CN112195836A - 一种泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构桥墩防撞装置 - Google Patents
一种泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构桥墩防撞装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构桥墩防撞装置,包括内外侧钢板防撞层,泡沫混凝土填充金字塔型点阵结构缓冲吸能层,角钢连接件,高强螺栓和填缝材料。本装置可根据不同的桥墩截面形状和工况选择相应的防撞夹芯结构和连接件,防撞结构之间通过角钢连接件和高强螺栓连接。与传统刚性防撞装置相比,本装置可通过复合材料的塑性变形和脆性变形吸收撞击能量,降低撞击力峰值,能同时保护桥墩和车辆的安全。本装置制作、更换方便且占地面积较小,对城市交通造成的不利影响较小。
Description
技术领域
本发明涉及桥墩撞击防护领域,具体地说是一种以泡沫混凝土填充三维点阵结构为夹芯层的桥墩抗撞夹芯结构,其中夹芯层由泡沫混凝土和具有的结点平台的金字塔芯体组成,金字塔芯体通过冲孔网冲压法制作并与内外层防撞面板面板通过焊接连接。
背景技术
随着社会的发展和城市化水平的提高,人民的生活需求不断提高,私家车数量不断增加,城市交通拥堵等问题不断涌现。为改善城市交通状况,城市道路和高速公路上的跨线桥等结构数量不断增加。随之而来的是车辆撞击桥墩事故的发生频率不断增加,此类事故既对桥墩甚至整座桥梁的安全性和耐久性造成了不利的影响,同时也会危及车辆和车上人员的安全。
夹芯结构桥墩防撞装置应用于桥墩撞击防护时具有占地面积小、吸能能力强,更换方便快捷,既保护桥墩又降低车辆损伤和保护车上人员安全等优点。城市区域行驶的车辆以私家车和公共交通车辆为主,其特点是车速较慢且车体质量较轻,撞击桥墩时产生的撞击力和撞击能量均较小。与刚性桥墩防撞装置相比,夹芯结构桥墩柔性防撞装置防护能力稍弱但能在保护桥墩的同时保护车辆和车上人员的安全,城市桥梁更适合通过此类防撞装置进行撞击防护。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提出一种易制作的夹芯结构桥墩柔性防撞装置,在车桥相撞时既能保证桥墩的安全又能保护撞击车辆和车上人员。基于以上问题,本发明提出了一种泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构桥墩防撞装置,将该装置外包于桥墩表面,能够有效降低传递到桥墩外表面的撞击力峰值,吸收撞击能量,同时保护车辆和桥墩的安全。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种泡沫混凝土填充三维点阵夹芯结构柔性桥墩防撞装置,该装置由包裹在桥墩外表面的钢板内防撞层,泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构缓冲吸能夹芯层和外层钢迎撞面板组成。
上述方案中,泡沫混凝土填充三维点阵夹芯结构可通过工厂预制实现工业化生产。在进行桥墩防护时,通过螺栓和内层连接角钢将钢板内防撞层固定于桥墩外表面,通过螺栓和外层钢迎撞面板将外层钢迎撞面板连接成一个整体;通过改变角钢连接件的形状、尺寸和厚度可将该桥墩防撞装置应用于不同截面形状和不同工况下桥墩的防护。内层连接角钢与桥墩外表面之间填充有填缝材料。
上述方案中,泡沫混凝土填充三维点阵夹芯结构是最主要的吸能装置,其中具有的结点平台的金字塔芯体是该夹芯结构的骨架,其通过焊接能够较好的与内防撞层和外层迎撞面板相连接,使该夹芯结构成为一个整体,该金字塔型三维点阵结构能够进行工业化连续生产且具有较好的整体性。与泡沫类三维多孔材料相比,金字塔型三维点阵结构力学性能更易控制和设计,具有周期性桁架排列的三维点阵结构在强度和刚度方面普遍优于普通的泡沫多孔材料。
上述方案中,金字塔型三维点阵结构具有规则排列的开放式空间,其芯体内部具有较大的工作空间可用于布置管线,在填充泡沫混凝土时可通过预留管孔而不影响其内部管网体系的布置。该三维点阵结构通过冲孔网冲压法进行制作,首先按照预设尺寸将平整的不锈钢板通过激光切割或冲切制作形成菱形冲孔网,然后将菱形冲孔网通过模具冲压制成金字塔型芯体,此结构可进行连续性大批量生产。
