CN108547214B - 一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，从上到下依次包括：橡胶密封层、砂土覆盖水层、饱和砂土层、基础层，在河底固定所述基础层，与防撞设施上部采用扣锁式连接，所述基础层上部布置饱和砂土层并设置滤孔，并与设置在所述砂土覆盖水层的滤孔连接，所述砂土覆盖水层上布置所述橡胶密封层。防撞设施通过液化砂土耗能，避免船撞对于桥梁的危害，同时减少撞击船只振动响应，降低船体损伤。

Description

一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施

技术领域：

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及了基于砂土液化阻尼预制部件装配防撞墩新型结构。

背景技术

船撞桥事故不仅涉及到船舶通行的安全，也严重影响桥梁及安全运营。防撞结构是桥墩和船舶直接作用的部分，其作用在于保护桥墩，研究表明它应满足以下几点要求：1)设计成合理大小、形状，不妨碍通航要求；2)适应水位不同季节变化要求；3)消耗能量效果显著，保护桥梁同时降低船体损伤；4)撞后恢复方便，能够多次使用；5)防撞层与桥墩连接良好，避免大面积刚性接触；6)安装运输方便，价格合理。当前的防撞墩按照结构形式有：重力式、集群桩、防撞墩，薄壳筑砂围堰等类型防撞设施；按照材料类型有：气囊(CN201510095964.3)、橡胶(CN201620289316.1)、磁铁(CN201620457618.5)等类型。基于调谐液体阻尼器(TLD)原理的饱水海绵阻尼器利用孔隙流体流动原理，消耗建筑物振动能量。这种孔隙介质阻尼器不需要调谐频率，已应用于建筑物环境减振。但到目前为止还未见类似的液体阻尼器应用于桥梁防撞减震。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足及未涉及之处，提出了通过液化砂土耗能，避免船撞对于桥梁的危害；同时减少撞击船只振动响应，降低船体损伤；外壳及其内在填充的饱和砂土共同作用，提高了该阻尼器的抗撞击能力，从而实现桥梁、防撞设施和船只的三不坏。相对于传统的桥梁柔性防撞设施造价高昂、结构复杂和施工难度大的缺点，基于砂土液化阻尼的内河航道桥梁柔性防撞设施将在保证三不坏的基础上，在经济性、结构简化和施工难度降低方面具有优势。具体技术方案如下：

一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，从上到下依次包括：橡胶密封层、砂土覆盖水层、饱和砂土层、基础层，在河底固定所述基础层，与防撞设施上部采用扣锁式连接，所述基础层上部布置饱和砂土层并设置滤孔，并与设置在所述砂土覆盖水层的滤孔连接，所述砂土覆盖水层上布置所述橡胶密封层；还包括外壳，所述橡胶密封层、砂土覆盖水层、饱和砂土层包裹在所述外壳内。

进一步地，所述橡胶密封层上缘设置可开合的顶盖，所述橡胶密封层下缘通过所述外壳内壁设置卡槽来控制位置。

进一步地，所述橡胶密封层，在汛期该层高出水面；和/或，所述砂土覆盖水层，为无压水，该部分作为砂土液化后的流动空间；和/或，所述饱和砂土层通过滤孔与外界交换水，确保在低水位期间，有足够砂土为饱和砂土，即：饱和砂土液化所产生的能耗，与船撞所产生的能量相当，当洪水水位时所有砂土为饱和砂土；和/或，所述基础层为永久结构。

进一步地，所述外壳与所述顶盖之间的水密通过在密封槽内安装O形圈实现，所述O形圈在水下受压时形成弹性变形，填充所述外壳和顶盖之间的缝隙；和/或，所述防撞设施还具有传感器，所述外壳上具有安装螺纹，所述传感器与所述外壳通过螺纹固定。

进一步地，所述外壳采用金属材料，优选的，所述金属材料为铝合金，也可采用钢管、钢筒等形式。

进一步地，所述饱和砂土层采用优化级配和抗腐蚀处理：

式中P为粒径为d的颗粒的通过质量百分率，dmax为最大粒径，μ为颗粒外形系数，对于圆形颗粒，μ取1，对于三角形颗粒，μ取1.5，n为为级配指数，取n＝0.7～0.8以实现易于液化的目的。

