CN108842722A - 一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构，涉及桥墩保护装置。该装置包括桥附结构外壳、减震弹簧系统、调节系统和防撞护垫。桥附结构外壳为基于仿生原理而设计，在水流来临时可以有效地减小旋涡与下降流的形成，进而起到抵抗桥墩局部冲刷的效果。桥附结构外壳迎水面布置防撞护垫，与桥附结构外壳形成对桥墩的双重保护。调节系统用于连接桥附结构外壳和桥墩，使桥附结构外壳可以随水流自适应调整角度。整个弹簧减震系统可以连接桥墩与桥附结构外壳，多方向布置的弹簧系统可实现其减震效果。通过上述各部件间相互协作，桥附结构可以同时实现减震、抗冲和防撞的效果。

Description

一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构
技术领域
本发明涉及一种桥墩减灾装置，尤其是涉及一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构。
背景技术
近年来，随着工业、农业、国防和科学技术现代化的逐步实现，许多公路、铁路和桥梁在我国修建起来，其中越来越多的桥梁建设在水深流急，河段复杂且存在地震风险的地区。这些地区桥梁受到多重灾害共同作用而导致的事故众多，使国民经济遭受了重大损失，如何有效地对地震，冲刷以及撞击这三类主要威胁桥梁安全的灾害形式进行防护，已成为土木工程建设领域亟待解决的难点问题。然而目前国内外还停留在应对单一灾害防护的阶段，防护手段比较粗糙，无法高效而经济地实现全方位综合防护。为弥补现有方法的局限性，尤其对于重要工程，提出基于仿生原理而设计的多功能综合防护结构，而目前尚未发现有关该问题的报道。
发明内容
本发明专利的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于仿生原理，能够实现桥墩减震抗冲防撞的综合附属结构。
本发明专利的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构，该装置安装在桥墩(11)上，包括桥附结构外壳(1)、防撞护垫(4)、自我调节系统和减震弹簧系统(2)；
桥墩(11)呈竖向布置在桥附结构外壳(1)中；
采用仿生设计原理，所述桥附结构外壳(1)为头大尾小的流线型结构，该流线型结构以纵轴对称，且头部和尾部均为弧形，用于减少对水流的阻碍；
所述防撞护垫(4)布置在桥附结构外壳(1)头部的迎水面位置用于对桥墩(11)起到保护作用；
所述自我调节系统用于保证该结构随水流以桥墩(11)为中心旋转至适当的角度，包括三维限位滑轮(5)、销轴(3)和连接支架(6)；
所述的三维限位滑轮(5)固定在桥附结构外壳(1)的两侧，且三维限位滑轮(5)的滚轮与桥墩(11)滚动接触，用于保证结构的稳定性；
所述销轴(3)有前后两组，分别安装在桥墩(11)头尾两侧，所述两组销轴的连线(3)与桥附结构外壳(1)的纵向对称轴同轴；
每个销轴(3)对应一个连接支架(6)，连接支架(6)的一端通过销轴(3)以铰接的方式与桥墩(11)连接，另一端固定在与该销轴(3)相对的桥附结构外壳(1)的头部或者尾部；
所述的减震弹簧系统2布置于桥附结构外壳(1)的尾部区域，以桥附结构外壳(1)的纵向轴对称，沿着连接支架(6)的长度方向布置多组减震弹簧(10)，每个减震弹簧(10)的一端与连接支架(6)固定，另一端固定在桥附结构外壳(1)上，用于吸收桥墩(11)的振动能量以减少桥墩(11)因振动造成的损伤。
所述的桥附结构外壳(1)主体由轻型不锈钢制成，外层涂抹防水材料，并在外侧附着高弹性聚合材料(8)，增强其稳定性及耐久性。
本方案的有益效果为：
桥附结构外壳基于仿生原理而设计，在水流来临时可以有效地减小旋涡与下降流的形成，进而起到抵抗桥墩局部冲刷的效果。
桥附结构外壳主体由轻型不锈钢制成，外层涂抹防水材料，并在外侧附着高弹性聚合材料(如EPDM乙丙橡胶)，增强其稳定性及耐久性。
防撞护垫布置于桥附结构外壳迎水面位置，与桥附结构外壳形成对桥墩的双重保护。
弹簧减震系统可以连接桥墩与桥附结构外壳，多方向布置的弹簧系统可实现其减震效果。
通过上述各部件间相互协作，桥附结构可以同时实现减震、抗冲和防撞的效果。
通过基于仿生原理的设计方法，使得整个结构可根据来流情况和地震作用进行自适应性调整，从而高效而经济地实现对桥梁关键构件的保护作用。
附图说明
图1为模拟鲟鱼结构的示意图；
图2为实施例1中该装置的正视图；
图3为实施例1中该装置的俯视图；
图4为实施例1中该装置的剖视图；
图5为实施例1中该装置的细部详图。
附图标记：桥附结构外壳1、减震弹簧系统2、销轴3、防撞护垫4、三维侧限滑轮5、连接支架6、防水涂料7、高弹性聚合材料8、销轴滚珠9、减震弹簧10、桥墩11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明专利进行详细说明。
实施例1
一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构(简称“桥附结构”)，该装置包括桥附结构外壳1、减震弹簧系统2、销轴3、防撞护垫4、三维侧限滑轮5、连接支架6、防水涂料7、高弹性聚合材料8、滚珠9、减震弹簧10、桥墩11。
如图2至图4所示，桥附结构外壳1仿照鲟鱼的流线型外形，采用首大尾小的弧线结构，如同鲟鱼在水中游动时一样，流线型的外形使得水流经过桥墩11时所受到的阻碍大大降低，减缓了桥墩11周围马蹄形旋涡的形成，同时，尖弧形的迎水面设计也使得水流无法在此处撞击阻水物而产生下降水流，减少马蹄形漩涡与下降水流导致的桥墩11周围发生局部冲刷。桥附结构外壳1主体由轻型不锈钢制成，如图5所示，外层涂抹防水材料7，再在防水材料7外侧附着高弹性聚合材料8(如EPDM乙丙橡胶)，四周壁厚根据桥墩直径确定，一般根据情况选择为10～30cm，防水材料7厚度为壁厚的1/5～1/10，高弹性聚合材料采用2倍防水材料厚度。如图2、图3所示，在上游重物流经桥墩周围而与其发生撞击时，防撞护垫4布置于桥附结构外壳1迎水面位置，与桥附结构外壳1形成对桥墩11的双重保护，可以有效地保护桥墩。
如图3所示，使用时，所述的桥墩11位于桥附结构外壳1内，桥附结构外壳1两侧的侧壁通过三维限位滑轮5与桥墩11的侧壁连接，利用三维限位滑轮的滚珠9与桥墩11的侧壁滚动接触，使得桥附结构外壳1能绕着桥墩11摆动。
所述的连接支架6有两个，一个是V型连接支架，位于桥墩11和桥附结构外壳1头部之间，其两个端部固定在桥附结构外壳1的头部，其尖底部位通过销轴3以铰接的方式与桥墩11连接；另一个为直杆，位于桥墩11和桥附结构外壳1尾部之间，其一端固定在桥附结构外壳1的底部，其另一端部通过销轴3以铰接的方式与桥墩11铰接。
桥附结构外壳1可以通过销轴3和三维限位滑轮5绕桥墩11定轴转动，方便桥附结构外壳1根据水流情况自由摆动。
弹簧减震系统2由多组减震弹簧10构成，如图3所示，减震弹簧10的一端固定在为直杆的连接支架6上，另一端固定在桥附结构外壳1的侧壁上。
当强劲的水流来临时，桥附结构外壳1受到水流冲击，将根据其水流方向进行转动，最终将转向水流能量最小的角度从而达到自适应调整。地震或其他振动产生时，基础与桥墩的晃动通过销轴3和连接支架6压缩弹簧将能量传递给弹簧系统2，从而振动能量被弹簧系统2消散吸收，使其快速稳定在工作状态下，减小过大振幅产生的拉裂及破坏。上游重物流经桥墩周围而与其发生撞击时，防撞护垫可以有效地保护桥墩11。冲刷、地震和撞击三种灾害防控手段均基于这一桥梁附属结构而发挥作用，通过改变转动方向，调整弹簧系统2功能，改善防撞护垫布置，可以综合而有效地避免桥墩11主要灾害的发生，从而使其安全稳定地工作。

