CN106958193B - 弹性自斜坡式流冰防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹性自斜坡式流冰防护装置，目的在于有效减小被防护结构的冰激振动，同时控制作用面的倾斜角度，实现冰排的弯曲破坏，达到不同水位下冰灾害的防护效果。本发明由面板、底板、横梁、上横杆、下横杆、上横杆弹簧、下横杆弹簧、连接螺母、空心螺栓、限位螺母、面板滑槽、铰接头、桁架组成，本发明以面板和横梁铰接形成可变角度的斜坡式防护结构，面板、弹簧、上/下横杆及空心螺栓共同形成能量耗散系统。实现既适应于防护水域水位的变化，又可以通过设计参数的选取达到控制面板倾斜角度的目的。本发明结合了弹性能量耗散装置和斜面式流冰防护结构的共同特点，是一种适合于大型围堰、施工作业平台、桥梁基础等结构的流冰防护装置。

Description

弹性自斜坡式流冰防护装置

技术领域

本发明属于冰撞击防护领域，具体指一种弹性自斜坡式流冰防护装置。

背景技术

我国是受冰灾害影响严重的国家，渤海海域多次发生海冰推倒海上平台的事故，同时我国的黄河、松花江、黑龙江等都是流冰严重的河流，均发生过桥墩被流冰、冰排撞击挤压而发生的整体倾覆或局部破坏事故。针对冰撞击的问题，100多年以来，人们进行了系统的研究，先后提出了防撞桩、防撞套箱等独立式的防撞装置，这类结构一般规模庞大结构复杂，造价高昂，同时该类结构以自我牺牲的防护形式，阻挡流冰的撞击，非常容易发生破坏；还有各类安装于临冰结构上的破冰体，最常见的是锥形破冰体，其虽然可以减小冰荷载作用，但并不能有效避免结构发生冰激振动；此外，斜坡式的临冰结构表面设计也是常用防冰手段，其原理是将冰排的直接挤压撞击过程，转化成冰排爬坡自身发生弯曲破坏，这既可大幅降低水平冰荷载也可将大面积冰排进行破碎，防止其堆积阻塞，但该种防护方法和结构形式，仍是一种冰排和结构直接作用的硬碰硬式撞击破坏过程，同样会因为冰激动荷载而引起被防护结构的强烈晃动。

现实中，冰激振动会引起结构疲劳破坏或上部设施的损坏，降低结构的耐久性。因此，如何有效地减少冰荷载对结构的挤压、激振作用对于流冰严重水域的结构安全防护十分必要。

本发明就是要解决以上问题，提供一种造价低、规模小的弹性防撞装置，既适用于小块流冰的撞击防护，保证被防护结构不发生剧烈晃动进而引起冰激振动破坏，还适用于大面积冰排挤压防护，提供一种倾斜角度可控的斜坡式防护装置。

发明内容

本发明公开了一种流冰防护装置，目的是提供一种适用于流冰和冰排防护、适应水位变化、倾斜角度可控、避免结构发生剧烈冰激振动的撞击防护装置。

为实现上述目的，本发明提供的弹性自斜坡式流冰防护装置由面板、底板、横梁、上横杆、下横杆、上横杆弹簧、下横杆弹簧、连接螺母、空心螺栓、限位螺母、面板滑槽、铰接头、桁架组成。

在不受外部荷载作用情况即初始状态下，所述弹性自斜坡式流冰防护装置的上横杆弹簧和下横杆弹簧均处于自由状态，面板与底板平行且呈垂直状态，上横杆和下横杆及横梁呈水平状态。

