CN109137832A - 桥墩防护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥墩防护装置，所述桥墩防护装置包括至少一个防撞结构以及用于连接相邻防撞结构或防撞结构与桥墩的连接结构；所述防撞结构包括外层迎撞结构、中间吸能支撑结构、内层防护结构；所述中间吸能支撑结构是由多层吸能单元按一定规律交叉排列形成的负泊松比结构，所述吸能单元为内凹六边形，包括一组相对设置的侧板和一组相对设置的内凹折板，所述侧板与内凹折板的夹角小于90°。本发明的防撞结构具有负泊松比特性，有效增加了消能时间和吸能材料变形程度，防撞装置对桥墩等水上建筑的保护作用大幅提高，结构稳定性也得以增强；吸能单元结构周期性排布，结构简洁，生产工艺简单，产品质量控制容易，不仅能够提高防撞效果，还节约了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及建筑防撞技术领域，具体涉及一种桥墩防护装置。
背景技术
桥墩被撞击而导致大桥受损事故时有发生，其经济损失巨大。因此桥墩的防撞装置的研究十分重要。现有的桥墩防撞装置种类繁多，有着多种多样的构造与材料形式。经过多年的研究运用，发展出包括由砂、石块等构砌而成的人工岛，采用橡胶等材料变形来消能的柔性防撞块，以及浮式或固定式防撞箱等，其基本原理是基于附属建筑阻隔、能量吸收、动量缓冲。
其中防撞箱结构具有成本适中、防护性高、制造及安装方便等诸多优点。是应用最为广泛的桥墩防撞装置。船舶撞击防撞箱时，箱体结构发生大的变形，一方面吸收了部分碰撞能量，另一方面延长了接触时间，使船舶撞击力的峰值得以降低。但是现有的防撞箱内部的吸能单元的截面一般采用正四边形、正六边形、正八边形或圆形等正泊松比结构，这种结构形式会导致当船艏等撞击防撞箱时，防撞箱结构在垂直于受力方向会发生膨胀，并且在撞击位置出现较大的应力集中现象，随着船舶继续向前侵入，箱体结构会迅速发生撕裂破坏，从而导致整个防撞结构迅速失效。从而导致撞击中结构有效消能时间远短于预期，对桥墩等建筑的防护作用有限，无法适应日益严苛的防撞保护需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的防撞结构极易出现撕裂失效的不足，提供一种桥墩防护装置，它在船舶等撞击过程中，大幅提升抗断裂性能，避免防撞装置过早破坏，从而充分利用防撞装置去吸收撞击能量，可大幅提升消能时间，有效保护桥墩。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种桥墩防护装置，所述桥墩防护装置包括至少一个防撞结构以及用于连接相邻防撞结构或者连接防撞结构与桥墩的连接结构；所述防撞结构包括外层迎撞结构、中间吸能支撑结构、内层防护结构；所述中间吸能支撑结构是由多层吸能单元按一定规律交叉排列形成的负泊松比结构，所述吸能单元为中空的框体结构，其横截面为内凹六边形，吸能单元由一组相对设置的侧板和一组相对设置的内凹折板拼接而成；所述防撞结构的顶面和底面安装有密封用的面板，使整个防撞结构形成密封箱体。
上述方案中，所述的一定规律是：所述吸能单元的内凹折板按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元的侧板重叠以实现紧密排列，相邻两层的吸能单元交错布置，即内层吸能单元的侧板对齐外层吸能单元的内凹折板的弯折点处，以实现相邻两层吸能单元的紧密排布；
所述外层迎撞结构由一层迎撞单元排列形成，所述迎撞单元的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝外，内凹折板朝内与所述吸能单元的内凹折板适配，所述迎撞单元的侧板对齐内层吸能单元的内凹折板的弯折点处；
所述内层防护结构由一层防护单元排列形成，所述防护单元的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝内，内凹折板朝外与所述吸能单元的内凹折板适配，所述迎撞单元的侧板对齐其外层吸能单元的内凹折板的弯折点处。
上述方案中，所述的一定规律是：所述吸能单元的侧板按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元间隔排布，第一层吸能单元与第三层吸能单元的侧板重叠，第二层吸能单元的两个侧板分别对齐第一层吸能单元和第三层吸能单元的内凹折板的弯折点处；
