，其对桥墩8的作用力(波流力)的大小与波浪能大小成正比关系；安装本防撞装置之后，波浪能按照运动轨迹经历一次运动后，大量的波浪能转化为机械能，最终被传动系统内部消耗，和转化为电能，所余的波浪能较小，其作用于桥墩8的波流力大幅减小，从而达到消浪的目的。

以下进一步说明本发明桥梁防撞装置的实际应用。

某跨海大桥为公铁两用大桥，下层为时速200km/h的双线I级，上层为时速100km/h的六车道高速公路，对桥梁结构的受力变形要求很高，而桥址处风大、浪高、水深、流急、潮汐明显，岛屿、暗礁多，覆盖层浅薄、岩面倾斜、裸露，自然条件恶劣，地质复杂，全年6级以上大风天数超过300天，七级风以上年平均天数238天，100年重现期浪高达9.69m，施工水深达40m，设计流速达3.09m/s，最大潮差7.09m。全桥共计169个桥墩，其中水中墩115个，通航孔桥墩18个，非通航孔桥墩97个。经过实测，桥址处的波浪能流密度很高，直接作用在桥梁的桥墩8上，会产生很大的波流力作用，如果在上述跨海大桥的桥墩安装本桥梁防撞装置，不仅对桥梁结构而言起到了消浪和防撞的作用，还可以利用少量投资获得丰富的波浪能发电。以非通航孔桥墩为例，四个重物6，每个质量为100吨，采用铁砂填充(密度按7.85t/m3)，因为浸没在水中，作用在柔性5的拉力为重物6与浮力的差值，约86.9吨，平均浪高取2m，频率取为0.1Hz，能量转化率按40％选取，由此可以计算得到发电的功率为272kW，97个非通航孔桥墩配置系统后一年的发电量约为2.32亿千瓦时，约合经济效益9300万人民币。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，安装于既有桥梁，该装置包括一个柔性浮围(1)，柔性浮围(1)是横截面为椭圆形的柱体，该柱体沿竖直方向开设有中心孔(11)，柔性浮围(1)套在桥墩(8)上，且漂浮于水面，其特征在于：该装置还包括四个发电机组(2)、四个滑轮装置(3)和四根柔性索(5)，所述四个发电机组(2)固定于柔性浮围(1)的顶面，每个发电机组(2)与柔性浮围(1)的中轴线之间的距离均相等；所述四个滑轮装置(3)位于柔性浮围(1)的下方，每个滑轮装置(3)分别与一个发电机组(2)相对设置，每个滑轮装置(3)通过一个传动系统(4)与相对的发电机组(2)连接；每条柔性索(5)的一端固定于桥墩(8)，中部绕过一个滑轮装置(3)，另一端悬挂连接一个重物(6)。

2.如权利要求1所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：该装置还包括若干个阻尼器(7)，每个阻尼器(7)均设置于柔性浮围(1)和所述桥墩(8)之间。

3.如权利要求2所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：每个阻尼器(7)的一端与中心孔(11)的孔壁铰接，另一端与桥墩(8)铰接。

4.如权利要求2所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：该装置包括四个阻尼器(7)，四个阻尼器(7)与柔性浮围(1)的中轴线之间的距离均相等。

5.如权利要求1所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：所述桥墩(8)的横截面为长方形，中心孔(11)的横截面为长方形。

6.如权利要求1所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：所述柔性浮围(1)的内部为空心结构，柔性浮围(1)开有四个通孔(9)，四个通孔(9)与柔性浮围(1)内部不连通，每个传动系统(4)贯穿一个通孔(9)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：所述传动系统(4)为一条环形皮带，发电机组(2)包括一个转轮，滑轮装置(3)包括一个滑轮，环形皮带两端分别套设于对应发电机组(2)的转轮和对应滑轮装置(3)的滑轮。

8.如权利要求1至6中任一项所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：该装置还包括电能传输电缆，所述电能传输电缆沿桥梁布置，电能传输电缆的一端与发电机组(2)电连接，另一端延伸至桥梁外。

9.如权利要求1所述的同时实现发电和消浪的桥梁防撞装置，其特征在于：所述滑轮装置(3)、柔性索(5)和重物(6)均位于水里。