CN107988960A - 一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置 - Google Patents

一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置 Download PDF

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Abstract

一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，本发明涉及一种桥墩防撞装置。本发明要解决现有撞击物对桥墩的损伤破坏，防撞装置的吸能及防护效果差的问题。一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置包括内层受力钢板层、外层受力钢板层、上层钢板、下层钢板及金属空心球填充树脂基体复合材料结构层；沿桥墩外圆周由内至外依次固定设置内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层；所述的内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层上端固定设有上层钢板；所述的内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层下端固定设有下层钢板。

Description

一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置
技术领域
本发明涉及一种桥墩防撞装置。
背景技术
车辆或船舶撞击桥墩是造成桥梁下部结构破坏的主要因素，一般情况下，车辆的质量虽相对船舶小，但其速度却很大，撞击桥墩时的动能也十分巨大，对桥梁整体结构的正常使用及安全产生严重的影响，在桥墩防撞设施设计中，从根本上说，其基本原理都是基于能量吸收和动量缓冲机理来保护桥墩的。综合考察现有装置的材料选择和结构设计策略，可发现在选材上多以高强度材料为研究重点，使得撞击物与防护装置的刚度趋于同一水平，因此往往会造成防护装置与撞击物皆毁，或吸能不足的缺点，而在结构上，曾尝试利用橡胶等柔性物进行结构优化来达到减轻撞击后桥墩结构的损害，但这些物体使用范围仅局限作为缓冲体上，效果并不十分理想，采用现有桥墩钢板防撞装置在受到5t汽车以车速为60km/h的速度撞击墩高为13m、直径为1.5m的圆形桥墩表面时，最大应变为150με～300με，桥墩顶端最大位移为4.5mm～10mm，桥墩撞击反面的加速度469m/s2～982m/s2。
发明内容
本发明要解决现有撞击物对桥墩的损伤破坏，防撞装置的吸能及防护效果差的问题，而提供一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置。
一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置包括内层受力钢板层、外层受力钢板层、上层钢板、下层钢板及金属空心球填充树脂基体复合材料结构层；
沿桥墩外圆周由内至外依次固定设置内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层；
所述的内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层上端固定设有上层钢板；所述的内层受力钢板层、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层和外层受力钢板层下端固定设有下层钢板；所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层的厚度为30cm～50cm；
所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层具体是按以下步骤制备的：首先将环氧树脂注入模具，再将模具置于温度为60℃～80℃的水浴中，然后向模具中添加若干预处理后的金属空心球、增塑剂和消泡剂，混合均匀，最后加入固化剂，搅拌均匀并浇注到聚乙烯塑料模具，脱模后，得到金属空心球填充树脂基体复合材料结构层；所述的环氧树脂与若干预处理后的金属空心球的体积比为1:(2～3)；所述的环氧树脂与增塑剂的体积比为1:(0.1～0.15)；所述的环氧树脂与消泡剂的体积比为1:(0.0015～0.0025)；所述的环氧树脂与固化剂的体积比为1:1；所述的若干预处理后的金属空心球的直径和壁厚相等；
所述的预处理后的金属空心球是按以下步骤制备的：首先将金属空心球置于温度为120℃～150℃的条件下，烘干2h～3h，烘干后装入模具，将无水乙醇与去离子水混合，得到乙醇溶液，向乙醇溶液中加入硅烷偶联剂，得到混合溶液，将混合溶液倒入模具中，与金属空心球搅拌均匀，然后激振器处理60min～90min，最后在温度为120℃～150℃的条件下，烘干4h～5h，冷却至室温，得到预处理后的金属空心球；所述的无水乙醇与去离子水的质量比(9～10):1；所述的硅烷偶联剂与金属空心球的质量比为(2～5):100；所述的乙醇溶液与金属空心球的体积比为(2～3):1。
本发明的有益效果是：1、所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层由大量金属空心球与软化后的环氧树脂组合而成，两者均为很好的吸能材料且具备在受撞击后产生大变形的特性，并且环氧树脂可以很好地连接金属空心球体以使得两者形成共同的受力变形体。
2、所述的金属空心球填充树脂复合材料结构层中环氧树脂采用增塑剂进行软化使得复合材料整体刚度比以往所用的钢板防护或防护桩等防护措施低，可以达到保护受撞击桥墩及撞击车辆的双重效果。
3、所述的金属空心球填充树脂复合材料结构层配置方式及工艺可以使得环氧树脂及金属空心球所占体积及质量比例处于最优范围以到达最佳吸能效果。
4、在制备金属空心球填充树脂复合材料结构层前对金属空心球进行预处理可以保证金属空心球与环氧树脂胶体更好地结合，最终达到共同受力、吸能的目的。
5、采用金属空心球填充树脂基体复合材料结构层填充钢板内部，使得撞击能量通过环氧树脂基体及内部的大量金属空心球填充材料的共同变形所吸收，可保证吸收大量的撞击能量，并且安装简单，施工方便，易于更换，大幅度减少桥墩损伤。
