CN110374032B - 一种易恢复型防车撞装置及防车撞桥梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易恢复型防车撞装置，包括相互独立的UHPC外面板和UHPC内面板，所述UHPC外面板和UHPC内面板的相邻端部通过柔性连接件连接，所述UHPC外面板和UHPC内面板形成的夹层结构中填充有吸能组件。本发明还提供一种防车撞桥梁，所述防车撞桥梁的桥墩处安装有上述的易恢复型防车撞装置，所述防车撞装置可活动设于地面上。本发明中，UHPC外面板和UHPC内面板没有封闭连接，相互独立，整个面板结构属于开口形式，二者受力变形时不会相互影响，实现了UHPC板的可重复利用，耐久性好，后期维修更换成本低。
Description
技术领域
本发明属于桥梁附属设备领域，尤其涉及一种桥梁的防车撞装置及防车撞桥梁。
背景技术
在设计跨线桥梁时，必须考虑车撞问题。车撞桥梁后可能导致桥梁结构发生破坏甚至倒塌，造成巨大的经济损失、人员伤亡以及非常负面的社会影响。据统计，1951年至2000年美国桥梁事故中，碰撞是桥梁失效的三大原因之一。近年来国内也接连发生多起车辆撞击桥梁的事故。众多的车撞桥梁事故说明，在全世界范围内，桥梁防车撞能力的提升是一个亟待解决的问题。
目前，提升桥梁防车撞能力的研究一般从以下两个方面入手：(1)从外部防护方面，可为桥墩设置防撞护栏、增加附加防撞装置等，设置防撞护栏在条件允许的情况下一般都是必要的。(2)从加强桥墩自身结构抗冲击性能的思路来进行研究。例如，有学者提出利用钢/玻璃钢(纤维增强塑料)护套加强易受冲击作用影响的桥墩以及FRP护套方案等。
在实际桥梁事故中发现，虽已设置了防撞护栏，桥墩依旧被卡车撞断，说明目前大多数防撞护栏的防撞性能设计达不到保护桥梁的能力要求。增加附加防撞装置的方法有很多，这些装置一般都是由复合材料构成(泡沫铝、纤维材料等)，目前在应用上尚不成熟，存在占空间大、经济性低、耐久性差等不足。而利用护套加强桥墩抗冲击性能的方法，也因护套材料的缺陷性而限制了其在工程实践中的应用。此外，研究发现，防撞护栏或防撞装置一经撞击便不能再继续使用，成本高昂。
因此，提出一种新型的可重复利用的防车撞装置是一个新的突破口。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种构造简单、耐久性能好、可重复利用的易恢复型防车撞装置及防车撞桥梁。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种易恢复型防车撞装置，包括相互独立的UHPC外面板和UHPC内面板，所述UHPC外面板和UHPC内面板的相邻端部通过柔性连接件连接(即相当于内外面板的端部为开口形式，且UHPC外面板和UHPC内面板为未闭合结构)，所述UHPC外面板和UHPC内面板形成的夹层结构中填充有吸能组件。本发明中，柔性连接件为受力易损坏的构件，仅起连接作用而不能承受较大的撞击力。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述吸能组件包括轴向管类耗能材料和轻质耗能材料填充物，所述轴向管类耗能材料内置于轻质耗能材料填充物中。轴向管类耗能材料为不同构造的薄壁金属管，一般地，其变形模式和耗能能力能被有效地控制和预计，吸能能力强，耗能性能稳定，可以有效耗散冲击能量，撞击力传递方向明确。采用的轻质耗能材料填充物具有轻质隔热、安全隔震、回弹性好、舒适耐用、耐低温等优良特性，具有防水功能，能防震抗压，固化后不开裂，不腐化，不脱落，耐腐蚀性能好，还能起到约束轴向管类耗能材料变形方向的作用。利用其二者共同作用，整个装置的抗冲击能力很强，防车撞装置受到冲击时，传力模式明确，结构稳定性更高。并且，本发明中，利用端部为开口形式的UHPC外面板和UHPC内面板，内外面板对填充于其内的吸附组件的影响更小，更加有利于轴向管类耗能材料和轻质耗能材料填充物耗能作用的发挥，内外面板的结构形式与吸能组件相互配合、相互协同作用，整个防车撞装置的防撞性能更加优异。