CN105625217A - 一种吸能缓冲防撞单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸能缓冲防撞单元，包括空心箱、弹性体缓冲介质以及轻质多孔吸能介质。本发明的有益效果为：其可单一或多块组合安装于需提升吸能缓冲性能的被保护的结构体上，在外物冲撞该防撞单元前端时，首先空心箱吸能形变，而后压缩轻质多孔吸能介质破碎而吸收冲撞能，轻质多孔吸能介质被压缩过程中，一部分冲撞能由材料溃缩而吸收，另一部分冲撞能则转变为弹性体缓冲介质形变势能而缓冲，并在弹性恢复力的作用下使得冲撞体以较小的角度逐步引导冲撞体恢复正常方向。该技术吸能缓冲效果好，能够较好的降低冲撞过程中对冲撞物及其内部人员的损伤；并且施工便捷，成本较低，利于推广应用。

Description

一种吸能缓冲防撞单元

技术领域

本发明涉及交通安全技术领域，具体涉及一种吸能缓冲防撞单元。

背景技术

随着经济发展，我国交通领域发生了跨越式增长。截止2014年末全国公路总里程446.39万公里，其中全国等级公路里程390.08万公里；全国内河航道通航里程12.63万公里，生产用码头泊位31705个。车船数量的增加以及其速度的不断提升，导致了车船事故数量不断攀升，在引发车船和航道受损的同时，造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。目前，为提高发生冲撞时的车船乘员和桥梁的安全性，常在公路及航道的两侧设置防撞体，以缓冲冲撞时的冲撞力。

在现实应用中，公路防撞体(护栏等)常采用钢筋混凝土或钢架结构，其刚度过大，汽车冲撞后减速度过大，发生交通事故后对车辆和驾乘人员的损伤较大；航道防撞体常采用橡胶防撞体、钢制浮箱等，其弹性模量较大，在船舶冲撞时能量吸收效果差，仍会对航道设施、船舶结构和乘员安全造成较大的损伤。另外，出于经济效益和安全效益的考虑，需进一步降低防撞体的施工难度和周期，提升其冲撞破损后的维修速度。

轻质多孔材料为具有高孔隙率的轻质结构，常见的有泡沫混凝土、泡沫玻璃、多孔有机硅、泡沫聚合物和泡沫金属等。该类材料一般具有较低的抗压强度，并且可通过改变孔隙率和密度而调整抗压强度。研究表明轻质多孔材料具有优良的吸能效果，已成功应用于飞机拦阻系统中，其吸能机理如下：当冲撞力作用于轻质多孔材料时，在压强作用下该材料发生破碎而吸收车辆的动能，较低的抗压强度使得在冲撞过程中不会产生过大的减速度和反作用力，从而逐渐的吸收动能或冲撞能。实用新型专利CN203514232U使用一种轻质多孔材料(泡沫混凝土)作为公路缓冲撞型护栏。由于该类材料的低抗压强度，使得其用于车船防撞装置时吸收冲撞能量的效率较低，即防撞结构的厚度较大；另外，低抗压强度也使得该类材料在吸能过程中缺乏对冲撞体的弹性力导向，不能以较小的角度逐步引导冲撞体恢复正常方向。

弹性体指在除去外力后能恢复原状的材料，常见的有热固性弹性体、热塑性弹性体。弹性体在冲撞力作用下，一部分冲击力转变为弹性体的形变势能而具有缓冲的作用，并且其弹性恢复力可以以较小的角度逐步引导冲撞体恢复正常方向。实用新型专利CN203420245U公开了一种柔性公路护栏，其中有两个圆环形橡胶圈作为吸能元件，可以缓冲车辆的冲撞力进而引导冲撞车辆以较小角度弹回正常运行车道。弹性体具有相对较高的弹性模量，在冲撞过程中主要起缓冲作用，而对冲撞能的消能(吸能)效果不佳，并且在此过程中冲撞体(车船)和被冲撞体(航道中桥梁等)需要承受较大的作用力，可引发大数值的减速度从而造成人员、车船受损，甚至桥梁坍塌等重大财产损失。