6、所述防撞装置形成一个封闭的整体，共同变形受力，且环氧树脂及金属空心球均为很好的吸能材料，两者共同协作变形可提高吸能效果，最大限度的减少桥墩损失。
7、外层受力钢板层作为与撞击车辆直接接触体，可首先吸收部分撞击能量，内层受力钢板层可以吸收残余撞击能量，可对受撞击桥墩产生多重保护，保证桥墩表面不受损伤。
8、该桥墩防撞装置占据空间小，不会对正常行车及桥梁整体美观产生影响，并且受撞击后吸能效果显著，延长撞击时间，有效减小桥墩损伤，生产方便且易于安装及更换。
9、本发明采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面最大应变为91με，吸能效果明显，与没有施加任何防护装置的裸墩相比最大应变降低了68％；采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩顶端最大位移为2.98mm，与没有施加任何防护装置的裸墩相比最大位移降低了51％；采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击反面的加速度为285.3m/s2，与没有施加任何防护装置的裸墩相比加速度减小了46％。对桥墩受撞击表面进行观察，采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面完好无损，则可以说明金属空心球填充树脂基体复合材料的防护装置可以很好地吸收撞击能量，从而达到保护桥墩的作用。
本发明用于一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置。
附图说明
图1为本发明金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置包括内层受力钢板层2、外层受力钢板层3、上层钢板4、下层钢板5及金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6；
沿桥墩1外圆周由内至外依次固定设置内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3；
所述的内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3上端固定设有上层钢板4；所述的内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3下端固定设有下层钢板5；所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6的厚度为30cm～50cm；
所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6具体是按以下步骤制备的：首先将环氧树脂注入模具，再将模具置于温度为60℃～80℃的水浴中，然后向模具中添加若干预处理后的金属空心球、增塑剂和消泡剂，混合均匀，最后加入固化剂，搅拌均匀并浇注到聚乙烯塑料模具，脱模后，得到金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6；所述的环氧树脂与若干预处理后的金属空心球的体积比为1:(2～3)；所述的环氧树脂与增塑剂的体积比为1:(0.1～0.15)；所述的环氧树脂与消泡剂的体积比为1:(0.0015～0.0025)；所述的环氧树脂与固化剂的体积比为1:1；所述的若干预处理后的金属空心球的直径和壁厚相等；
所述的预处理后的金属空心球是按以下步骤制备的：首先将金属空心球置于温度为120℃～150℃的条件下，烘干2h～3h，烘干后装入模具，将无水乙醇与去离子水混合，得到乙醇溶液，向乙醇溶液中加入硅烷偶联剂，得到混合溶液，将混合溶液倒入模具中，与金属空心球搅拌均匀，然后激振器处理60min～90min，最后在温度为120℃～150℃的条件下，烘干4h～5h，冷却至室温，得到预处理后的金属空心球；所述的无水乙醇与去离子水的质量比(9～10):1；所述的硅烷偶联剂与金属空心球的质量比为(2～5):100；所述的乙醇溶液与金属空心球的体积比为(2～3):1。
本实施方式的有益效果是：1、所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6由大量金属空心球与软化后的环氧树脂组合而成，两者均为很好的吸能材料且具备在受撞击后产生大变形的特性，并且环氧树脂可以很好地连接金属空心球体以使得两者形成共同的受力变形体。
2、所述的金属空心球填充树脂复合材料结构层6中环氧树脂采用增塑剂进行软化使得复合材料整体刚度比以往所用的钢板防护或防护桩等防护措施低，可以达到保护受撞击桥墩及撞击车辆的双重效果。
3、所述的金属空心球填充树脂复合材料结构层6配置方式及工艺可以使得环氧树脂及金属空心球所占体积及质量比例处于最优范围以到达最佳吸能效果。
4、在制备金属空心球填充树脂复合材料结构层6前对金属空心球进行预处理可以保证金属空心球与环氧树脂胶体更好地结合，最终达到共同受力、吸能的目的。
5、采用金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6填充钢板内部，使得撞击能量通过环氧树脂基体及内部的大量金属空心球填充材料的共同变形所吸收，可保证吸收大量的撞击能量，并且安装简单，施工方便，易于更换，大幅度减少桥墩损伤。
6、所述防撞装置形成一个封闭的整体，共同变形受力，且环氧树脂及金属空心球均为很好的吸能材料，两者共同协作变形可提高吸能效果，最大限度的减少桥墩损失。
7、外层受力钢板层3作为与撞击车辆直接接触体，可首先吸收部分撞击能量，内层受力钢板层2可以吸收残余撞击能量，可对受撞击桥墩产生多重保护，保证桥墩表面不受损伤。
8、该桥墩防撞装置占据空间小，不会对正常行车及桥梁整体美观产生影响，并且受撞击后吸能效果显著，延长撞击时间，有效减小桥墩损伤，生产方便且易于安装及更换。
