CN112281636A - 一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下设施安全防护技术领域，公开了一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法，所述可自动复位的桥墩防撞系统设置有桥墩，桥墩周围通过框架面板装配有防撞单元和浮箱，桥墩与框架面板之间设置有滑轮结构；防撞单元设置有第二钢板，第二钢板与第一钢板焊接，第一钢板上侧固定有转轴座；转轴座通过转轴与压缩斜筒连接，压缩斜筒内部套接有斜杆，斜杆通过转轴座与转条连接；压缩斜筒和斜杆上缠绕有弹簧，压缩斜筒下端设置有挡板，挡板与弹簧连接。本发明着眼于消能耗能，在撞击后压缩弹性杆件得到柔性缓冲，船舶所受阻力增加，速度减缓，防撞构件释放弹性能后促使船只远离桥墩，可以有效防撞，在最大程度上保护了船舶本身的安全。

Description

一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法

技术领域

本发明属于水下设施安全防护技术领域，尤其涉及一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法。

背景技术

目前，公路交通的发展促使了越来越多跨江跨河大桥的修建，水路运输的发展使得船舶流量日益增大，但同时船舶的大型化对桥梁的安全构成了严重威胁，桥船碰撞的概率明显加大，一旦船舶失控或走偏航道撞击桥梁，极易造成桥梁垮塌、船舶倾覆的恶性事故，后果不堪设想。

防撞方式从理念上分为主动防撞和被动防撞设计，主动防撞是通过对船舶进行航行管理和航迹干预，进而避免发生船舶撞桥。被动防撞是通过对桥墩自身结构加强或者辅以防撞设施来抵御船舶撞，进而避免撞击事故发生或降低受损程度。主动防撞设计是一项比较复杂的系统工程，设计方案能否成功，取决于人的素质、技术水平、资金等各方面因素，实施要求过高。

桥梁防撞方案主要采用橡胶等缓冲吸能方式、防撞桩结构、人工岛、缆绳拦截、围堰以及钢浮箱结构、柔性阻尼原件等组成的结构体系等。按与桥墩的关系可分为人工岛、独立式以及附着式三大类。人工岛是一种用圬工岛将桥墩台阻隔、消能的防撞设计，在桥墩前用沙子、碎石或混凝土将桥墩周围建立人工岛，使船岛上搁浅而停下。然而这种方法侵占水面多、而且改变航道原有水流环境。而且为了防止水毁，人工岛一般刚性较大，对船舶的破坏力也很大，顾及了桥墩安全却增大了船舶触礁风险。独立式主要包括墩外墩、围堰以及防撞桩群等，此类方法均是在桥墩外围水底设置的防护结构，这些方式均通过替代桥墩接受撞击来达到防护目的。在实际使用同样会改变水流环境、侵占过水面积，仅适用于水位浅、基础条件好、设置后不碍航的桥梁工程。这些方式使用时对船体破坏力仍就很大。

附着式主要有漂浮式柔性防撞系统或者耗能吸能元件等。漂浮式柔性防撞系统是利用绳柔性网等耗能器或浮链消减船舶撞击传来的动能。耗能吸能元件主要利用橡胶或塑性囊体吸收船舶撞击桥梁的部分动能，可以保护船体对桥墩的撞击损伤程度减小。然而，当桥墩遭受船撞时，上述大多数方式的防撞构件均会受到不同程度的破坏，不能自动复位，失去其防护功能，需花费大量时间经费维护加固或重新修建。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中主动防撞设计是一项比较复杂的系统工程，设计方案能否成功，取决于人的素质、技术水平、资金等各方面因素，实施要求过高。

