CN112695619B - 一种纤维布约束散体与泡沫相结合的双层柔性桥墩防撞装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维布约束散体与泡沫相结合的双层柔性桥墩防撞装置，从内至外依次包括包裹在桥墩外表面的内侧纤维包裹层、中部缓冲吸能泡沫层、外侧柔性纤维散体颗粒迎撞层以及柔性迎撞层端部连接件。本发明将纤维包裹散体颗粒迎撞层在不同撞击力下具有不同变形形式的特性与泡沫材料的柔性缓冲性能相结合，既实现了对车辆和桥梁的双向防护，又实现了对于车辆撞击桥梁的分级防护，即小撞不坏，中撞可修，大撞可换的三水准防撞原则。本发明使用散体颗粒材料为再生建筑废料颗粒，实现了绿色环保、废物利用的目标。

Description

一种纤维布约束散体与泡沫相结合的双层柔性桥墩防撞装置

技术领域

本发明涉及桥墩撞击防护技术领域，具体涉及一种纤维布约束散体与泡沫相结合的双层柔性桥墩防撞装置。

背景技术

随着我国经济腾飞，城市桥梁建设进入飞速发展阶段，且城市区域的桥墩防护多采用外包水泥隔离墩和钢箱等刚性防护措施。市区车速较慢且以中小型车为主，大多数撞击产生的撞击力和撞击能量较小，通过增大桥墩防护结构的刚度虽有利于保护桥墩，但刚性防护设计中未充分考虑撞击对车辆及人员影响。因此，近年对于城区公路桥墩多采用外包柔性三明治多孔防撞牺牲结构的方法，吸收汽车撞击产生的能量，降低撞击产生的撞击力初始峰值，既能避免桥墩遭到严重撞击破坏又能减轻车辆的损伤。柔性三明治结构虽然实现了对车辆和桥墩的双向防护，但遭遇较小撞击力时仍会产生不可修复的损伤，只能频繁更换，消耗大量人力、物力。本发明提出的一种桥墩防撞装置，利用纤维包裹散体颗粒具有易修复性并在不同应力水平下具有不同变形形式及泡沫材料的柔性缓冲特性，既充分考虑了对车辆和桥墩的双向防护，又实现了车辆撞击桥墩的分级防护，即小撞不坏，中撞可修，大撞可换的三水准防撞原则。

发明内容

本发明针对上述存在的因防撞结构刚度过大而极易造成车辆撞击过程中严重损伤和无法对不同撞击力进行分级防护的问题，提出了一种纤维约束散体与泡沫相结合的双层柔性防撞装置。将上述双层柔性防撞装置包裹在桥墩外表面作为牺牲层，在桥墩受到撞击时，该双层柔性防撞装置可以很大程度上吸收耗散撞击能量，降低作用在桥墩和车体上的撞击力初始峰值，延长撞击力持时，实现对车辆和桥墩的双向防护，并且通过该双层柔性防护装置在不同水平撞击力下表现出的不同破坏形式实现对车辆撞击桥墩的分级防护。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种公路桥墩双层防撞装置，包括依次包裹在桥墩外表面的内侧纤维包裹层、中部缓冲吸能泡沫层、外侧柔性迎撞散体颗粒层以及柔性迎撞层端部连接件。

上述方案中，桥墩防护装置，便于其制作、施工和安装，所述内侧纤维包裹层、中部缓冲吸能泡沫层、外侧柔性迎撞散体颗粒层，由内向外逐层施工。首先，将纤维布缠绕包裹在桥墩外侧，然后在外侧支模版灌注泡沫或者将泡沫在工厂预制成半圆形板直接粘接在桥墩上，最后将特制的柔性纤维散体迎撞层在最外层环绕一周，并在端部采用目字带扣连接。该柔性双层结结构可根据桥墩尺寸而选用不同厚度的泡沫层和不同长度的迎撞散体层灵活施工安装，以适用于不同工况。其中上述目字扣由高强度钢材制成。