本发明所述面板为垂直布置的刚性板，其下端与水平布置的横梁铰接，上部通过面板滑槽和铰接头从下至下依次与水平布置的上横杆和下横杆相连。

所述横梁为水平布置的刚性梁，一端与面板底部铰接，另一端垂直固定于底板，横梁长度保证不受外荷载作用下面板处于垂直状态。

所述上横杆和下横杆均为圆截面刚性杆，一端通过铰接头与面板上的面板滑槽相连，另一端插入空心螺栓中。

所述空心螺栓分别套在上横杆和下横杆上，通过预留孔贯穿底板并固定于底板上，空心螺栓靠近面板的一端分别与上横杆弹簧和下横杆弹簧相连。

所述上横杆弹簧和下横杆弹簧分别套在上横杆和下横杆上，前端均固定于对应的连接螺母，后端均固定于对应的空心螺栓，上横杆弹簧和下横杆弹簧为均值弹簧，设计最大冰荷载作用时均处于弹性变形范围内，初始状态下上横杆弹簧和下横杆弹簧均处于自由状态。

所述连接螺母分别紧固在上横杆和下横杆前端，分别与上横杆弹簧和下横杆弹簧相连。

所述限位螺母分别紧固在上横杆和下横杆穿过底板的一侧端部，用于限制上横杆和下横杆不从空心螺栓拔出，初始状态下限位螺母与空心螺栓刚好接触。

所述底板为垂直布置的刚性板，通过桁架连接于被防护结构外表面。

所述铰接头一端分别与上横杆和下横杆铰接，另一端分别嵌在面板滑槽中，可沿面板滑槽滑动，但不可拔出，铰接头与面板滑槽表面接触光滑；

所述面板滑槽呈凸形，以面板垂直状态下铰接头所在位置为起点，沿面板竖直方向向上布置，面板滑槽长度其中h₁为设计高低水位差。

本发明以大面积冰排挤压为设计荷载环境，首先应获得防护水域的设计高低水位差h₁、设计冰排厚度d并计算竖向冰荷载标准值F_v。

本发明所述面板在上横杆以上的部分，高度取为设计冰排的破碎长度，根据现有研究取为7.5d，其中d为设计冰排厚度；

上横杆所在高度对应于设计高水位，下横杆所在高度对应于设计低水位，即上横杆与下横杆的间距为已知的设计高低水位差h₁；

根据现有研究为保证冰排发生弯曲破坏，减小水平冰荷载作用的同时保证冰排不发生越顶现象，冰排荷载作用过程中面板的倾斜角度控制在45°至60°之间最为适宜，为此本发明所述横梁与下横杆的间距h₂取为0.5倍的设计高低水位差h₁；上横杆弹簧和下横梁弹簧刚度均取为其中F_v竖向冰荷载标准值。

本发明各连接处摩擦作用可以忽略。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明以面板和横梁铰接形成可变角度的斜坡式防护结构，以面板、弹簧、上横杆、下横杆及空心螺栓共同形成能量耗散系统，使面板与冰排的撞击从刚性撞击过程变成弹性撞击过程，形成一个具有耗散碰撞能量的防护装置，避免了冰排与被防护结构的直接接触，可有效减弱被防护结构的冰激振动。

2、本发明通过防护水域冰荷载来设计横梁与下横杆的间距和上横杆弹簧及下横杆弹簧的刚度系数大小，保证了冰排作用过程中面板与水平面的夹角在45°至60°之间，进而可有效地控制冰排的破坏形式和冰荷载的组成。

3、本发明通过设计高低水位来设定上横杆与下横杆的间距，可以有效适应冰期水位的变化。

附图说明

图1是本发明所述弹性自斜坡式流冰防护装置初始状态的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖面示意图；

图3是图1圆圈内结构的细部图；

图4是本发明所述弹性自斜坡式流冰防护装置在冰荷载作用下结构示意图；

图5是本发明所述弹性自斜坡式流冰防护装置在冰荷载作用下结构受力图。

图中：1、面板；2、底板；3、被防护结构表面；4、横梁；5、下横杆；6、上横杆；7、下横杆弹簧；8、上横杆弹簧；9、铰接头；10、连接螺母；11、空心螺栓；12、限位螺母；13、桁架；14、冰排；15、面板滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和一个具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2和图3所示，本发明提供的弹性自斜坡式流冰防护装置由面板1、底板2、横梁4、下横杆5、上横杆6、下横杆弹簧7、上横杆弹簧8、铰接头9、连接螺母10、空心螺栓11、限位螺母12、桁架13、面板滑槽15组成。