(2)现有技术中人工岛侵占水面多、而且改变航道原有水流环境；为了防止水毁，人工岛一般刚性较大，对船舶的破坏力也很大，顾及了桥墩安全却增大了船舶触礁风险。

(3)现有技术中独立式在实际使用同样会改变水流环境、侵占过水面积，仅适用于水位浅、基础条件好、设置后不碍航的桥梁工程，使用时对船体破坏力仍就很大。

(4)现有技术中附着式当桥墩遭受船撞时，防撞构件均会受到不同程度的破坏，不能自动复位，失去其防护功能，需花费大量时间经费维护加固或重新修建。

解决以上问题及缺陷的难度为：

1)船舶撞击冲击力强，以上技术虽然起到了很好的桥梁保护作用，但未充分考虑船体免遭大面积破坏。如何减少桥墩的破坏同时使船舶自身的破坏最小。

2)涉及水下施工工程量大，投资大，目前资金缺乏仍是桥梁船撞保护遇到的主要问题。

3)因内河河道较狭窄，不允许防撞设施占据更大的空间妨碍船舶正常通航。

解决以上问题及缺陷的意义为：

1)如果能发明一种能自动复位的防撞设施，可减少船撞后破坏构件的修复工作量。

2)因其占用过水面积少、投资省，适应水位变动性强，可大量推广使用，减少重大安全事故发生。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法。

本发明是这样实现的，一种可自动复位的桥墩防撞系统，所述可自动复位的桥墩防撞系统设置有：桥墩；桥墩周围通过框架面板装配有防撞单元和浮箱，桥墩与框架面板之间设置有滑轮结构；

防撞单元设置有第二钢板，第二钢板与第一钢板焊接，第一钢板上侧固定有转轴座；

转轴座通过转轴与压缩斜筒连接，压缩斜筒内部套接有斜杆，斜杆通过转轴座与转条连接；

压缩斜筒和斜杆上缠绕有弹簧，压缩斜筒下端设置有挡板，挡板与弹簧连接。

进一步，所述防撞体由数个偏向下游方向的防撞单元组成，防撞单元呈鱼鳞状布置。

进一步，所述滑轮结构设置有第二钢板，第二钢板上固定有肋板，肋板通过滚轴固定有滚筒。

进一步，所述滚筒平时突出面板，滚筒与桥墩外壁光滑接触。

进一步，所述转条底面中下部通过压缩弹簧与第一钢板连接。

进一步，所述转条上方螺栓固定有面板和玻纤抗冲垫，面板底面外边缘固定有D型橡胶。

进一步，所述防撞单元下端为浮箱，浮箱下端设置有配重。

本发明另一目的在于提供一种所述可自动复位的桥墩防撞系统的可自动复位的桥墩防撞方法，所述可自动复位的桥墩防撞方法，包括：

当船舶实际航向偏离理想航向驶向桥墩，发生撞击接触时，船舶首先接触玻纤抗冲垫、面板，无论是正向还是向下游的撞击力，将促使转条绕转轴座转动；并压缩弹簧及弹簧，斜杆插入压缩斜筒，D型橡胶护舷进一步吸收撞击动能；船舶撞击动能转化为弹性能储存，剩余部分通过框架面板传递给桥墩承担；

