CN112562418A - 桥梁防船撞装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥梁防船撞装置。桥梁防船撞装置，包括：设置在通行区域内的通行激光器和禁行激光器，禁行激光器与通行激光器交替分布、并且激光颜色不同；以及常闭的继电器，继电器包括与通行激光器串联而形成通行支路的开关部分以及、与禁行激光器串接而形成禁行支路的磁铁部分；以及串接在进行支路中的常开开关，常开开关包括与浮子连接的绝缘的活塞以及与桥墩弹性连接的绝缘的缸筒，缸筒上端设有位于活塞上方的封闭端，封闭端的下端面设有定触点，活塞的上端面设有动触点，动触点和定触点之间设有水银珠；以及通行支路和禁行支路并联连接的电源。本发明利用水银球在受到高速震动时，会从球状变成浆状而将动、静触点导通实现禁行支路接通电源，并通过继电器切断通行支路，实现信号转换，便于及时调整通行区域提醒信息。

Description

桥梁防船撞装置

技术领域

本发明涉及大跨径斜拉桥新型防撞设施技术领域，更具体地，涉及一种桥梁防船撞装置。

背景技术

在日本、丹麦、美国、意大利和德国等一些发达国家，十九世纪六七十年代就对桥区通航环境与安全进行了研究，并做过一些碰撞模拟试验和调查研究。到目前为止，大多数的研究工作是从桥梁的角度出发，将船舶撞击力作为桥梁可能承受的一种外载荷来研究：研究船对桥的撞击力、撞桥后桥体结构的动态响应问题、从交通工程角度出发研究船撞桥的概率问题。当然也有从船舶角度出发研究撞桥后的船体结构响应问题及防撞设施的研究。

近年来，国外一些研究人员开始对限制水域的通航问题利用CFD或EFD的方法着手进行研究，取得了很大的进展，尤其是欧共体项目的开展，促进了整个通航环境与安全领域学术水平的整体提高。流固耦合理论的应用为桥区通航环境与安全问题提供更大的研究空间。新的研究集中在改进防撞体的结构形式和选取新型材料、动态模拟防撞设施的吸能和消能效果。这些研究为合理选用和设计防撞设施提供了丰富的理论基础。

在国内，杨柯、潘杰针对株洲红港大桥桥墩的特点，对桥墩防撞设施进行了设计，同时通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算，研究了桥墩和防撞设施的防撞性能，验证了所设计的防撞设施的可行性。

肖荣清、陈楚珍等通过模型试验, 验证了“液体稳压柔性消能”桥墩防撞设施方案设计的正确性、合理性和可行性，揭示了船舶碰撞桥墩时各部分的受力大小及其分布规律，从而为技术设计和施工设计提供了可靠依据。并得出此液体稳压柔性消能方案合理，设计计算、分析与试验测试结果基本一致，满足船桥相撞后,桥墩不会受破坏，船舶也不会有大的损伤，防撞设施能自行恢复正常工作状态且安装、维护、检修方便简单等设计要求的结论。

泉州市公路局与福州大学土木建筑工程学院专家研究，采用大型空间有限元防真分析和缩尺模型试验，对大桥防撞岛在船撞力作用下的力学行为以及防撞岛的实际船撞力进行研究。陈国虞对防撞设施的选择（包括防撞设施的种类、选择的原则、综合要求及桥墩防撞的工作程序）进行了探讨和总结。陈炜、肖波等针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥1号墩防撞设计与分析。提出适合该桥梁防撞要求的等截面桥墩防撞设施，并采用有限元方法对船与该防撞装置的碰撞过程进行了模拟，得出了桥梁设计所关心的技术指标，满足了设计要求。

有关工程指挥部总结出杭州湾跨海大桥防撞四大原因，以为其他大桥的防撞提供参考：大桥桥形为S形，能与杭州湾的不同水流构成垂直，这样，航船穿过大桥的航道时就不会因水流的流向而撞上桥墩；在大桥的南北航道桥墩上安装防撞套箱；大桥外围设桥标、航标，引起过往船舶注意；大桥设AIS系统和VTS系统，利用无线电信息提醒过往船舶。