所述外层迎撞结构及内层防护结构均为钢板，分别与所述中间吸能支撑结构的外表面和内表面连接。
上述方案中，所述吸能单元的侧板和内凹折板的板面为平直板、曲面板或波纹板。
上述方案中，所述外层迎撞结构的刚度不小于所述中间吸能支撑结构的刚度，所述外层迎撞结构与中间吸能单元采用相同的材质，且外层迎撞结构的壁板厚度不小于中间吸能单元的壁板厚度；所述吸能单元的侧板厚度不小于内凹折板的厚度。
上述方案中，顺着来流方向，所述桥墩防护装置的横截面宽度在中部最宽，两头逐渐变窄，过渡段的中间吸能支撑结构采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡。
上述方案中，所述桥墩防护装置为环状结构，包括两个防撞结构和两个连接结构，两个防撞结构相对布置，两个防撞结构的两端分别通过一个连接结构相连，四者相连形成环状结构以便包围桥墩。
上述方案中，所述连接结构为钢板，钢板的两端在高度方向上设置至少一排螺栓孔，钢板的长度根据桥墩的尺寸确定；所述防撞结构的内层防护结构的内表面焊接有连接件，所述连接件同样为钢板，连接件的钢板上设有与连接结构的钢板适配的螺栓孔；连接结构的两端分别与两个防撞结构的连接件搭接，并通过螺栓锁紧，以实现两个防撞结构的连接。
上述方案中，所述桥墩防护装置为C形结构，包括一个C形的防撞结构，防撞结构的折角部位采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡；所述连接结构为化学螺栓；所述防撞结构上设有与所述化学螺栓匹配的沉孔螺栓孔，通过所述化学螺栓与桥墩固定连接。
上述方案中，所述防撞结构的内层防护结构表面固定安装有摩擦板，所述摩擦板的安装方式为焊接、铆接或螺栓紧固连接，摩擦板的材质采用橡胶或聚乙烯。
本发明的有益效果在于：
(1)防撞结构具有负泊松比特性，具有向撞击作用位置收缩聚集的特性，一方面该结构越压越密，撞击位置形成了局部强化的效果，降低该区域的应力集中程度，有效防止过早的撕裂失效；另一方面撞击位置周围其他区域的结构，也发生大幅度的跟随变形，从而充分利用了周围结构的变形进行吸能。由于有效增加了消能时间和吸能材料变形程度，防撞装置对桥墩等水上建筑的保护作用大幅提高，结构稳定性也得以增强。
(2)顺着来流方向，桥墩防护装置的横截面宽度在中间最宽，两头逐渐变窄，迎流面的面积最小，过渡部位的中间吸能支撑结构可以采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡。这样设计的好处：一方面，可以降低水流对桥墩防护装置的作用力，避免被水冲毁；另一方面，当船舶正面撞击迎撞面时需要将船速降为零，根据动量定理，这种情况下撞击力最大，而如果船舶从过渡段的斜面撞击，船可以向旁边弹开，船速沿来流方向可以不减到零，这样可以降低船舶对桥墩防护装置的撞击力。
(3)吸能单元结构周期性排布，结构简洁，生产工艺简单，产品质量控制容易。中间吸能支撑结构兼具支撑作用，有效降低材料用量和类别。该桥墩防护装置充分利用了材料、结构的吸能能力，经仿真分析发现，在相同材料用量下，防撞效果可提高30％左右。综合而言，可以有效降低制造成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明第一实施例的桥墩防护装置的俯视图；
图2是图1所示桥墩防护装置的防撞结构的俯视图；
图3-4是图2所示防撞结构的立体图；
图5是图2所示防撞结构的吸能单元的俯视图；
图6是图5所示吸能单元排列方式示意图；
图7是图2所示防撞结构受撞击作用变形示意图；
图8是本发明第二实施例的桥墩防护装置的俯视图；
图9是图8所示防撞结构受撞击作用变形示意图；
图10是本发明第二实施例的桥墩防护装置的安装示意图；
图11是图10所示防撞结构与桥墩的连接示意图。