上述方案中,金字塔型三维点阵夹芯结构在制作时可通过焊接将内防撞层,金字塔型三维点阵骨架和外层防撞面板连接为一个整体,夹芯结构中金字塔型三维点阵的厚度、高度和形状可根据桥墩尺寸和冲压头尺寸共同确定。金字塔型三维点阵骨架由多个阵列分布的胞元组成,每个胞元为四棱锥结构。
上述方案中,金字塔型三维点阵夹芯结构在冲击能量较高的冲击荷载作用下会产生较大变形,当变形较大时其承载力和吸能能力显著降低,造成缓冲吸能性能不稳定。而在三维点阵结构中填充泡沫混凝土材料能够显著增强该结构的承载力和吸能能力,提高其抗撞性能。泡沫混凝土作为一种多孔材料,具有质量轻,造价低,吸能能力强和施工方便等优点,在三维点阵结构中填充泡沫混凝土能够为点阵结构提供支撑,使结构变形趋于稳定,能够持续高效的吸收撞击能量。
上述方案中,泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构能够表现出较好的抗撞击性能。撞击荷载作用在防护结构上之后,迎撞面板首先产生较大的塑性变形,吸收部分冲击能量,然后将荷载传递给金字塔型点阵骨架和泡沫混凝土;在撞击荷载作用初期,芯层承载力主要由三维点阵结构骨架承担,芯层主要依靠点阵结构杆件塑性变形吸能,在点阵结构产生较大的塑性变形之后,泡沫混凝土材料胞壁发生断裂从而吸收大量撞击能量,泡沫混凝土与点阵结构骨架协同作用,共同降低撞击力峰值,吸收撞击能量;同时,撞击力由内层防撞板传递至桥墩,此时传递至桥墩的撞击力峰值和撞击能量均显著降低。
上述方案中,泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构可进行工厂预制以实现工业化生产。在设计该防撞结构时可通过调整泡沫掺入量控制泡沫混凝土密度,通过调整冲孔板厚度、冲孔形状,冲压头形状来控制点阵结构的几何形状和尺寸,通过调整以上参数可以控制该填充结构的整体防撞性能,使其适用于不同工况。在制作过程中,若需缩短制作周期,加快生产速率,可采用快硬硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥来制作泡沫混凝土填充材料。
上述方案中,泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯结构可预制生产,该防撞装置受到车辆撞击损毁后可立即更换新的装置,更换方便快捷,而且其占据的路面面积较小,对交通造成的不利影响较小。
总体来说本发明具有以下优点:
(1)将具有的结点平台的金字塔型芯体作为填充夹芯结构的骨架,金字塔型芯体具有成型工艺简单,可设计性强以及能连续生产等优点。将泡沫混凝土填充至金字塔型点阵夹芯结构中能够使二者协同作用,共同抵抗撞击荷载,吸收撞击能量。首先,在点阵结构中填充泡沫混凝土能够显著增强整体结构的刚度和承载力,避免点阵芯体在撞击荷载作用下发生过早的屈服,保证防护结构在变形过程中能够持续有效的吸能;其次,点阵结构为内部泡沫混凝土提供了有效约束,提高了整体结构的竖向刚度,避免泡沫混凝土因结构性脆断而不能充分发挥其吸能能力。
(2)该防撞装置具有多级耗能体系,其耗能体系由芯层内外两侧的刚性防撞层和泡沫混凝土填充点阵结构柔性防撞层组成,在撞击荷载作用下,能够实现刚柔并济。在该防撞装置受到撞击荷载作用下,外层迎撞面板首先产生塑性变形,吸收部分撞击能量并将荷载较均匀的传递至柔性防撞层;柔性防撞芯层通过点阵结构塑性弯曲变形和泡沫混凝土胞壁脆性断裂吸收大部分能量,而且撞击荷载经过在多孔材料中的传递,其初始峰值力显著降低、荷载作用时间增长,荷载传递至内层防撞面板;最终荷载由内层防撞面板传递至桥墩。该防撞装置既能减轻撞击对桥墩工作性能和耐久性能的影响,同时又能保护车辆和乘客的安全。
(4)该防护装置具有连续性好,制作较为简便,质量轻,更换方便和吸能效率高等优点。该防撞装置尺寸较小,占据道路面积较少,对城市交通造成的不利影响较小。
附图说明
图1为本发明中冲孔后的菱形冲孔网示意图。
图2为本发明中具有结点平台的金字塔型点阵结构胞元示意图。
图3为本发明中冲压后形成的金字塔型点阵结构胞元示意图。
图4为本发明中无填充的金字塔型点阵夹芯结构示意图。
图5为本发明中泡沫混凝土填充的点阵结构夹芯层示意图。
图6为本发明中泡沫混凝土填充点阵防撞装置横截面示意图。