在先专利CN110910676B公开了一种用于桥梁防船撞的方法及其激光幕系统，在桥梁的船只禁行区域内，在垂直船只航行方向的平面上扫射激光形成禁行激光幕；在桥梁的船只通行区域内，在平行船只航行方向的桥梁顶面上扫射激光形成通行激光幕，在平行船只航行方向的桥梁侧面上扫射激光形成通行激光幕；在桥梁的船只通行区域与船只禁行区域或其他船只通行区域之间的间隔区域内，在垂直船只航行方向的平面上扫射激光形成禁行激光幕；禁行激光幕的颜色与通行激光幕的不同。船只不能通行的区域需要形成禁行激光幕，在视觉上警示船只；而在船只通行区域内，所形成的通行激光幕显示出通行区域的最大高度和最大宽度，帮助船只安全航行，且由于激光颜色不同使不同区域有所区分。

但是，对于大跨径斜拉桥而言，受其所跨江河的水面宽度较大，而这种水面宽度较大的受风力、潮汐等因素影响，江河水面情况多变，容易出现通行区域短暂涨潮过高、水流湍急的情况，导致原本可以正常通行的通行区域出现通行风险，而现有技术中，仅能固定给出通行区域，对于通行区域内水面状况变化只能依靠人为监控，容易引发通行事故。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种便于及时调整通行区域提醒信息的桥梁防船撞装置，其技术方案如下：

桥梁防船撞装置，包括：

设置在通行区域内的通行激光器；以及

设置在通行区域内的禁行激光器，禁行激光器与通行激光器交替分布、并且激光颜色不同；以及

常闭的继电器，继电器包括与通行激光器串联而形成通行支路的开关部分以及、与禁行激光器串接而形成禁行支路的磁铁部分；以及

串接在进行支路中的常开开关，常开开关包括与浮子连接的绝缘的活塞以及与桥墩弹性连接的绝缘的缸筒，缸筒竖直或在竖向倾斜设置、并且与活塞滑动密封连接，缸筒上端设有位于活塞上方的封闭端，封闭端的下端面设有定触点，活塞的上端面设有动触点，动触点和定触点之间设有水银珠；以及

通行支路和禁行支路并联连接的电源。

优选地，浮子为筏式和/或蛇形波浪能发电装置。

优选地，浮子为蛇形波浪能发电装置，包括：

两个封闭气囊形成的浮筒，浮筒沿轴向从小端向大端逐渐变粗，两浮筒的大端相向设置；以及

同轴固定在浮筒内的发电直筒，发电直筒的两端各自固定有压电陶瓷，发电直筒内滚动设置有至少两个在轴向依次设置的钢球；以及

连接在两浮筒的大端之间的浮子铰链。

优选地，浮子铰链包括：

同轴连接在浮筒大端的第一万向节；以及

连接在两个第一万向节之间的连接轴，连接轴上活动套装有与活塞连接的轴套。

优选地，桥墩中预埋固定有位于顶部并从周边露出的连接筋，连接筋露出端上还连接有悬挂摆式波浪能发电装置。

优选地，悬挂摆动式波浪能发电装置包括：

铰接在连接筋上的摆叶，摆叶为从铰接端向自由端逐渐变粗的气囊；以及

所述常开开关同轴安装在摆叶内，缸筒具有与摆叶的下端通过拉簧连接在拉杆以及固定在拉杆上端的套筒，活塞的下端同轴固接有支撑柱，支撑柱的下端固定有导向盘，导向盘上开设有供拉杆穿过并滑动配合的导向孔，导向盘的边缘固定有空套在套筒外围的连接套，连接套的上端连接有密封穿装摆叶上端的连接杆，连接杆的下段套装有抵顶在连接套和摆叶之间的压簧，连接杆的上端与浮子连接。

本发明的有益效果是：

本发明利用水银球在受到高速震动时，会从球状变成浆状而将动、静触点导通实现禁行支路接通电源，并通过继电器切断通行支路，实现信号转换；同时，在江河水面过高时，动、静触点之间的距离减小，也会压缩水银球导致两者连通，实现信号转换，从而实现在江河水面出现剧烈波动或涨潮过高时，自动切换激光光幕信号，便于及时调整通行区域提醒信息。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明桥梁防船撞装置的使用状态示意图；