如图1所示，在不受外部荷载作用情况下，系统处于初始状态，所述弹性自斜坡式流冰防护装置的下横杆弹簧7和上横杆弹簧8均处于自由状态，面板1与底板2、被防护结构表面3平行且呈垂直状态，下横杆5、上横杆6及横梁4呈水平状态。

如图1和图2所示，本发明所述面板1为垂直布置的刚性板，取为单位宽度1米，面板1下端与水平布置的横梁4铰接，上部通过面板滑槽15和铰接头9依次与水平布置的下横杆5和上横杆6相连；

如图1所示，所述横梁4为水平布置的刚性梁，一端与面板1底部铰接，另一端垂直固定于底板2，横梁4的长度L保证不受外荷载作用下面板1处于垂直状态。

如图1所示，所述上横杆6和下横杆5均为圆截面刚性杆，一端通过铰接头9与面板1上的面板滑槽15相连，另一端插入空心螺栓11中；

如图1所示，所述两个空心螺栓11分别套在上横杆6和下横杆5上，固定于底板2上的预留孔，靠近面板1一端分别与上横杆弹簧8和下横杆弹簧7相连；

所述上横杆弹簧8和下横杆弹簧7分别套在上横杆6和下横杆5上，前端均固定于连接螺母10，后端连接于空心螺栓11；

所述两个连接螺母10分别紧固在上横杆6和下横杆5的前端，分别与上横杆弹簧8和下横杆弹簧7相连；

所述两个限位螺母12分别紧固在上横杆6和下横杆5穿过底板2的一侧端部，分别用于限制上横杆6和下横杆5不从空心螺栓11拔出，当限位螺母12与空心螺栓11接触时，使面板1处于竖直状态，上横杆弹簧8和下横杆弹簧7均处于自由长度。

所述底板2为刚性板，通过桁架13连接于被防护结构表面3。

如图2和图3所示，所述两个铰接头9一端分别与上横杆6和下横杆5铰接，另一端分别嵌在面板滑槽15中，可沿面板滑槽15在面板1表面平行滑动，但不可拔出，铰接头9与面板滑槽15表面接触光滑；

如图2和图3所示，所述面板滑槽15呈凸形，以面板1垂直状态下铰接头9所在位置为起点，沿面板1竖直方向向上布置，面板滑槽15的长度其中h₁为设计高低水位差。

如图4所示，本发明以大面积的冰排14挤压为设计荷载环境，首先应获得防护水域的设计高水位、设计低水位、设计冰排厚度d。

本发明所述面板1竖向分为三部分，上横杆6以上部分高度取为设计冰排14的破碎长度，根据现有研究取为7.5d；

上横杆6所在高度对应于设计高水位，下横杆5所在高度对应于设计低水位，即上横杆6与下横杆5的间距为设计高低水位差h₁；

根据现有研究为保证冰排发生弯曲破坏，减小水平冰荷载作用同时保证冰排不发生越顶现象，冰排荷载作用过程中面板的倾斜角度在45°至60°之间最为适宜，为此本发明所述横梁4与下横杆5的间距h₂取为0.5倍的设计高低水位差h₁；即h₂＝0.5h₁；

上横杆弹簧8和下横梁弹簧7的刚度均取为k＝0.6F_vh₁，其中F_v竖向冰荷载标准值。

结合图5所示的受力状态，本发明的设计原理如下：

根据《港口工程荷载规范》，取设计冰排14作用于面板1的荷载为：

水平冰荷载标准值：F_h＝adσ_ftanθ

竖向冰荷载标准值：F_v＝adσ_f

上两式中，a为系数取0.1倍斜面宽度，本发明分析的是单位宽度面板受力，故取为0.1；d为设计冰排厚度；σ_f为冰的弯曲强度标准值；θ为冰排作用下面板与水平面的夹角。

已知h₁为设计高低水位差，也是上横杆与下横杆的间距；h₂为下横杆与横梁的间距。

根据铰接头9与面板1连接方式，可得上横杆和下横杆对面板1的作用力为：

式中，F_h1、F_v1分别为上横杆对面板的水平作用力和竖向作用力；F_h2、F_v2分别为下横杆对面板的水平作用力和竖向作用力；L₁为上横杆弹簧压缩量；L₂为下横杆弹簧压缩量；k为上横杆弹簧和下横杆弹簧的刚度系数；