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述轴向管类耗能材料包括波纹钢管及有缺陷的薄壁圆管，所述轻质耗能材料填充物包括PU聚氨酯泡沫及泡沫混凝土。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述轴向管类耗能材料的两端分别与UHPC外面板和UHPC内面板接触但不固接，且所述轴向管类耗能材料的两端分别与垂直于所述UHPC外面板和UHPC内面板。上述设置方式利于撞击力的传递，并且便于后续UHPC外面板和UHPC内面板的重复利用，无需增加拆装工序。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述UHPC内面板远离吸能组件的一侧设有缓冲组件。更优选的，所述缓冲组件包括D型橡胶，所述D型橡胶横向并排设有多条。缓冲组件的存在，使得UHPC内面板与桥墩接触初次接触时，可起到缓冲作用，降低初始冲击力。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述UHPC外面板和UHPC内面板中均设置有钢筋网。UHPC材料抗压强度可达150-300MPa，在其内布设钢筋网，其抗压强度更可成倍增长，因此UHPC面板具有极高的承载力，可保证整体结构的高强度和刚度。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述UHPC外面板的端部和所述UHPC内面板的端部均呈“L”形构造，且相邻“L”形构造的短边相互配合以用于卡设所述柔性连接件。柔性连接件卡设于相邻“L”形构造的短边处，UHPC外面板和UHPC内面板结构上可以形成一个整体，但受力变形时相互之间不会影响。
上述易恢复型防车撞装置中，优选的，所述柔性连接件包括连接木板或连接木条。用连接木板或连接木条作为挡板使UHPC外面板和UHPC内面板结构上形成一个整体，当装置受到撞击时，连接木板或连接木条破坏，UHPC外面板和UHPC内面板二者变形不会相互影响，面板易于恢复，保证UHPC外面板和UHPC内面板的可重复使用。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种防车撞桥梁，所述防车撞桥梁的桥墩处安装有上述的易恢复型防车撞装置，所述防车撞装置可活动设于地面上。比如，可以采用以下设置方式，防车撞装置半围绕所述桥墩，保持D型橡胶靠近桥墩，且半围绕的一侧朝向车撞方向。
本发明中的UHPC外面板和UHPC内面板可在工厂预制成型，吊装到工程现场进行组装固定，UHPC外面板和UHPC内面板的形状不受限制(如截面为半圆形、五边形、半圆矩形等均可)，配合使用的内外面板形状相配合即可。再将轻质耗能材料填充物按预先设计的形状定型，预留轴向管类耗能材料的孔洞，把轴向管类耗能材料放置在填充物预留的孔洞内(此预留孔洞在轴向管类耗能材料变形时还可以起到导向的作用)，在现场将面板及填充物等进行组装。在后续使用中，遇撞击导致防撞装置产生变形，若面板没有损坏，只需将轴向管类耗能材料和内填充物更换后重新填充即可，维修也很方便，维修成本也低。
本发明中的防车撞装置将UHPC外面板和UHPC内面板分开，通过柔性连接件(如木板)在端部将轴向管类耗能材料和轻质耗能材料填充物包裹在内外面板中形成整体。当装置受到撞击时，柔性连接件会发生破坏断裂，此时UHPC外面板和UHPC内面板便会分开，变形不会相互影响，内外面板形状、性能容易恢复，能最大程度地保证UHPC外面板和UHPC内面板的可重复使用。相比于UHPC外面板和UHPC内面板封闭固定的防车撞装置，内外面板封闭的防车撞装置的结构整体性能更好(一般均采用此种形式)，但是，受撞击变形过程时，内外面板之间的填充物逐渐挤压的过程中，因内外面板固定，受内部填充物和二者的互相影响，内外面板将逐渐发生变形，结构的局部将产生较大的弯曲变形，不利于后期重复使用。