9、本实施方式采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面最大应变为91με，吸能效果明显，与没有施加任何防护装置的裸墩相比最大应变降低了68％；采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩顶端最大位移为2.98mm，与没有施加任何防护装置的裸墩相比最大位移降低了51％；采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击反面的加速度为285.3m/s2，与没有施加任何防护装置的裸墩相比加速度减小了46％。对桥墩受撞击表面进行观察，采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面完好无损，则可以说明金属空心球填充树脂基体复合材料的防护装置可以很好地吸收撞击能量，从而达到保护桥墩的作用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金属空心球的材质为铝材。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的金属空心球的直径为1cm～2cm，壁厚为30cm～50cm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的硅烷偶联剂为KH-550。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的环氧树脂为E‐44环氧树脂。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的固化剂为650#聚酰胺固化剂。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的消泡剂为二甲基硅油。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的内层受力钢板层2与桥墩1之间采用膨胀螺栓连接。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的内层受力钢板层2、外层受力钢板层3、上层钢板4及下层钢板5表面均设有防腐层。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置包括内层受力钢板层2、外层受力钢板层3、上层钢板4、下层钢板5及金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6；
沿桥墩1外圆周由内至外依次固定设置内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3；
所述的内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3上端固定设有上层钢板4；所述的内层受力钢板层2、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6和外层受力钢板层3下端固定设有下层钢板5；所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6的厚度为30cm；
所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6具体是按以下步骤制备的：首先将环氧树脂注入模具，再将模具置于温度为60℃的水浴中，然后向模具中添加若干预处理后的金属空心球、增塑剂和消泡剂，混合均匀，最后加入固化剂，搅拌均匀并浇注到聚乙烯塑料模具，脱模后，得到金属空心球填充树脂基体复合材料结构层6；所述的环氧树脂与若干预处理后的金属空心球的体积比为1:2；所述的环氧树脂与增塑剂的体积比为1:0.1；所述的环氧树脂与消泡剂的体积比为1:0.0015；所述的环氧树脂与固化剂的体积比为1:1；所述的若干预处理后的金属空心球的直径和壁厚相等；
所述的预处理后的金属空心球是按以下步骤制备的：首先将金属空心球置于温度为120℃的条件下，烘干2h，烘干后装入模具，将无水乙醇与去离子水混合，得到乙醇溶液，向乙醇溶液中加入硅烷偶联剂，得到混合溶液，将混合溶液倒入模具中，与金属空心球搅拌均匀，然后激振器处理60min，最后在温度为120℃的条件下，烘干4h，冷却至室温，得到预处理后的金属空心球；所述的无水乙醇与去离子水的质量比9:1；所述的硅烷偶联剂与金属空心球的质量比为2:100；所述的乙醇溶液与金属空心球的体积比为2:1；
所述的金属空心球的材质为铝材；
所述的金属空心球的直径为2cm，壁厚为0.03mm；
所述的硅烷偶联剂为KH-550；
所述的环氧树脂为E-44环氧树脂；
所述的固化剂为650#聚酰胺固化剂；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述的消泡剂为二甲基硅油；
所述的内层受力钢板层2与桥墩1之间采用膨胀螺栓连接；
所述的内层受力钢板层2、外层受力钢板层3、上层钢板4及下层钢板5表面均设有防腐层；
所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层在室温下进行养护，养护时间不应少于24h；
对本实施例设置防护装置后的桥墩经过撞击试验：
以汽车质量为5t、行驶速度为60km/h撞击墩高为13m、直径为1.5m的圆形桥墩为背景，采取室内试验缩尺比例为1:10模型进行撞击试验，分别对没有施加任何防护装置的裸墩及采用金属空心球填充树脂基体复合材料的防护装置的桥墩进行撞击试验，测得撞击后裸墩撞击表面最大应变为240με，采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面最大应变为91με，吸能效果明显，最大应变降低了68％；测得撞击后裸墩顶端最大位移为6.08mm，采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩顶端最大位移为2.98mm，最大位移降低了51％；测得撞击后裸墩撞击反面的加速度为528.5m/s2，采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击反面的加速度为285.3m/s2，加速度减小了46％。并对桥墩受撞击表面进行观察，裸墩表面有明显的混凝土局部撞击破损痕迹，而用采用金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置的桥墩撞击表面完好无损，则可以说明金属空心球填充树脂基体复合材料的防护装置可以很好地吸收撞击能量，从而达到保护桥墩的作用。