根据面板1与横梁4间铰接，当冰排14作用在面板1上时，面板1发生倾斜，与水平面的夹角为θ，分析系统受力，可得：

上式中，h为冰排撞击点距离面板1和横梁4的铰接点的垂直距离。

将式1代入式2，可得：

根据现有研究为保证冰排发生弯曲破坏，减小水平冰荷载作用同时保证冰排不发生越顶现象，本发明在冰排作用过程中面板1与水平面的夹角θ在45°至60°之间，取冰排在设计高水位情况下作用时(即h＝h₁+h₂)面板1与水平面的夹角θ＝45°；在设计低水位情况下作用时(即h＝h2)面板1与水平面的夹角θ＝60°。

代入式4，可以得到：

联立以上两式，即可得到：

h₂＝0.5h₁

k＝0.6F_vh₁

因此，以上参数设计就可满足面板1在冰排14作用下倾斜角度在45°至60°之间，即确保冰排14发生的是弯曲破坏，以有效减少冰排水平荷载作用。

本发明通过弹簧螺栓与铰接的接触面设计，将上横杆弹簧与下横杆弹簧和面板等组成一个可控制倾斜角度的弹性防撞装置，将原本的刚性撞击过程变成弹性撞击过程，有效地耗散了碰撞能量，避免了冰排与被防护结构的直接接触，降低被防护结构的冰激振动。是一种造价低、规模小，既适用于小块流冰的撞击防护，又适用于大面积冰排的挤压防护。

Claims (2)

1.一种弹性自斜坡式流冰防护装置由面板、底板、横梁、上横杆、下横杆、上横杆弹簧、下横杆弹簧、连接螺母、空心螺栓、限位螺母、面板滑槽、铰接头、桁架组成，其特征在于所述面板为垂直布置的刚性板，其下端与水平布置的横梁铰接，上部通过面板滑槽和铰接头依次与水平布置的上横杆和下横杆相连；所述横梁为水平布置的刚性梁，一端与面板底部铰接，另一端垂直固定于底板，横梁长度保证不受外荷载作用下面板处于垂直状态；所述上横杆和下横杆均为圆截面刚性杆，一端通过铰接头与面板上的面板滑槽相连，另一端插入空心螺栓中；所述空心螺栓分别套在上横杆和下横杆上，固定于底板上的预留孔，靠近面板一端分别与上横杆弹簧和下横杆弹簧相连；所述上横杆弹簧和下横杆弹簧分别套在上横杆和下横杆上，前端固定于连接螺母，后端连接于空心螺栓；所述连接螺母分别紧固在上横杆和下横杆的前端，分别与上横杆弹簧和下横杆弹簧相连；所述限位螺母分别紧固在上横杆和下横杆穿过底板的一侧端部，分别用于限制上横杆和下横杆不从空心螺栓拔出，当限位螺母与空心螺栓接触时，使面板处于竖直状态，上横杆弹簧和下横杆弹簧均处于自由长度；所述底板为刚性板，通过桁架连接于被防护结构外表面；所述铰接头一端分别与上横杆和下横杆铰接，另一端嵌在面板滑槽中，可沿面板滑槽在面板表面平行滑动且不可拔出；所述面板滑槽呈凸形，以面板垂直状态下铰接头所在位置为起点，沿面板竖直方向向上布置。

2.如权利要求1所述的弹性自斜坡式流冰防护装置，其特征在于上横杆与下横杆的间距为设计高低水位差h₁；下横杆与横梁间距为0.5倍的设计高低水位差h₁；上横杆以上部分的面板高度为7.5倍的设计冰排厚度d；面板滑槽长度其中h₁为设计高低水位差；上横杆弹簧与下横杆弹簧的刚度k均为0.6F_vh₁，其中F_v为基于设计冰排计算得到的竖向冰荷载标准值。