图中：100、防撞结构；110、外层迎撞结构；111、迎撞单元；120、中间吸能支撑结构；121、吸能单元；122、侧板；123、内凹折板；130、内层防护结构；131、防护单元；140、连接件；150、沉孔螺栓孔；160、化学螺栓；200、连接结构；300、摩擦板；400、桥墩。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提出一种桥墩防护装置，包括至少一个防撞结构100、用于连接相邻防撞结构100或者防撞结构100与桥墩的连接结构200。防撞结构100包括外层迎撞结构110、中间吸能支撑结构120、内层防护结构130。中间吸能支撑结构120是由多层吸能单元121按一定规律交叉排列形成的负泊松比结构。吸能单元121为中空的框体结构，通过一组相对设置的侧板122和一组相对设置的内凹折板123拼接而成，其横截面为内凹六边形，侧板122与内凹折板123的夹角小于90°。位于最外层的吸能单元121与外层迎撞结构110连接，位于最内层的吸能单元121与内层防护结构130连接。防撞结构100的顶面和底面安装有密封用的面板，面板覆盖整个防撞结构100的顶面和底面使整个防撞结构100形成密封箱体，能够环绕桥墩而漂浮于水面。
如图1所示，为本发明第一实施例的桥墩防护装置，桥墩防护装置为环状结构，包括两个防撞结构100和两个连接结构200，两个防撞结构100相对布置，两个防撞结构100的两端分别通过一个连接结构200相连，四者相连形成环状结构以便包围桥墩。整个桥墩防护装置环绕桥墩而漂浮于水面。
如图2-6所示，第一实施例中，中间吸能支撑结构120的多层吸能单元121的排列规律是：吸能单元121的内凹折板123按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元121的侧板122重叠以实现紧密排列，相邻两层的吸能单元121交错布置，即内层吸能单元121的侧板122对齐外层吸能单元121的内凹折板123的弯折点处，以实现相邻两层吸能单元121的紧密排布。
外层迎撞结构110由一层迎撞单元111排列形成，迎撞单元111的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝外(为撞击面)，内凹折板朝内与吸能单元121的内凹折板123适配，迎撞单元111的侧板对齐其内层吸能单元121的内凹折板123的弯折点处。
内层防护结构130由一层防护单元131排列形成，防护单元131的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝内(与桥墩相对)，内凹折板朝外与吸能单元121的内凹折板123适配，迎撞单元111的侧板对齐其外层吸能单元121的内凹折板123的弯折点处。
如图5所示，吸能单元121尺寸变量包括侧板122长度a，板厚t1；内凹折板123长度b，板厚t2；以及侧板122与折板的夹角θ。不同的尺寸组合，对应了不同的泊松比值，根据不同船撞等级要求进行优化选择。本实施例中，夹角θ的最优参数约为58°。吸能单元121的侧板122厚度不小于内凹折板123的厚度，这样在受到撞击时，内凹折板123先发生收缩变形，能够更好地吸收动能。
如图1所示，桥墩防护装置的主尺寸由船撞等级确定，吸能单元121横向和纵向的排布数量则由单元尺寸和结构主尺寸共同确定。顺着来流方向，桥墩防护装置的横截面宽度在中间最宽，两头逐渐变窄，迎流面的面积最小，过渡部位的中间吸能支撑结构120可以采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡，具体的，本实施例将外层迎撞结构110设计为梯形。这样设计的好处：一方面，可以降低水流对桥墩防护装置的作用力，避免被水冲毁；另一方面，当船舶正面撞击迎撞面时需要将船速降为零，根据动量定理，这种情况下撞击力最大，而如果船舶从过渡段的斜面撞击，船可以向旁边弹开，船速沿来流方向可以不减到零，这样可以降低船舶对桥墩防护装置的撞击力。
如图1-4所示，连接结构200为钢板，钢板的两端在高度方向上设置一排及以上的螺栓孔，钢板的长度根据桥墩的尺寸确定。防撞结构100的内层防护结构130的内表面焊接有连接件140，连接件140同样为钢板，连接件140的钢板上设有与连接结构200的钢板适配的螺栓孔；连接结构200的两端分别与两个防撞结构100的连接件140搭接，并通过螺栓锁紧，以实现两个防撞结构100的连接。连接结构200的钢板采用的钢材等级、板厚均不低于内层防护结构中的壁板，以增强连接结构200的强度避免断裂。
吸能单元121的侧板122和内凹折板123的板面可以为平直板，也可以采用曲面板或者波纹板。其中，波纹板可以是波浪板、弯折板、方波形波纹板或梯形波纹板等结构形式。本实施例中，吸能单元121的侧板122采用平直板，内凹折板123通过两个等长的平直板焊接而成，或者由一块平直板通过在中点处弯折形成。吸能单元121的壁板厚度为3～10mm。吸能单元121、迎撞单元111、防护单元131采用金属材料或复合材料。