综上所述，在交通安全领域，研发具有良好吸能性能和缓冲性能的防撞结构具有重大的社会和经济效益。

发明内容

为解决现有技术中的防撞结构不具有良好吸能性能和缓冲性能的技术缺陷，本发明提供一种吸能缓冲防撞单元，吸能缓冲效果好，能够较好的降低冲撞过程中对冲撞物及其内部人员的损伤；并且施工便捷，利于推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种吸能缓冲防撞单元，其包括空心箱、弹性体缓冲介质以及轻质多孔吸能介质；其中，

所述弹性体缓冲介质设置于所述空心箱内壁上，所述轻质多孔吸能介质填充于所述空心箱内。

优选的，所述空心箱为棱台形或者柱形。

优选的，所述空心箱为长方体，且所述空心箱朝向受冲击的一面具有弧形凸起。

优选的，所述空心箱的横截面为扇面。

优选的，所述弹性体缓冲介质为环形、柱形或者球形。

优选的，所述空心箱的材质为聚合物材料。所述聚合物材料为纤维增强复合材料或者橡胶。

优选的，所述弹性体缓冲介质的材质为橡胶或者聚氨酯。所述弹性体缓冲介质的力学性能特征为：最小缓冲系数在2～10之间。

优选的，所述轻质多孔吸能介质的材质为轻质多孔吸能材料。所述轻质多孔吸能材料的力学性能特征为：在2MPa压力范围内，材料最大压溃度≥60％，且单位体积材料吸能效率≥200KJ，密度小于600kg/m3。所述轻质多孔吸能材料为泡沫混凝土、泡沫玻璃或者多孔有机硅。

本发明的有益效果为：

1)、轻质多孔吸能介质和弹性体缓冲介质的力学性能稳定，可通过结构设计和材料选择调整抗压强度，故易于实现对抗冲击力的计算和可设计性；

2)、在轻质多孔吸能介质的消能作用协助下，吸能缓冲防撞单元的刚性降低，使冲撞体(车船)和被冲撞体(航道中桥梁等)有一个平缓的减速过程，并且两者需要承受的作用力减小，有效提高了它们的结构安全性和乘员安全性；

3)、在弹性体缓冲介质的缓冲作用协助下，吸能缓冲防撞单元具有一定的弹性恢复力，使得冲撞体以较小的角度逐步引导冲撞体恢复正常方向；

4)、该吸能缓冲防撞单元还可根据具体的安装位置和使用环境设计其结构和形状，可单一或多单元联合使用，有效的提升了其适用性；

5)、该吸能缓冲防撞单元便于施工和维护。根据具体的安装位置而设计吸能缓冲防撞单元的空心箱后端的形状，使其能够固定于被保护的结构体上并紧密贴合。另外，泡沫混凝土、泡沫玻璃、多孔有机硅和泡沫聚合物等轻质多孔吸能介质均具有较成熟的现场浇筑、发泡的施工技术，也可将该类材料制成集料式块状体填充至空心箱中。故在施工过程中，将内部固定有弹性体缓冲介质的空心箱(重量轻)固定于被保护的结构体上后，可在施工现场制备轻质多孔吸能介质并浇筑于空心箱内成型或直接将集料式轻质多孔吸能介质填充至空心箱中，由于该材料质轻并且可选择现场制造所以可大幅度的降低运输成本，无需大型施工设备，提升施工效率；在冲撞损坏后，只需将损坏部分的单元取下(无需整体更换)，更换备用空心箱后现场人工填充轻质多孔吸能介质即可，无技术难度和大型施工设备的需求，并且对于新建和改建的交通设施均有良好的施工适用性。

附图说明

图1为本发明第一实施例的吸能缓冲防撞单元的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的吸能缓冲防撞单元和被保护的结构体的纵向剖视图；