进一步地，对砂土表面进行环氧喷涂预处理，以延缓水蚀。

进一步地，根据河道通航等级，分为三种情况：

(1)当通航等级为≤100t时，采用独立桩式设计，在桥墩的四周各设立一个预制部件装配式防撞设施。

(2)当100t＜通航等级≤500t时，采用在桥墩上下游处各设立一个半环式预制部件装配式防撞设施。

(3)当通航等级＞500t时，采用在桥墩处设立环式预制部件装配式防撞设施，绕整个桥墩一圈。

进一步地，所述立环式预制部件装配式防撞设施为所述基础层上部采用双层圆环结构设置，套设在桥墩上，所述双层圆环中部采用钢丝绳圈进行填充；和/或，所述立环式预制部件装配式防撞设施为八部分可拆卸式装配设施，各个拆分部分之间采用铁索进行连接。

一种上述基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施的使用方法，包括：当船撞击导致外壳变形较小时，通过打开所述橡胶密封层上缘设置的可开合的顶盖，取出橡胶块，重新换填饱和砂土，盖上顶盖；当外壳变形较大时，打开所述基础层与防撞设施上部采用扣锁式连接，实现整套装置的替换。

本发明的技术效果：防撞设施通过液化砂土耗能，避免船撞对于桥梁的危害，同时减少撞击船只振动响应，降低船体损伤；防撞设施中外壳及其内在填充的饱和砂土可以提高该防撞设施的抗撞击能力，从而实现桥梁、防撞设施和船只的三不坏。预制部件装配式防撞设施采用四层设计，当船撞击后，外壳变形较小时，可以通过打开橡胶块盖板，取出橡胶块，重新换填饱和砂土，盖上橡胶块盖板；当外壳变形较大时，打开上部柔性防撞设施和扩大基础的连接，实现整套装置的替换，使防撞设施在经济性、结构简化和施工难度降低方面具有优势；饱和砂土层采用优化级配和抗腐蚀处理，达到耐久的目的。

砂土液化阻尼器改进了饱水海绵阻尼器利用不排水饱和砂土振动液化原理，通过液化砂土耗能，降低船撞对于桥梁的危害。当船体撞上橡胶层时，砂土内孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体发生液化。通过液化砂土耗能、降低船舶与防撞墩撞击响应。与此同时通过砂土液化降低防撞墩刚度，进一步减少撞击造成的损伤。砂土液化阻尼器减震装置不但构造简单，使用方便，各构件采用预制装配，日常维护更换方便，是较为经济科学的桥梁柔性防撞设施。

附图说明

图1为通航等级为≤100t时的预制部件装配式防撞设施立体示意图。

图2为100t＜通航等级≤500t时的预制部件装配式防撞设施立体示意图。

图3为100t＜通航等级≤500t时的预制部件装配式防撞设施俯视图。

图4为通航等级＞500t时的预制部件装配式防撞设施立体示意图。

图5为通航等级＞500t时的预制部件装配式防撞设施内部构造示意图。

图6为通航等级＞500t时的预制部件装配式防撞设施俯视图。

图7为通航等级＞500t时的预制部件装配式防撞设施拆分部分三维示意图

图8为通航等级＞500t时的预制部件装配式防撞设施拆分部分正视图

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1设计橡胶密封层、2砂土覆盖水层、3饱和砂土层、4基础层、5滤孔、6、钢丝绳圈、7、拆分部分连接铁索。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例附图对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员可以明确的是，在缺少部分或全部这些具体细节的情况下也可以实现本发明。在其他情况下，为了不会使本发明存在不必要的不清楚之处，没有具体描述公知的处理步骤和/或结构。另外，尽管结合特定的实施例对本发明进行描述，但是应该理解的是，该描述并不旨在将发明限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等同方案。