如图7所示，在受到船舶撞击等局部冲击载荷作用下，中间吸能支撑结构120在垂直于载荷作用方向上发生收缩聚集，形成了局部强化的效果，有效防止结构被撕裂破坏而失去防护效果。外层迎撞结构110受到撞击，中间吸能支撑结构120一方面需要能够支撑外层迎撞结构110，另一方面相对外层迎撞结构110将首先发生变形，因此迎撞板的刚度需大于背后支撑板，从而实现尽量大的墩防护装置被压缩，实现增加消能效果的作用。如迎撞板与支撑板采用同种材质，则迎撞板厚需大于支撑板板厚。
防撞结构100的防护单元131的直边板表面固定安装有摩擦板300，摩擦板300的安装方式为焊接、铆接或螺栓紧固连接，摩擦板300的材质采用橡胶或聚乙烯，摩擦板300位于内层防护结构130与桥墩400之间，能够对桥墩起到防护作用。
为提高桥墩防护装置的耐腐蚀性能，所述桥墩防护装置外涂刷防腐漆，或包覆外覆层，外覆层为FRP(纤维增强复合材料)材质，FRP材料外敷层厚度为3～10mm。
如图8-9所示，为本发明第二实施例的桥墩防护装置，桥墩防护装置为C形结构，包括一个C形的防撞结构100，防撞结构100的过渡段同样采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡。第二实施例中，中间吸能支撑结构120的多层吸能单元121的排列规律是：吸能单元121的侧板122按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元121间隔排布，第一层吸能单元121与第三层吸能单元121的侧板122重叠，第二层吸能单元121的两个侧板122分别对齐第一层吸能单元121和第三层吸能单元121的内凹折板123的弯折点处。外层迎撞结构110及内层防护结构130均为钢板，分别与中间吸能支撑结构120的外表面和内表面连接。
如图10-11所示，连接结构200为化学螺栓160，C形的防撞结构100环绕桥墩400并通过化学螺栓160与桥墩400连接。防撞结构100上设有与化学螺栓160匹配的沉孔螺栓孔150，通过化学螺栓160与桥墩400固定连接。一般而言，桥墩400均为水泥钢筋结构，在桥墩400上钻孔并清孔，置入药剂管，并将化学螺栓160旋入沉孔螺栓孔150，在化学螺栓160挤压的作用下，药剂管破裂，树脂、固化剂及其他颗粒混合，并填充经化学螺栓160与孔壁之间的空隙，待胶硬化后，防撞结构100即与桥墩400稳固连接。
与现有技术相比，本发明的桥墩防护装置具有如下有益效果：
(1)防撞结构100具有负泊松比特性，具有向撞击作用位置收缩聚集的特性，一方面该结构越压越密，撞击位置形成了局部强化的效果，降低该区域的应力集中程度，有效防止过早的撕裂失效；另一方面撞击位置周围其他区域的结构，也发生大幅度的跟随变形，从而充分利用了周围结构的变形进行吸能。由于有效增加了消能时间和吸能材料变形程度，防撞装置对桥墩等水上建筑的保护作用大幅提高，结构稳定性也得以增强。
(2)顺着来流方向，桥墩防护装置的横截面宽度在中间最宽，两头逐渐变窄，迎流面的面积最小，过渡部位的中间吸能支撑结构120可以采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡。这样设计的好处：一方面，可以降低水流对桥墩防护装置的作用力，避免被水冲毁；另一方面，当船舶正面撞击迎撞面时需要将船速降为零，根据动量定理，这种情况下撞击力最大，而如果船舶从过渡段的斜面撞击，船可以向旁边弹开，船速沿来流方向可以不减到零，这样可以降低船舶对桥墩防护装置的撞击力。
(3)吸能单元121结构周期性排布，结构简洁，生产工艺简单，产品质量控制容易。中间吸能支撑结构120兼具支撑作用，有效降低材料用量和类别。该桥墩防护装置充分利用了材料、结构的吸能能力，经仿真分析发现，在相同材料用量下，防撞效果可提高30％左右。综合而言，可以有效降低制造成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种桥墩防护装置，其特征在于，所述桥墩防护装置包括至少一个防撞结构以及用于连接相邻防撞结构或者连接防撞结构与桥墩的连接结构；所述防撞结构包括外层迎撞结构、中间吸能支撑结构、内层防护结构；所述中间吸能支撑结构是由多层吸能单元按一定规律交叉排列形成的负泊松比结构，所述吸能单元为中空的框体结构，其横截面为内凹六边形，吸能单元由一组相对设置的侧板和一组相对设置的内凹折板拼接而成；所述防撞结构的顶面和底面安装有密封用的面板，使整个防撞结构形成密封箱体。