Claims (2)

1.一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构，其特征在于，该装置安装在桥墩(11)上，包括桥附结构外壳(1)、防撞护垫(4)、自我调节系统和减震弹簧系统(2)；
桥墩(11)呈竖向布置在桥附结构外壳(1)中；
采用仿生设计原理，所述桥附结构外壳(1)为头大尾小的流线型结构，该流线型结构以纵轴对称，且头部和尾部均为弧形，用于减少对水流的阻碍；
所述防撞护垫(4)布置在桥附结构外壳(1)头部的迎水面位置用于对桥墩(11)起到保护作用；
所述自我调节系统用于保证该结构随水流以桥墩(11)为中心旋转至适当的角度，包括三维限位滑轮(5)、销轴(3)和连接支架(6)；
所述的三维限位滑轮(5)固定在桥附结构外壳(1)的两侧，且三维限位滑轮(5)的滚轮与桥墩(11)滚动接触，用于保证结构的稳定性；
所述销轴(3)有前后两组，分别安装在桥墩(11)头尾两侧，所述两组销轴的连线(3)与桥附结构外壳(1)的纵向对称轴同轴；
每个销轴(3)对应一个连接支架(6)，连接支架(6)的一端通过销轴(3)以铰接的方式与桥墩(11)连接，另一端固定在与该销轴(3)相对的桥附结构外壳(1)的头部或者尾部；
所述的减震弹簧系统2布置于桥附结构外壳(1)的尾部区域，以桥附结构外壳(1)的纵向轴对称，沿着连接支架(6)的长度方向布置多组减震弹簧(10)，每个减震弹簧(10)的一端与连接支架(6)固定，另一端固定在桥附结构外壳(1)上，用于吸收桥墩(11)的振动能量以减少桥墩(11)因振动造成的损伤。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生设计原理的桥墩减震抗冲防撞综合附属结构，其特征在于，所述的桥附结构外壳(1)主体由轻型不锈钢制成，外层涂抹防水材料，并在外侧附着高弹性聚合材料(8)，增强其稳定性及耐久性。
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