一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，从上到下依次包括：橡胶密封层1、砂土覆盖水层2、饱和砂土层3、基础层4，在河底固定所述基础层4，与防撞设施上部采用扣锁式连接，所述基础层4上部布置饱和砂土层3并设置滤孔5，并与设置在所述砂土覆盖水层2的滤孔5连接，所述砂土覆盖水层2上布置所述橡胶密封层1；还包括外壳，所述橡胶密封层1、砂土覆盖水层2、饱和砂土层3包裹在所述外壳内；所述橡胶密封层1上缘设置可开合的顶盖，所述橡胶密封层1下缘通过所述外壳内壁设置卡槽来控制位置；所述橡胶密封层1，在汛期该层高出水面；所述砂土覆盖水层2，为无压水，该部分作为砂土液化后的流动空间；所述饱和砂土层3通过滤孔5与外界交换水，确保在低水位期间，有足够砂土为饱和砂土，即：饱和砂土液化所产生的能耗，与船撞所产生的能量相当，当洪水水位时所有砂土为饱和砂土；所述基础层4为永久结构。

所述外壳与所述顶盖之间的水密通过在密封槽内安装O形圈实现，所述O形圈在水下受压时形成弹性变形，填充所述外壳和顶盖之间的缝隙；所述外壳采用金属材料，优选的，所述金属材料为铝合金，或可采用钢管、钢筒等形式。所述防撞设施还具有传感器，所述外壳上具有安装螺纹，所述传感器与所述外壳通过螺纹固定。

所述饱和砂土层采用优化级配和抗腐蚀处理：

式中P为粒径为d的颗粒的通过质量百分率，dmax为最大粒径，μ为颗粒外形系数，对于圆形颗粒，μ取1，对于三角形颗粒，μ取1.5，n为为级配指数，取n＝0.7～0.8以实现易于液化的目的。对砂土表面进行环氧喷涂预处理，以延缓水蚀。

根据河道通航等级，分为三种情况：

实施例1

当通航等级为≤100t时，预制装配式部件防撞设施结构如图1所示，包括设计橡胶密封层1、砂土覆盖水层2、饱和砂土层3、基础层4、滤孔5。首先在河底固定基础层4，与上部防撞设施采用扣锁式连接，在基础层上部布置饱和砂土层3并设置滤孔5，连接砂土覆盖水层，其上布置橡胶密封层，并在其上缘设置可开合的钢盖板，在橡胶下缘钢管内壁设置卡槽控制橡胶位置。

实施例2

当100t＜通航等级≤500t时，预制装配式部件防撞设施结构如图2所示，包括设计橡胶密封层1、砂土覆盖水层2、饱和砂土层3、基础层4、滤孔5。首先在河底固定基础层4，与上部防撞设施采用扣锁式连接，在基础层上部布置饱和砂土层3并设置滤孔5，连接砂土覆盖水层，其上布置橡胶密封层，并在其上缘设置可开合的钢盖板，在橡胶下缘钢管内壁设置卡槽控制橡胶位置。

实施例3

当通航等级＞500t时，预制装配式部件防撞设施结构如图4所示，包括设计橡胶密封层1、砂土覆盖水层2、饱和砂土层3、基础层4、滤孔5。首先在河底固定基础层4，与上部防撞设施采用扣锁式连接，基础层上部采用双层圆环设置套设在桥墩上，所述双层圆环中部采用钢丝绳圈6进行填充；圆环设施为在基础层上部布置饱和砂土层3并设置滤孔5，连接砂土覆盖水层，其上布置橡胶密封层1，并在其上缘设置可开合的钢盖板，在橡胶下缘外壳内壁设置卡槽控制橡胶位置；该设施分为八部分可拆卸式装配设施，每部分设施如图7，各个拆分部分之间采用铁索7进行连接。采用双层圆环的结构形式，相当于在桥墩上套设了两层防撞设施，两层之间还填充了钢丝绳圈6，钢丝绳圈可以与双层防撞设施结合进一步起到缓冲的作用，而双层结构可以起到逐级防撞的作用，可以在外层防撞设施发生砂土液化时，内层仍然保持饱和状态，不发生液化，或者，外层发生外壳严重变形的情况，而内层仅发生砂土液化而不发生外壳严重变形的情况，从而提高保护效果，并减少在发生碰撞情况后，更换砂土或整个部件的成本。