图7为本发明整体结构示意图。
在所有附图中,相同的部件标号表示相同的构件或材料,其中1为钢筋混凝土桥墩,2为角钢连接件,3为填缝材料,4为螺栓,5为泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构,21为内层连接角钢,22为外层连接角钢,51为外层迎撞面板,52为泡沫混凝土填充的点阵结构夹芯层,53为内层防撞面板,521为金字塔型点阵结构,522为泡沫混凝土填充材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明为一种桥墩柔性防撞装置,其主要由泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯层,内外侧钢板防撞层,角钢连接件,连接螺栓和填缝材料组成。
上述方案中,泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置可根据以下步骤进行设计,制作和安装:
步骤1:根据桥墩的尺寸,形状和工况选择内外侧防撞层厚度,金字塔型点阵结构高度,冲孔尺寸以及内部填充的泡沫混凝土密度,然后根据防撞装置的尺寸确定角钢连接件尺寸,预留孔洞位置以及螺栓型号。
步骤2:按照预设尺寸通过冲孔网冲压法制作金字塔型点阵结构夹芯,首先通过冲孔装置去掉多余的金属材料制成冲孔网,然后通过冲压设备制作成金字塔型点阵结构,然后在内外层防撞面板的预留螺栓孔的位置开孔,将点阵结构和内外层防撞面板通过焊接连接,制成点阵三明治结构。
步骤3:按照泡沫混凝土预设密度在点阵三明治结构中填充泡沫混凝土。首先按照预设配合比将水泥、水和外加剂混合制成水泥浆,然后按照预设密度掺入泡沫并搅拌均匀制成相应密度的泡沫混凝土浆体并将其浇筑至点阵三明治结构中振捣均匀,最后经过预定龄期的养护,待泡沫混凝土完成凝结硬化后即可制成泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构。
步骤4:在防撞装置安装前,首先对桥墩外表面进行粗糙化处理,通过内外两个角钢连接件和螺栓将防撞装置固定于桥墩外表面,选择合适的填缝材料进行嵌缝处理。若需进一步提高该防撞装置的延性和耐久性,可在迎撞面板外表面喷涂一层聚脲材料。
以上所述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实施方式,上述实施方式仅是示意性的,而不是限制性的,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,包括依次包裹在桥墩外表面的钢板内防撞层,泡沫混凝土填充金字塔型三维点阵夹芯层和外层迎撞面板。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯层由具有结点平台的金字塔型三维点阵骨架和泡沫混凝土填充材料组成;金字塔型三维点阵骨架由多个阵列分布的胞元组成,每个胞元为四棱锥结构。
3.根据权利要求2所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:在钢板内防撞层,夹芯层和外层迎撞面板中分别预留螺栓孔,通过螺栓和内外层连接角钢将防撞装置连接成一个整体。
4.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:连接件和防撞装置能够设计为不同的形状与尺寸,以适用于不同截面形状与尺寸的桥墩。
5.根据权利要求2所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:金字塔型三维点阵骨架和泡沫混凝土填充材料在撞击荷载作用下能够协同作用,共同抵抗撞击荷载,吸收撞击能量。
6.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:防撞装置为工厂预制结构。
7.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土填充金字塔型点阵夹芯结构桥墩防撞装置,其特征在于:在迎撞面板外表面喷涂聚脲弹性材料,提高防撞装置的延性和耐腐蚀能力。
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