撞击后短暂时间内，船舶在水流冲击下继续往下游移动，在移动过程中不断压缩下游的弹性模块，由最初的正面撞击改变为侧向滑移，撞击速度进一步减小；

在压缩过程完成后，弹性杆件释放弹性势能，产生作用于船体向外侧力，使船体逐渐远离桥墩，化解继续撞击桥墩的可能；高强压缩弹簧、压缩斜筒推动面板自动复位。

进一步，所述浮箱通过给浮箱中注水和加配重块，调整整体浮力。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明附着于桥墩周围，上部最外围由可自动复位构件组成，这是本发明的核心部件；下部为可注水浮箱。最内侧为轴承装置，由刚性支架固结或焊接在一起。当船舶撞击桥墩时，船舶携带的大量动能将对桥墩及船体造成破坏性损伤。大多数防撞装置着力于增设刚体避免船舶正面直接撞击桥墩。本发明着眼于用弹性能吸收撞击能量，储能后缓慢释放减缓船舶撞击速度，并拨开船舶使改变方向避免更大冲击，从根本上避免发生正面高速碰撞，达到减小船桥损伤的目的。内河中航行的船舶撞击桥墩时，一般为处于桥梁上游的船舶发生断缆等事故失控顺流漂移，或者因能见度不佳、误操作等调整不及时导致撞击。撞击接触点多位于桥墩迎流面或两侧顺流面靠上游侧。本发明装置在桥墩易撞部位布设鱼鳞状防撞单元，各防撞单元由可压缩及自动复位杆件组成。撞击过程中，可压缩体变形，动能部分转化为弹性能储存，瞬时撞击力减弱；同时船舶顺水流继续往下游移动，在移动过程中不断压缩下游的弹性模块，由最初的正面撞击改变为侧向滑移，撞击速度进一步减小。在压缩过程完成后，弹性杆件释放弹性势能，产生作用于船体向外侧力，使船体逐渐远离桥墩，化解继续撞击桥墩的可能。其设置的压缩斜筒推动面板自动复位。

本发明中下部还设有浮箱，可以通过给浮箱中配重(注水或加配重块)，调整装置整体浮力，确保整个装置浮停在理想防护位置。本发明内侧设有滚动轴及支承结构，当水位涨落变化时，装置在浮箱浮力作用下，通过滚轮沿桥墩外壁滚动，摩擦阻力大为减小，整体受力平衡，使得本装置不致静止或卡死。本发明装置防撞时将阻止船舶撞击能量的充分释放，在保护桥墩的同时，最大限度内保证了船体及桥墩的安全，避免传统防撞装置引起的船损伤害。

通过上述分析，本发明装置属于附着式防撞装置，但防撞理念与以往其他方式有着本质上的区别。本发明装置着眼于消能耗能，在撞击后压缩弹性杆件得到柔性缓冲，船舶所受阻力增加，速度减缓，防撞构件释放弹性能后促使船只远离桥墩。玻纤抗冲垫与D型橡胶护舷双重防护，不但可以有效防撞，而且在最大程度上保护了船舶本身的安全。同时防撞体系由各防撞单元排列呈鱼鳞状，防撞单元模块化、拆卸方便。设置了恢复杆件和弹性体。在船撞后可自动复位恢复防护功能、自浮功能。本发明装置紧贴桥墩外壁设有滚动轴及支承结构，起定位支承作用。接触部分为圆柱体，既减少其与墩柱立面的运动摩擦和克服墩柱表面的突出物干扰，又实现浮箱随水位变化上下自由浮动的立面自定位。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的可自动复位的桥墩防撞系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的滑轮结构示意图。

图3是本发明实施例提供的防撞单元和浮箱结构示意图。

图4是本发明实施例提供的防撞单元结构示意图。

图5是本发明实施例提供的船舶撞击本发明装置前位置图。

图6是本发明实施例提供的船舶撞击本发明装置后变化图。

图中：1、防撞单元；2、桥墩；3、水流；4、滑轮结构；5、浮箱；6、面板；7、D型橡胶护舷；8、配重；9、玻纤抗冲垫；10、弹簧；11、斜杆；12、挡板；13、压缩斜筒；14、转轴座；15、压缩弹簧；16、第一钢板；17、肋板；18、滚筒；19、滚轴；20、第二钢板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可自动复位的桥墩防撞系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的可自动复位的桥墩防撞系统中桥墩2周围通过框架面板装配有防撞单元1和浮箱5，桥墩2左侧为水流3。

当遭受船舶强力撞击时，防撞单元1可回缩，由面板承担船舶撞击荷载。防撞体由数个偏向下游方向的防撞单元组成，并且防撞单元呈鱼鳞状布置，起抗冲消能作用。框架面板外侧下部为浮箱5，排开水体产生浮力，平衡整个防撞设施的重力作用。