上述基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施的使用方法，包括：当船撞击导致外壳变形较小时，通过打开所述橡胶密封层1上缘设置的可开合的顶盖，取出橡胶块，重新换填饱和砂土，盖上顶盖；当外壳变形较大时，打开所述基础层4与防撞设施上部采用扣锁式连接，实现整套装置的替换。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，从上到下依次包括：橡胶密封层(1)、砂土覆盖水层(2)、饱和砂土层(3)、基础层(4)，在河底固定所述基础层(4)，与防撞设施上部采用扣锁式连接，所述基础层(4)上部布置饱和砂土层(3)并设置滤孔(5)，并与设置在所述砂土覆盖水层(2)的滤孔(5)连接，所述砂土覆盖水层(2)上布置所述橡胶密封层(1)；还包括外壳，所述橡胶密封层(1)、砂土覆盖水层(2)、饱和砂土层(3)包裹在所述外壳内。

2.如权利要求1所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述橡胶密封层(1)上缘设置可开合的顶盖，所述橡胶密封层(1)下缘通过所述外壳内壁设置卡槽来控制位置。

3.如权利要求1所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述橡胶密封层(1)，在汛期该层高出水面；和/或，所述砂土覆盖水层(2)，为无压水，该部分作为砂土液化后的流动空间；和/或，所述饱和砂土层(3)通过滤孔(5)与外界交换水，确保在低水位期间，有足够砂土为饱和砂土，即：饱和砂土液化所产生的能耗，与船撞所产生的能量相当，当洪水水位时所有砂土为饱和砂土；和/或，所述基础层(4)为永久结构。

4.如权利要求2所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述外壳与所述顶盖之间的水密通过在密封槽内安装O形圈实现，所述O形圈在水下受压时形成弹性变形，填充所述外壳和顶盖之间的缝隙；和/或，所述防撞设施还具有传感器，所述外壳上具有安装螺纹，所述传感器与所述外壳通过螺纹固定。

5.如权利要求1所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述外壳采用金属材料。

6.如权利要求5所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述金属材料为铝合金。

7.如权利要求1所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述饱和砂土层采用优化级配和抗腐蚀处理：

式中P为粒径为d的颗粒的通过质量百分率，dmax为最大粒径，μ为颗粒外形系数，对于圆形颗粒，μ取1，对于三角形颗粒，μ取1.5，n为级配指数，取n＝0.7～0.8以实现易于液化的目的。

8.如权利要求1或7所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，对砂土表面进行环氧喷涂预处理，以延缓水蚀。

9.如权利要求1所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，根据河道通航等级，分为三种情况：

(1)当通航等级为≤100t时，采用独立桩式设计，在桥墩的四周各设立一个预制部件装配式防撞设施；

(2)当100t＜通航等级≤500t时，采用在桥墩上下游处各设立一个半环式预制部件装配式防撞设施；

(3)当通航等级＞500t时，采用在桥墩处设立环式预制部件装配式防撞设施，绕整个桥墩一圈。

10.如权利要求9所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施，其特征在于，所述立环式预制部件装配式防撞设施为所述基础层(4)上部采用双层圆环结构设置，套设在桥墩上，所述双层圆环中部采用钢丝绳圈进行填充；和/或，所述立环式预制部件装配式防撞设施为八部分可拆卸式装配设施，各个拆分部分之间采用铁索进行连接。

11.一种如权利要求1-10任一所述的基于砂土液化阻尼的预制部件装配式桥梁防撞设施的使用方法，包括：当船撞击导致外壳变形较小时，通过打开所述橡胶密封层(1)上缘设置的可开合的顶盖，取出橡胶块，重新换填饱和砂土，盖上顶盖；当外壳变形较大时，打开所述基础层(4)与防撞设施上部采用扣锁式连接，实现整套装置的替换。