图2是本发明桥梁防船撞装置的结构示意图；

图3是本发明桥梁防船撞装置的浮子和常开开关的连接示意图；

图4是本发明桥梁防船撞装置的常开开关立体图；

图5是图4的主视图；

图6是图5的A-A剖视图；

图7是图5的B-B剖视图；

图8是本发明桥梁防船撞装置的电路示意图。

附图中使用的附图标记如下：

1 通行激光器，

2 禁行激光器，

3 桥体，

4 开关部分，

5 磁铁部分，

6 摆叶，

7 常开开关，

70 拉簧，

71 活塞，

72 拉杆，

73 套筒，

74 支撑柱，

75 导向盘，

76 导向孔，

77 连接套，

78 连接杆，

79 压簧，

710 水银球，

8 浮子，

81 浮筒，

82 发电直筒，

83 浮子铰链，

84 钢球。

具体实施方式

中开高速公路是中山、江门两市规划的连接港澳、深圳、中山、江门主城区、开平市和台山市的东西向高速公路，该项目对完善区域路网，缓解临近公路的交通压力，改善深圳、中山、江门、开平等地区东西方向进出口单一的状况都具有重要意义。银洲湖大桥是中开高速公路的一个控制性节点工程，其跨越银洲湖（崖门水道）主、辅航道，该航道规划通航5万吨级海轮，航道等级高，主桥跨径大，建设条件复杂。银洲湖大桥对于全线高速公路顺利建设具有重大的意义。

初步设计经过经济技术比选，推荐采用主跨530m的混合式PK箱组合梁斜拉桥结构，跨径布置为188+530+188m，中跨采用PK箱组合梁，边跨采用全混凝土梁的混合梁，钢混结合部伸入中跨9.45m。全桥的立面布置如图1所示。

中开高速公路是中山、江门两市规划的连接港澳、深圳、中山、江门主城区、开平市和台山市的东西向高速公路，该项目对完善区域路网，缓解临近公路的交通压力，改善深圳、中山、江门、开平等地区东西方向进出口单一的状况都具有重要意义。银洲湖大桥是中开高速公路的一个控制性节点工程，其跨越银洲湖（崖门水道）主、辅航道，该航道规划通航5万吨级海轮，航道等级高，主桥跨径大，建设条件复杂。银洲湖大桥对于全线高速公路顺利建设具有重大的意义。

崖门水道（崖门口—熊海口）全长约25km，已按全潮通航5000t海轮，乘潮通航10000t海轮的标准进行整治，工程于2014年竣工验收。根据广东省航道局最新的航道维护标准，崖门水道目前按通航1000吨级船舶的珠三等级标准进行维护，航道维护尺度为100×4.0×1000m（航宽×水深×弯曲半径），配布一类标，根据实地统计，目前每日航经大桥的船舶数量为436艘次（主航道+右汊来船总数），即到2025年航经桥区河段将有各级船舶780艘次。2025～2035年间，预计船舶年增长率平均为3%。即航经桥区河段将有1048艘次各级船舶。至2035年后，预计港口岸线利用率已有90%以上，船舶增长率已放缓，预计平均每年约有1%的增长，至2055年航经桥区船舶将约有1278艘次，2055年至2065年沿岸港口基本饱和，航经桥区的船舶约1311艘次。

综合大桥通航净空尺度和技术要求以及桥梁区域调研的实际情况，针对建设桥梁的通航孔进行桥梁防撞研究，合理确定防抗设计标准、计算参数，通过船桥碰撞的三维有限元数值仿真对桥梁的防撞能力进行研究和评估，在桥梁满足船舶撞击力标准要求的同时，尽量优化防撞结构形式，达到既有效利用资金的同时又能满足实际使用要求的双重效果。

