CN108442282B - 一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构 - Google Patents
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Abstract
一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，属于轨道交通安全防护领域，它包括一个主吸能墩和四个副吸能墩，所述主吸能墩和副吸能墩均由内充闭孔泡沫铝的方形空心薄壁铝合金构成。所述副吸能墩的其中两个吸能墩设置在主吸能墩的底部，且分别分布在主吸能墩的两侧，三个吸能墩的底部平齐，且与地面接触；另外两个副吸能墩设置在主吸能墩的斜上方，其侧壁一半与主吸能墩连接。主吸能墩与四个副吸能墩的连接方式均为焊接。本发明设置在站房柱、桥墩等结构柱的侧壁上，当结构柱受到脱轨列车或船舶等的撞击时，本发明先受到撞击，通过闭孔泡沫铝及外部的铝合金变形吸收部分撞击能量，有效降低了结构柱受到撞击所承受的能量，保护列车及船舶内部人员的安全。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通安全防护领域，特别涉及一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构。
背景技术
如今，我国的交通发展已与以往大不相同，各种车辆、船舶日益增加，速度也大幅提升，随之带来的碰撞事故也日益增加，尤其是工程结构遭受意外撞击而发生破坏的案例已引起广泛关注，例如超高车辆撞击桥梁上部结构、船舶撞击桥墩、脱轨列车撞击轨道两侧建筑物等，这些已严重威胁到人类安全。典型事例如2007年6月15日，装载河砂的“南桂机035”船的船头与九江大桥23号桥墩发生触碰，导致九江大桥23号、24号、25号三个桥墩倒塌，并引发所承载桥面坍塌，使得正在桥上行驶的四辆汽车落入江中损毁，造成了很大的的经济损失。以及2016年9月29日，美国新泽西州发生的脱轨列车撞击站房结构事件，造成一人死亡，100多人受伤。
目前，钢筋混凝土柱作为建筑物的主要承重构件而被广泛应用，但是由于其抗撞击性能不佳，一旦发生上述撞击问题，将会造成巨大的安全隐患。即便现在一些新型的复合柱被应用到结构柱中，但是撞击过程中会产生较大能量，因此，在已有结构难以满足吸收全部碰撞能量的要求的情况下，需对传统的结构柱进行相应的加固，或设计一些特殊的结构作为能量吸收装置，来提高结构柱的抗冲击性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，该内充吸能材料的实心多胞吸能结构由一个主吸能墩和四个副吸能墩组成，四个副吸能墩分别设置在主吸能墩的四个方位，当受到列车、船舶等的撞击时，五个吸能墩共同作用通过压缩变形吸收能量，可有效降低结构柱的破坏，从而对结构柱起一定的保护作用，同时可有效保护结构柱附近人员的生命安全，因此具有很好的可行性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，设置在结构柱的侧面，其特征在于：它由一个主吸能墩和四个副吸能墩构成，所述主吸能墩两侧各焊接两个副吸能墩；有两个副吸能墩位于主吸能墩两侧且与主吸能墩底端对齐并置于地面，另两个副吸能墩位于主吸能墩两侧上部且副吸能墩高出主吸能墩1/2副吸能墩高度，所述主吸能墩与副吸能墩均由闭孔泡沫铝和铝合金管组成，铝合金管的管腔内填充有闭孔泡沫铝。
所述的主吸能墩与副吸能墩所构成的吸能结构的最大宽度与结构柱的侧面宽度相等。
所述主吸能墩的截面面积是副吸能墩截面面积的4倍。
所述的铝合金管的截面呈正方形，铝合金管的厚度h为0.3～0.8m，铝合金管的管壁厚t为10～30mm。
所述的铝合金管选用6008系铝合金。
本发明中闭孔泡沫铝和6008系铝合金管的吸能效率都很高。
本发明设置在可能受到列车、船舶、车辆撞击的站房柱或桥墩等结构柱的侧壁，在受到列车、船舶等的撞击时可通过变形有效吸收能量，从而对结构柱起一定的保护作用，同时可对结构柱附近的人员起保护作用。此外，本发明可以很方便地安装在既有和新建的桥墩上，施工也相对简单，因此具有很好的实用性和可行性。
附图说明
图1是本发明一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构示意图。
附图标记说明：1—主吸能墩；2—副吸能墩；3—闭孔泡沫铝；4—铝合金管。
具体实施方式
结合附图对本发明实施进行详细说明。
首先应需注意的是，附图所展示的内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其具有代表性，旨在能简洁、清楚、明了的说明本发明，故附图不能够作为对本发明的限制。
图1所示，一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，由一个主吸能墩1和四个副吸能墩2组成。