图3为本发明第一实施例的吸能缓冲防撞单元的横向剖视图；

图4为本发明第二实施例的吸能缓冲防撞单元的结构示意图；

图5为本发明第二实施例的吸能缓冲防撞单元和被保护的结构体的纵向剖视图；

图6为本发明第二实施例的吸能缓冲防撞单元的横向剖视图；

图7为本发明第三实施例的吸能缓冲防撞单元的结构示意图；

图8为本发明第三实施例的吸能缓冲防撞单元和被保护的结构体的纵向剖视图；

图9为本发明第三实施例的吸能缓冲防撞单元的横向剖视图；

图10为本发明第四实施例的吸能缓冲防撞单元的结构示意图；

图11为本发明第四实施例的吸能缓冲防撞单元和被保护的结构体的纵向剖视图；

图12为本发明第四实施例的吸能缓冲防撞单元的横向剖视图。

图中，

1-被保护的结构体；2-空心箱；3-弹性体缓冲介质；4-轻质多孔吸能介质；5-卡扣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。

如图1至图12所示，本发明提供的一种吸能缓冲防撞单元，其包括空心箱2、弹性体缓冲介质3以及轻质多孔吸能介质4；其中，

所述弹性体缓冲介质3设置于所述空心箱2内壁上(所述弹性体缓冲介质3可以固接于所述空心箱2内壁上)，所述轻质多孔吸能介质4填充于所述空心箱2内。

所述空心箱2为棱台形或者柱形。所述空心箱2还可以为长方体，且所述空心箱2朝向受冲击的一面具有弧形凸起。

所述弹性体缓冲介质3为环形、柱形或者球形。所述空心箱2右端为冲撞来源方向，左端可固定于被保护的结构体1上。

所述空心箱2的材质为聚合物材料。所述聚合物材料为纤维增强复合材料或者橡胶。

所述弹性体缓冲介质3的材质为橡胶或者聚氨酯。所述弹性体缓冲介质3的力学性能特征为：最小缓冲系数在2～10之间。

所述轻质多孔吸能介质4的材质为轻质多孔吸能材料。所述轻质多孔吸能材料的力学性能特征为：在2MPa压力范围内，材料最大压溃度≥60％，且单位体积材料吸能效率≥200KJ，密度小于600kg/m3。所述轻质多孔吸能材料为泡沫混凝土、泡沫玻璃或者多孔有机硅。

所述轻质多孔吸能介质4的力学性能测定方法如下：将轻质多孔吸能材料装入刚性圆筒内进行压缩试验，压缩面直径和桶高均为30.48cm，压缩速度500mm/min，测定材料在实验条件下的应力-压溃度曲线或者应力-应变曲线，计算单位体积材料在压缩过程中的吸能效率。

在特性材料力学性能试验中，材料溃缩吸收能量，期间能量吸收效率最高时的压溃度为最大压溃度，能量吸收效率按公式X计算：

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{\∫}_0^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)d\mathrm{\ϵ}$

式中：

η——试样溃缩时的能量吸收效率；

σ——试样的压应力，单位为兆帕MPa；

ε——试样的压溃度。

该发明的吸能缓冲防撞单元的作用机理如下：该吸能缓冲防撞单元可单一或多块组合安装于需提升吸能缓冲性能的被保护的结构体1上，在外物冲撞该吸能缓冲防撞单元前端时，首先空心箱2吸能形变，而后压缩轻质多孔吸能介质4破碎而吸收冲撞能，轻质多孔吸能介质4被压缩过程中，一部分冲撞能由材料溃缩而吸收，另一部分冲撞能则转变为弹性体缓冲介质3的形变势能而缓冲，并在较小弹性恢复力的作用下使得冲撞体以较小的角度逐步引导冲撞体恢复正常方向。