银洲湖大桥采用的大型柔性体系防撞设施结构形式在国内大跨径斜拉桥中尚无先例，因此这对银洲湖大桥设计、施工也提出了更高要求。结合目前国内外相似工程的经验，并且从安全上、经济上以及环境保护上来看，船桥碰撞及桥墩防撞设施研究具有极大的现实意义，故我们有必要针对性的开展相应问题的研究，为银洲湖大桥防撞设施的设计和施工提供指导，确保大桥建设的顺利完成，避免和减少大桥运营过程中病害的发生，减少后期养护和维修的成本。同时通过对上述问题的研究，也是对我国组合梁斜拉桥发展过程中的存在的相关问题进行了补充和发展，为今后类似桥梁的设计与建设提供经验和借鉴。

如图2至图8所示，本发明的桥梁防船撞装置包括通行激光器1、禁行激光器2、常闭的继电器、浮子以及悬挂摆动式波浪能发电装置，其中，

通行激光器1和禁行激光器2均设置在通行区域内，并在桥体3的桥墩和梁体上交替分布，其具体分布形式参考在先专利CN110910676B中公开的激光幕系统，即在通行区域内，在两个桥体3侧面上设置所述禁行激光器2，通过禁行激光器2在垂直船只航行方向的平面上扫射激光形成禁行激光幕；在平行船只航行方向的桥梁本体的桥梁顶面上设置通行激光器1，通过通行激光器1扫射激光形成一部分通行激光幕，在平行船只航行方向的桥梁本体的桥梁侧面上设置通行激光器1，通过通行激光器1扫射激光形成另一部分通行激光幕；禁行激光器2与通行激光器1的激光颜色不相同；控制系统用于控制禁行激光器2、通行激光器1的开启和扫射。在通常状态下，通行激光幕亮起，平行船只航行方向的桥梁顶面的高度为通行区域的最大高度，平行船只航行方向的桥梁侧面之间的宽度为通行区域的最大宽度，在通行区域内的桥梁顶面和桥梁侧面设置通行激光器1，通过通行激光器1在对应表面扫射形成通行激光幕，所形成的通行激光幕在视觉上能够帮助船只在船只通行区域中安全航行；当禁行激光幕亮起时，该通行区域为不可通行或风险通行状态，禁行激光器2在垂直船只航行方向的平面上扫射形成禁行激光幕，所形成的禁行激光幕在视觉上能够警示船只不向船只禁行区域和间隔区域行驶，并且由于禁行激光器2的激光颜色与通行激光器1的激光颜色不相同，船只在航行时能够分辨出船只禁行区域和船只通行区域，避免了船只撞向桥梁的意外发生。

继电器包括与通行激光器1串联而形成通行支路的开关部分4以及、与禁行激光器2串接而形成禁行支路的磁铁部分5。

悬挂摆动式波浪能发电装置包括铰接在连接筋上的摆叶6，摆叶6为从铰接端向自由端逐渐变粗的气囊。摆叶6内同轴安装有串接在进行支路中的常开开关7，常开开关7包括与浮子连接的绝缘的活塞71以及与桥墩弹性连接的绝缘的缸筒，缸筒竖直或在竖向倾斜设置、并且与活塞71滑动密封连接，缸筒上端设有位于活塞71上方的封闭端，封闭端的下端面设有定触点，活塞71的上端面设有动触点，动触点和定触点之间设有水银珠710。缸筒具有与摆叶6的下端通过拉簧70连接在拉杆72以及固定在拉杆72上端的套筒73，活塞71的下端同轴固接有支撑柱74，支撑柱74的下端固定有导向盘75，导向盘75上开设有供拉杆72穿过并滑动配合的导向孔76，导向盘75的边缘固定有空套在套筒73外围的连接套77，连接套77的上端连接有密封穿装摆叶6上端的连接杆78，连接杆78的下段套装有抵顶在连接套77和摆叶6之间的压簧79，连接杆78的上端与浮子连接。

浮子8为蛇形波浪能发电装置，包括浮筒81、发电直筒82和浮子铰链83。其中，浮筒81有两个兵由封闭气囊形成，浮筒81沿轴向从小端向大端逐渐变粗，两浮筒81的大端相向设置。发电直筒82同轴固定在浮筒81内，发电直筒82的两端各自固定有压电陶瓷，发电直筒82内滚动设置有至少两个在轴向依次设置的钢球84。浮子铰链83连接在两浮筒81的大端之间，浮子铰链83包括同轴连接在浮筒81大端的第一万向节和连接在两个第一万向节之间的连接轴，连接轴上活动套装有与活塞71连接的轴套。浮子8作为电源装置，并联接通通行支路和禁行支路。