Claims (10)

1.一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置包括内层受力钢板层(2)、外层受力钢板层(3)、上层钢板(4)、下层钢板(5)及金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)；
沿桥墩(1)外圆周由内至外依次固定设置内层受力钢板层(2)、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)和外层受力钢板层(3)；
所述的内层受力钢板层(2)、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)和外层受力钢板层(3)上端固定设有上层钢板(4)；所述的内层受力钢板层(2)、金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)和外层受力钢板层(3)下端固定设有下层钢板(5)；所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)的厚度为30cm～50cm；
所述的金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)具体是按以下步骤制备的：首先将环氧树脂注入模具，再将模具置于温度为60℃～80℃的水浴中，然后向模具中添加若干预处理后的金属空心球、增塑剂和消泡剂，混合均匀，最后加入固化剂，搅拌均匀并浇注到聚乙烯塑料模具，脱模后，得到金属空心球填充树脂基体复合材料结构层(6)；所述的环氧树脂与若干预处理后的金属空心球的体积比为1:(2～3)；所述的环氧树脂与增塑剂的体积比为1:(0.1～0.15)；所述的环氧树脂与消泡剂的体积比为1:(0.0015～0.0025)；所述的环氧树脂与固化剂的体积比为1:1；所述的若干预处理后的金属空心球的直径和壁厚相等；
所述的预处理后的金属空心球是按以下步骤制备的：首先将金属空心球置于温度为120℃～150℃的条件下，烘干2h～3h，烘干后装入模具，将无水乙醇与去离子水混合，得到乙醇溶液，向乙醇溶液中加入硅烷偶联剂，得到混合溶液，将混合溶液倒入模具中，与金属空心球搅拌均匀，然后激振器处理60min～90min，最后在温度为120℃～150℃的条件下，烘干4h～5h，冷却至室温，得到预处理后的金属空心球；所述的无水乙醇与去离子水的质量比(9～10):1；所述的硅烷偶联剂与金属空心球的质量比为(2～5):100；所述的乙醇溶液与金属空心球的体积比为(2～3):1。
2.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的金属空心球的材质为铝材。
3.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的金属空心球的直径为1cm～2cm，壁厚为0.02mm～0.04mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的硅烷偶联剂为KH-550。
5.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的环氧树脂为E-44环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的固化剂为650#聚酰胺固化剂。
7.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。
8.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的消泡剂为二甲基硅油。
9.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的内层受力钢板层(2)与桥墩(1)之间采用膨胀螺栓连接。
10.根据权利要求1所述的一种金属空心球填充树脂基体复合材料的桥墩防撞装置，其特征在于所述的内层受力钢板层(2)、外层受力钢板层(3)、上层钢板(4)及下层钢板(5)表面均设有防腐层。
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