2.根据权利要求1所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述的一定规律是：所述吸能单元的内凹折板按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元的侧板重叠以实现紧密排列，相邻两层的吸能单元交错布置，即内层吸能单元的侧板对齐外层吸能单元的内凹折板的弯折点处，以实现相邻两层吸能单元的紧密排布；
所述外层迎撞结构由一层迎撞单元排列形成，所述迎撞单元的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝外，内凹折板朝内与所述吸能单元的内凹折板适配，所述迎撞单元的侧板对齐内层吸能单元的内凹折板的弯折点处；
所述内层防护结构由一层防护单元排列形成，所述防护单元的一组对边为侧板，另一组对边分别为直边板和内凹折板，其中直边板朝内，内凹折板朝外与所述吸能单元的内凹折板适配，所述迎撞单元的侧板对齐其外层吸能单元的内凹折板的弯折点处。
3.根据权利要求1所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述的一定规律是：所述吸能单元的侧板按照内外方向布置，位于同一层的吸能单元间隔排布，第一层吸能单元与第三层吸能单元的侧板重叠，第二层吸能单元的两个侧板分别对齐第一层吸能单元和第三层吸能单元的内凹折板的弯折点处；
所述外层迎撞结构及内层防护结构均为钢板，分别与所述中间吸能支撑结构的外表面和内表面连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述吸能单元的侧板和内凹折板的板面为平直板、曲面板或波纹板。
5.根据权利要求1-3任一项所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述外层迎撞结构的刚度不小于所述中间吸能支撑结构的刚度，所述外层迎撞结构与中间吸能单元采用相同的材质，且外层迎撞结构的壁板厚度不小于中间吸能单元的壁板厚度；所述吸能单元的侧板厚度不小于内凹折板的厚度。
6.根据权利要求1-3任一项所述的桥墩防护装置，其特征在于，顺着来流方向，所述桥墩防护装置的横截面宽度在中部最宽，两头逐渐变窄，过渡段的中间吸能支撑结构采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡。
7.根据权利要求1所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述桥墩防护装置为环状结构，包括两个防撞结构和两个连接结构，两个防撞结构相对布置，两个防撞结构的两端分别通过一个连接结构相连，四者相连形成环状结构以便包围桥墩。
8.根据权利要求7所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述连接结构为钢板，钢板的两端在高度方向上设置至少一排螺栓孔，钢板的长度根据桥墩的尺寸确定；所述防撞结构的内层防护结构的内表面焊接有连接件，所述连接件同样为钢板，连接件的钢板上设有与连接结构的钢板适配的螺栓孔；连接结构的两端分别与两个防撞结构的连接件搭接，并通过螺栓锁紧，以实现两个防撞结构的连接。
9.根据权利要求1所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述桥墩防护装置为C形结构，包括一个C形的防撞结构，防撞结构的折角部位采用不完整的内凹六边形吸能单元进行过渡；所述连接结构为化学螺栓；所述防撞结构上设有与所述化学螺栓匹配的沉孔螺栓孔，通过所述化学螺栓与桥墩固定连接。
10.根据权利要求7-9任一项所述的桥墩防护装置，其特征在于，所述防撞结构的内层防护结构表面固定安装有摩擦板，所述摩擦板的安装方式为焊接、铆接或螺栓紧固连接，摩擦板的材质采用橡胶或聚乙烯。
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