实施例一：

吸能缓冲防撞单元结构如图1至图3所示，空心箱2为棱台形，上部宽25cm，下部宽40cm，高81cm，长40cm，材质为纤维增强聚合物，内壁固定有多个最小缓冲系数为4的环形橡胶圈(也可以为柱形或者球形的橡胶)。将多个防撞单元的空心箱2依次紧靠，并通过粘接方式固定于原有混凝土式公路护栏上，用于提升公路护栏的缓冲吸能性能。待粘结胶固化后，在现场将搅拌均匀的泡沫混凝土浆体注入到空心箱2内，待发泡、完全水化硬化后，经测试，其密度为280kg/m3，在2MPa范围内的最大压溃度为73％，单位体积溃缩吸能效率为360KJ/m3。

实施例二：

吸能缓冲防撞单元结构如图4至图6所示，空心箱2为棱台形，上部宽25cm，中部宽40cm，下部宽25cm，高100cm，长80cm，材质为橡胶，左侧内壁上固定有多个最小缓冲系数为4.5的柱形橡胶体。将多个防撞单元的空心箱2依次紧靠，并通过空心箱2后端预留的卡扣5与岸边混凝土墙上固定件结合而固定，用于船舶靠岸时的缓冲吸能防撞体。将搅拌均匀的多孔有机硅浆体注入到空心箱2内，待发泡、硬化后，经测试，其密度为350kg/m3，在2MPa范围内的最大压溃度为68％，单位体积溃缩吸能效率为340KJ/m3。

实施例三：

吸能缓冲防撞单元结构如图7至图9所示，空心箱2厚度分布均匀为1m，横截面为扇面，圆心角为30°，材质为纤维增强聚合物，左侧内壁上固定有多个最小缓冲系数为4.2的球形橡胶体。将多个防撞单元的空心箱2依次紧靠围拢桥墩一周，并通过法兰结构将各个防撞单元固定，用于降低船舶撞击桥墩时的冲击力。将泡沫玻璃预制块填出于空心箱2内，经测试，其密度为300kg/m3，在2MPa范围内的最大压溃度为80％，单位体积溃缩吸能效率为400KJ/m3。

实施例四：

吸能缓冲防撞单元结构如图10至图12所示，空心箱2(长5m×底边半径1m的圆柱体)的材质为纤维增强聚合物，左侧内壁上固定多个最小缓冲系数为3.5的聚氨酯柱状体。将该空心箱2横卧于桥墩周围设置的混凝土防护柱外缘，并通过固定结构将该防撞单元固定。将泡沫聚氨酯材料填出于空心箱2内，经测试，其密度为400kg/m3，在2MPa范围内的最大压溃度为63％，单位体积溃缩吸能效率为550KJ/m3。

需要说明的是，图2、图3、图5、图8、图11为了便于观察空心箱2和弹性体缓冲介质3，在制图时，空心箱2的内壁与弹性体缓冲介质3之间留有一定间隙，实际应用中优选设计为弹性体缓冲介质3紧贴空心箱2内壁。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吸能缓冲防撞单元，其特征在于，其包括空心箱(2)、弹性体缓冲介质(3)以及轻质多孔吸能介质(4)；其中，

所述弹性体缓冲介质(3)设置于所述空心箱(2)内壁上，所述轻质多孔吸能介质(4)填充于所述空心箱(2)内。

2.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述空心箱(2)为棱台形或者柱形。

3.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述空心箱(2)为长方体，且所述空心箱(2)朝向受冲击的一面具有弧形凸起。

4.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述空心箱(2)的横截面为扇面。

5.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述弹性体缓冲介质(3)为环形、柱形或者球形。

6.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述空心箱(2)的材质为聚合物材料。

7.根据权利要求6所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述聚合物材料为纤维增强复合材料或者橡胶。

8.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述弹性体缓冲介质(3)的材质为橡胶或者聚氨酯。

9.根据权利要求1所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述轻质多孔吸能介质(4)的材质为轻质多孔吸能材料。

10.根据权利要求9所述的吸能缓冲防撞单元，其特征在于，所述轻质多孔吸能材料为泡沫混凝土、泡沫玻璃或者多孔有机硅。