本发明中利用UHPC外面板和UHPC内面板之间的开口形式构造，并用利用其二者独特的力学性能，可以满足受力需求的同时还可以实现面板的重复利用。通过对该防车撞装置进行有限元仿真计算得到：1)在相同速度的车辆撞击下，设置了易恢复型防车撞装置的撞击力峰值比不设置防撞装置的降低明显，在50km/h有防撞装置时，桥墩所受撞击力相比无防撞装置时降低了约24％；在80km/h的高速撞击下，撞击力降低了约75％；2)在相同速度的车辆撞击下，设置了易恢复型防车撞装置的峰值位移比不设置防撞装置的显著降低，车速为50km/h有防撞装置时，桥墩的位移响应降低了约46％；车速为80km/h时，最大位移降低了约62％；3)设置防车撞装置后桥墩损伤显著降低，表明防车撞装置对于墩柱抗撞性能的提升有明显的作用；4)本发明的防车撞装置吸附迅速，设置防车撞装置后，撞击车辆车头部分变形损伤显著减轻，能有效保护司乘安全，尤其在撞击速度较高时防护效果更为显著。总的来说，本发明中的防车撞装置具有良好的耐撞(抗冲击)性能、良好的延性、抗震性能等优点。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明中，UHPC外面板和UHPC内面板没有封闭连接，相互独立，整个面板结构属于开口形式，二者受力变形时不会相互影响。在使用中若发生较低速度撞击，防撞装置产生变形，但UHPC面板易恢复，故只需将轴向管类耗能材料等内填充物更换，重新填充即可，实现了UHPC板的可重复利用，耐久性好，后期维修更换成本低。
2、本发明中的防车撞装置与地面无固定连接，在撞击过程中可与地面产生摩擦耗能，同时也能使结构变形不受地面约束。
3、本发明中的防车撞装置具有良好的耐撞(抗冲击)性能、良好的延性、抗震性能等优点，能够有效保护司乘安全，同时降低车辆损伤。
4、本发明中的防车撞装置相比传统的防护，结构简单，耗能效率高，装置体积小，占地空间小，且UHPC内外面板形状不受限制，可适应多种布置情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为波纹钢管)。
图2为实施例中易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为有缺陷的薄壁圆管)。
图3为实施例中UHPC内外面板为半圆形的易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为波纹钢管)。
图4为实施例中UHPC内外面板为半圆形的易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为有缺陷的薄壁圆管)。
图5为实施例中UHPC内外面板为半圆矩形的易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为波纹钢管)。
图6为实施例中UHPC内外面板为半圆矩形的易恢复型防车撞装置的截面示意图(轴向管类耗能材料为有缺陷的薄壁圆管)。
图7为将图1中的易恢复型防车撞装置安装于桥墩处后的俯视图。
图8为将图1中的易恢复型防车撞装置安装于桥墩处后的正视图。
图例说明：
1、UHPC外面板；2、UHPC内面板；3、柔性连接件；4、吸能组件；41、轴向管类耗能材料；42、轻质耗能材料填充物；5、缓冲组件；6、桥墩；7、地面；8、承台。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例的易恢复型防车撞装置，包括可活动设于地面且相互独立的UHPC外面板1和UHPC内面板2，UHPC外面板1和UHPC内面板2的相邻端部通过柔性连接件3(连接木板)连接，UHPC外面板1和UHPC内面板2的截面形状为五边形(未封闭的五边形)，UHPC外面板1和UHPC内面板2形成的夹层结构中填充有吸能组件4。
本实施例中，吸能组件4包括轴向管类耗能材料41和轻质耗能材料填充物42，轴向管类耗能材料41内置于轻质耗能材料填充物42中。轴向管类耗能材料41的两端分别与UHPC外面板1和UHPC内面板2接触但不固接，且轴向管类耗能材料41的两端分别与垂直于UHPC外面板1和UHPC内面板2。
本实施例中，具体的，轴向管类耗能材料41包括波纹钢管(如图1所示)及有缺陷的薄壁圆管(如图2所示)，轻质耗能材料填充物42包括PU聚氨酯泡沫。