如图3所示，桥墩2与框架面板之间设置有滑轮结构4；框架面板设置有防撞单元1和浮箱5；防撞单元1包括：滑轮结构4、面板6、D型橡胶7、配重8、玻纤抗冲垫9、弹簧10、斜杆11、挡板12、压缩斜筒13、转轴座14、压缩弹簧15、第一钢板16、肋板17、滚筒18、滚轴19和第二钢板20。玻纤抗冲垫9主要采用基材为高韧性乙烯基树脂、多轴向无碱缝编玻纤布复合材料，内部填充物为硬质聚氨酯泡沫高分子材料。防撞单元1下端为浮箱5，浮箱5下端设置有配重8。浮箱5形状和大小可以根据框架与桥墩之间剩余空间、以及浮力调节需求进行调整，但尽量配合框架面板与桥墩2贴合。浮箱5材质应使用弹性钢质材料，必要时可以承受部分撞击作用力。同时本发明可根据实际需要，装配一层或多层防护单元。同时通过给浮箱5注水或加配重块8，调节整个装置浮力，使其布置于目标防护位置。当桥墩位于航道中，其两侧皆可通航时，本发明装置可绕桥墩布置一周。若桥墩仅为一侧通航，本发明可以仅布置于桥墩通航侧。

如图4所示，本发明中滑轮结构4设置有第二钢板20，第二钢板20上固定有肋板17，肋板17通过滚轴19固定有滚筒18；其中，滚筒18平时突出面板，与桥墩外壁光滑接触，水位变动时可沿桥墩2外壁上下滑动；遭受船舶强力撞击时可回缩，由面板承担船舶撞击荷载。第二钢板20与第一钢板16焊接，第一钢板16上侧固定有转轴座14，转轴座14通过转轴与压缩斜筒13连接，压缩斜筒13内部套接有斜杆11，斜杆11通过转轴座与转条连接，转条可绕其轴转动；转条上方螺栓固定有面板6和玻纤抗冲垫9，面板6底面外边缘固定有D型橡胶7。同时在压缩斜筒13和斜杆11上缠绕有弹簧10，压缩斜筒13下端设置有挡板12，挡板12与弹簧10连接。其中，转条底面中下部通过压缩弹簧15与第一钢板16连接。

本发明的工作原理为：如图5-图6所示，当船舶实际航向偏离理想航向，驶向桥墩，与本发明装置发生撞击接触时(如图5)，船舶首先接触玻纤抗冲垫9、面板6，无论是正向还是向下游的撞击力，将促使转条绕转轴座14转动，并压缩弹簧15及弹簧10，斜杆11插入压缩斜筒13。D型橡胶7进一步吸收撞击动能。船舶撞击动能转化为弹性能储存，剩余部分通过框架面板传递给桥墩承担。

撞击后短暂时间内，船舶在水流冲击下继续往下游移动(如图6)，在移动过程中不断压缩下游的弹性模块，由最初的正面撞击改变为侧向滑移，撞击速度进一步减小。在压缩过程完成后，弹性杆件释放弹性势能，产生作用于船体向外侧力，使船体逐渐远离桥墩，化解继续撞击桥墩的可能。其设置的高强压缩弹簧15、压缩斜筒13推动面板自动复位。本发明装置紧贴桥墩外壁设有滚动轴及支承结构，起定位支承作用。接触部分为圆柱体，实现浮箱随水位变化上下自由浮动的立面自定位。遭受船舶强力撞击时可回缩，由面板承担船舶撞击荷载。

由前述原理可知，在撞击后压缩弹性杆件得到柔性缓冲，船舶所受阻力增加，速度减缓，防撞构件释放弹性能后促使船只远离桥墩，不但可以有效防撞，而且在最大程度上保护了船舶本身的安全。防撞体系由各防撞单元排列呈鱼鳞状，可减少水流阻力。防撞单元模块化、拆卸方便，且在船撞后可自动复位恢复防护功能，适用于内河桥墩防撞设计。