四个副吸能墩的其中两个设置在主吸能墩1的底部，且分别分布在主吸能墩1的左右两侧；另外两个副吸能墩分别分布在主吸能墩1的斜上方，且这两个副吸能墩的顶面高度比主吸能墩1的顶面高度高出副吸能墩高度的一半。
所述的主吸能墩1与副吸能墩2之间连接方式为焊接，所述的主吸能墩1与副吸能墩2所构成的吸能结构的最大宽度与结构柱的宽度相等；所述的副吸能墩2的截面宽度为主吸能墩1的截面宽度的一半。
铝合金管4采用6008系空心薄壁铝合金方管，铝合金管4的厚度h为0.3～0.8m，铝合金管4的壁厚t为10～30mm。铝合金管4内部填充具有很好的吸能效率的闭孔泡沫铝。闭孔泡沫铝具有密度小、吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、易加工、易安装等优点，同时兼有金属和气泡的特征。泡沫铝的这些优异性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景，是很有开发前途的工程材料，特别是在交通运输工业，航天事业和建筑结构工业等方面。
上述内充吸能材料的实心多胞吸能结构设置在可能受到车辆、脱轨高铁列车、船舶等撞击的结构柱的侧壁。当结构柱受到撞击时，设置在其外部的吸能结构可优先受到撞击，通过被压缩变形吸收部分撞击能量，从而有效减轻传播到结构柱的能量，以起到保护结构柱的作用，同时也对结构柱附近人员的生命安全起一定的保护作用，因此本发明具有很好的实用性和可行性。
根据本发明的一个实施例，内充吸能材料的实心多胞吸能结构主要由内充闭孔泡沫铝3和铝合金管4共同吸能。总吸能为：
Wtotal=（W1+W2）
式中，W 1为内充闭孔泡沫铝材料3所吸收能量；W 2为铝合金管4所吸收能量。
其中内充闭孔泡沫铝材料3所吸收的能量为：
式中，
为闭孔泡沫铝的应力，
而闭孔泡沫铝材料耗能能力主要取决于泡沫铝的表观密度，其屈服强度公式可参考Gibson和Ashby所提出的公式，即：
式中， 
为闭孔泡沫铝的表观密度，
致密化起始点 
是描述泡沫金属压缩性能的一个重要参数，也是计算吸能能力的一个重要判据。由经验公式可得：
闭孔泡沫铝材料吸能计算公式：
而空心薄壁铝合金管4所吸收能量为：
式中，Fm为方形空心薄壁铝合金的平均压缩力，
其中方形空心薄壁铝合金的平均压缩力为：
式中，t为薄壁铝合金管壁的厚度，
b为薄壁铝合金的宽度。
式中，
为薄壁铝合金的屈服应力，
因此，一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构的总吸能为：
为使其吸能发挥最大效果，通过同时提升闭孔泡沫铝材料3的表观密度
、增大方形空心薄壁铝合金管4的管壁的厚度t和宽度b最为有效。
综上所述，尽管已经对本发明的实施例进行描述，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的相关技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，设置在结构柱的侧面，其特征在于：它由一个主吸能墩（1）和四个副吸能墩（2）构成，所述主吸能墩（1）两侧各焊接两个副吸能墩（2）；有两个副吸能墩（2）位于主吸能墩（1）两侧且与主吸能墩（1）底端对齐并置于地面，另两个副吸能墩（2）位于主吸能墩（1）两侧上部且副吸能墩（2）高出主吸能墩（1）1/2副吸能墩高度，所述主吸能墩（1）与副吸能墩（2）均由闭孔泡沫铝（3）和铝合金管（4）组成，铝合金管（4）的管腔内填充有闭孔泡沫铝（3）。
2.根据权利要求书1所述的一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其特征在于：所述的主吸能墩（1）与副吸能墩（2）所构成的吸能结构的最大宽度与结构柱的侧面宽度相等。
3.根据权利要求书1所述的一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其特征在于：所述主吸能墩（1）的截面面积是副吸能墩（2）截面面积的4倍。
4.根据权利要求书1所述的一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其特征在于：所述的铝合金管（4）的截面为正方形，铝合金管（4）的厚度h为0.3～0.8m，铝合金管（4）的管壁厚t为10～30mm。
5.根据权利要求书1或4所述的一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其特征在于：所述的铝合金管（4）选用6008系铝合金。
6.根据权利要求书1所述的一种内充吸能材料的实心多胞吸能结构，其特征在于：它的总吸能量
Wtotal=1.4（W1+W2）
式中，
为闭孔泡沫铝的表观密度，
t为薄壁铝合金管壁的厚度。
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