本实施例中，UHPC内面板2远离吸能组件4的一侧设有缓冲组件5。具体的，缓冲组件5包括D型橡胶，D型橡胶横向并排设有两条。
本实施例中，UHPC外面板1和UHPC内面板2中均设置有钢筋网。
本实施例中，UHPC外面板1的端部和UHPC内面板2的端部均呈“L”形构造，且相邻“L”形构造的短边相互配合以用于卡设柔性连接件3。
如图3-6所示，本实施例中，UHPC外面板1和UHPC内面板2的形状不受限制。具体的，如3-4所示，UHPC外面板1和UHPC内面板2的形状为半圆形，如图5-6所示，UHPC外面板1和UHPC内面板2的形状为半圆矩形。
如图7-8所示，本实施例还相应提供一种防车撞桥梁，包括承台8及位于承台8中的桥墩6，桥墩6处安装有如图1中的易恢复型防车撞装置，防车撞装置可活动设于地面7上且半围绕桥墩6，且半围绕的一侧朝向车撞方向。根据现在的实际需求，本实施例中，防车撞装置还可以全围绕设于桥墩6的周围。
本实施例中，防车撞桥梁中安装的易恢复型防车撞装置还可以是如图2-6中的任一种或多种，具体根据现场的实际需求而定。
相比于UHPC外面板1和UHPC内面板2端部固定连接(如采用钢板固定连接)的固定防车撞装置，本实施例中的易恢复型防车撞装置(端部为开口形式)的性能更加优异，具体实验数据如下：
(1)在相同速度(50km/h)的车辆撞击下，设置本实施例中易恢复型防车撞装置时，桥墩所受的峰值撞击力相比于不设置防撞装置时降低了约24％；而设置固定防车撞装置时，桥墩所受的峰值撞击力相比于不设置防撞装置时不仅未有降低，反而增大了约87.5％。
(2)在相同速度(50km/h)的车辆撞击下，设置本实施例中易恢复型防车撞装置时，桥墩的峰值位移比于不设置防撞装置的显著降低，位移响应降低了约46％；而设置固定防车撞装置时，最大位移降低了约37.5％。
Claims (5)
1.一种易恢复型防车撞装置，其特征在于，包括相互独立的UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2），所述UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）均不封闭，所述UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）的相邻端部通过柔性连接件（3）连接，所述UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）形成的夹层结构中填充有吸能组件（4）；
所述吸能组件（4）包括轴向管类耗能材料（41）和轻质耗能材料填充物（42），所述轴向管类耗能材料（41）内置于轻质耗能材料填充物（42）中；
所述轴向管类耗能材料（41）的两端分别与UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）接触但不固接，且所述轴向管类耗能材料（41）的两端分别垂直于所述UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）；
所述UHPC外面板（1）和UHPC内面板（2）中均设置有钢筋网；
所述UHPC内面板（2）远离吸能组件（4）的一侧设有缓冲组件（5）；
所述柔性连接件（3）包括连接木板或连接木条。
2.根据权利要求1所述的易恢复型防车撞装置，其特征在于，所述轴向管类耗能材料（41）包括波纹钢管及有缺陷的薄壁圆管，所述轻质耗能材料填充物（42）包括PU聚氨酯泡沫及泡沫混凝土。
3.根据权利要求1所述的易恢复型防车撞装置，其特征在于，所述缓冲组件（5）包括D型橡胶，所述D型橡胶横向并排设有多条。
4.根据权利要求1或2所述的易恢复型防车撞装置，其特征在于，所述UHPC外面板（1）的端部和所述UHPC内面板（2）的端部均呈“L”形构造，且相邻“L”形构造的短边相互配合以用于卡设所述柔性连接件（3）。
5.一种防车撞桥梁，其特征在于，所述防车撞桥梁的桥墩（6）处安装有如权利要求1-4中任一项所述的易恢复型防车撞装置，所述防车撞装置活动设于地面（7）上。
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