理论计算

1)防撞单元可吸收能量计算

根据船舶的撞击动能公式：

式中，E-船舶的理论撞击能量(KN·m)；m-船舶质量(t)；V_n-船舶撞击速度(m/s)。

按1000t级船舶撞击速度为2m/s计算，则船舶撞击动能为E＝0.5×1000*4＝2000KN·m；以H1500×L2000型D型橡胶为例，压缩量为50％，查力学性能曲线，吸能量为400KN·m。由此可知，每个防撞单元设置D型橡胶5-6块即可。

2)高强弹簧恢复力

弹簧的刚度

弹簧所受的载荷F＝cλ；

上式中：c-弹簧的刚度(N/mm)；F：弹簧所受的载荷；λ-弹簧在受载荷F时所产生的变形量；G-弹簧材料的切变模量(钢为8×10⁴MPa，青铜为4×10⁴MPa)；d-弹簧丝直径(mm)；D₂-弹簧直径(mm)；n-弹簧有效圈数；C-弹簧的旋绕比(又称为弹簧指数)

每根高强弹簧恢复力F＝cλ＝9.77×300＝293N，如每个防撞单元设10根高强弹簧，则恢复力为2.93KN，产生的恢复力可使防撞面板复位。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述可自动复位的桥墩防撞系统设置有：

桥墩；

桥墩周围通过框架面板装配有防撞单元和浮箱，桥墩与框架面板之间设置有滑轮结构；

防撞单元设置有第二钢板，第二钢板与第一钢板焊接，第一钢板上侧固定有转轴座；

转轴座通过转轴与压缩斜筒连接，压缩斜筒内部套接有斜杆，斜杆通过转轴座与转条连接；

压缩斜筒和斜杆上缠绕有弹簧，压缩斜筒下端设置有挡板，挡板与弹簧连接。

2.如权利要求1所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述防撞体由数个偏向下游方向的防撞单元组成，防撞单元呈鱼鳞状布置。

3.如权利要求1所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述滑轮结构设置有第二钢板，第二钢板上固定有肋板，肋板通过滚轴固定有滚筒。

4.如权利要求3所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述滚筒平时突出面板，滚筒与桥墩外壁光滑接触。

5.如权利要求1所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述转条底面中下部通过压缩弹簧与第一钢板连接。

6.如权利要求1所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述转条上方螺栓固定有面板和玻纤抗冲垫，面板底面外边缘固定有D型橡胶护舷。

7.如权利要求1所述的可自动复位的桥墩防撞系统，其特征在于，所述防撞单元下端为浮箱，浮箱下端设置有配重。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的可自动复位的桥墩防撞系统的可自动复位的桥墩防撞方法，其特征在于，所述可自动复位的桥墩防撞方法，包括：

当船舶实际航向偏离理想航向驶向桥墩，发生撞击接触时，船舶首先接触玻纤抗冲垫、面板，无论是正向还是向下游的撞击力，将促使转条绕转轴座转动；并压缩弹簧及弹簧，斜杆插入压缩斜筒，D型橡胶护舷进一步吸收撞击动能；船舶撞击动能转化为弹性能储存，剩余部分通过框架面板传递给桥墩承担；

撞击后短暂时间内，船舶在水流冲击下继续往下游移动，在移动过程中不断压缩下游的弹性模块，由最初的正面撞击改变为侧向滑移，撞击速度进一步减小；

在压缩过程完成后，弹性杆件释放弹性势能，产生作用于船体向外侧力，使船体逐渐远离桥墩，化解继续撞击桥墩的可能；高强压缩弹簧、压缩斜筒推动面板自动复位。

9.如权利要求8所述的可自动复位的桥墩防撞方法，其特征在于，所述浮箱通过给浮箱中注水和加配重块，调整整体浮力。

10.一种水下设施安全防护方法，其特征在于，所述水下设施安全防护方法使用权利要求1-7任意一项所述的可自动复位的桥墩防撞系统。

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