本发明根据银洲湖特大桥通航环境，来往船只频率大小，以及银洲湖区域及附近水域的石咀、三江口、黄冲和西炮台水文站水位实测资料，银洲湖水域的潮汐属不规则半日潮，日潮不等现象显著，潮流界、潮区界随洪、枯季节及流径、潮流的大小而变化，平均潮差约1.40m，针对不同环境因素对银洲湖特大桥基础的影响，综合考虑进行对大型柔性体系防撞设施的流态体系评估，优化防撞设施的结构设计，以减少防撞设施对周围水流的影响，增加防撞设施的美观、易调整等使用功能。用一种受力合理、安全可靠的防撞结构作为整体防撞设施的主体组成部分。由于在进行大型防撞设施水上水下安装时，防撞设施体量较大，会不可避免的阻碍银洲湖航道，具备较大的安全隐患，同时水上拼装防撞设施拼装持续时间较长，对银洲湖航道的影响较大。故在进行银洲湖特大桥大型防撞设施水上水下安装之前，需进行预拼装模拟试验研究，以便得出最安全、最经济、对航道影响最少的水上拼装施工方案。

Claims (6)

1.桥梁防船撞装置，包括设置在通行区域内的通行激光器，其特征是：还包括：

设置在通行区域内的禁行激光器，禁行激光器与通行激光器交替分布、并且激光颜色不同；以及

常闭的继电器，继电器包括与通行激光器串联而形成通行支路的开关部分以及、与禁行激光器串接而形成禁行支路的磁铁部分；以及

串接在进行支路中的常开开关，常开开关包括与浮子连接的绝缘的活塞以及与桥墩弹性连接的绝缘的缸筒，缸筒竖直或在竖向倾斜设置、并且与活塞滑动密封连接，缸筒上端设有位于活塞上方的封闭端，封闭端的下端面设有定触点，活塞的上端面设有动触点，动触点和定触点之间设有水银珠；以及

通行支路和禁行支路并联连接的电源。

2.根据权利要求1所述的桥梁防船撞装置，其特征是：浮子为筏式和/或蛇形波浪能发电装置。

3.根据权利要求2所述的桥梁防船撞装置，其特征是：浮子为蛇形波浪能发电装置，包括：

两个封闭气囊形成的浮筒，浮筒沿轴向从小端向大端逐渐变粗，两浮筒的大端相向设置；以及

同轴固定在浮筒内的发电直筒，发电直筒的两端各自固定有压电陶瓷，发电直筒内滚动设置有至少两个在轴向依次设置的钢球；以及

连接在两浮筒的大端之间的浮子铰链。

4.根据权利要求3所述的桥梁防船撞装置，其特征是：浮子铰链包括：

同轴连接在浮筒大端的第一万向节；以及

连接在两个第一万向节之间的连接轴，连接轴上活动套装有与活塞连接的轴套。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的桥梁防船撞装置，其特征是：桥墩中预埋固定有位于顶部并从周边露出的连接筋，连接筋露出端上还连接有悬挂摆式波浪能发电装置。

6.根据权利要求5所述的桥梁防船撞装置，其特征是：悬挂摆动式波浪能发电装置包括：

铰接在连接筋上的摆叶，摆叶为从铰接端向自由端逐渐变粗的气囊；以及

所述常开开关同轴安装在摆叶内，缸筒具有与摆叶的下端通过拉簧连接在拉杆以及固定在拉杆上端的套筒，活塞的下端同轴固接有支撑柱，支撑柱的下端固定有导向盘，导向盘上开设有供拉杆穿过并滑动配合的导向孔，导向盘的边缘固定有空套在套筒外围的连接套，连接套的上端连接有密封穿装摆叶上端的连接杆，连接杆的下段套装有抵顶在连接套和摆叶之间的压簧，连接杆的上端与浮子连接。

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