上述方案中，外侧柔性迎撞散体颗粒层的主要功能是作为弱撞击力耗散层和中等撞击力传递层以及强撞击力的牺牲层。当撞击力较小时，纤维约束散体颗粒层，通过散体颗粒之间的滑移摩擦以及小范围运动，或者少量颗粒的破碎，将撞击能量耗散，防撞装置并无损坏，仍可继续工作。当遭遇中等强度的撞击力时，散体颗粒由于纤维的约束锁紧硬化，将散体颗粒通过摩擦和小范围运动无法耗散的能量，传递到中部的缓冲吸能泡沫层，由泡沫压缩吸能，外部的纤维约束散体颗粒层仍未破坏，只需将压溃的泡沫修复即可继续工作。当遭遇强撞击时，通过纤维约束散体层纤维布的破坏以及散体颗粒的飞散和泡沫吸能层的完全压溃，实现对撞击能量的最大程度的吸收，加上内层纤维包裹对桥墩的强化，可以最大程度降低桥墩损伤，只需对中部缓冲泡沫层和柔性纤维散体颗粒迎撞层进行更换即可。

上述方案中，中部缓冲吸能泡沫层建议采用泡沫混凝土多孔材料。与泡沫铝和聚氨酯泡沫等多孔缓冲材料相比，泡沫混凝土具有易浇筑成型，施工方便，造价低，节能环保等优点。在施工过程中，首先根据工况制作一定密度的泡沫混凝土浆体，然后将其浇筑到桥墩外侧模板内并振捣均匀，经过预定龄期的养护，即可正常工作。若需缩短制作周期，可采用快硬硫铝酸盐水泥来制作泡沫混凝土，实现三小时脱模安装。

上述方案中，纤维约束散体颗粒层所用纤维建议采用玄武岩纤维，相较其他高性能纤维(碳纤维、芳纶纤维、PBO纤维)具有耐高温，耐腐蚀，绿色无污染，价格低廉的优势。

上述方案中，可以通过调整纤维布的厚度、纤维约束散体颗粒的填充密实度、中层缓冲吸能泡沫的密度等参数，实现针对不同工况可采取不同防护结构，使防撞装置既能保证结构的轻量化，降低制造成本，又能表现出良好的抗撞性能。

总体来说本发明具有以下优点：

(1)本发明的采用纤维约束散体颗粒作为柔性迎撞层与一般的只负责荷载传递的刚性面板不同，其利用纤维约束散体不同应力水平下的不同表现，实现较小撞击能量自我耗散，中等撞击能量向内传递，强撞击能量共同承担，进而实现了对车辆撞击桥墩的分级防护。

(2)本防撞装置由内侧纤维包裹层、中部缓冲吸能泡沫层、外侧柔性迎撞纤维散体颗粒层构成，能够做到刚柔并济，既能保证一定的刚度，又具备较好的柔性，实现车辆和桥墩的双向防护。在迎撞层达到一定应力水平时，纤维约束散体迎撞层会锁紧硬化，进入与一般三明治结构相同的工作状态，即迎撞层会吸收一部分能量并将荷载较为均匀的传递到防撞中部的缓冲吸能层，本发明利用了散体独特的力链结构，使撞击力传递面积扩大，让更多的中部缓冲泡沫参与吸能，提高材料利用率。

(3)与传统的桥墩防护装置相比，本防护装置具有施工方便，易于修复更换，吸能效率高等优点。而且纤维所约束颗粒散体材料，可以采用再生混凝土骨料和废弃砖渣颗粒，实现对建筑垃圾废料的再利用，更加绿色环保。

附图说明

图1为本发明的桥墩防撞装置和桥墩结构示意图。

图2为本发明的柔性迎撞散体颗粒层细部放大图。

图3为本发明的桥墩防撞装置和桥墩俯视图。

图4为本发明的桥墩防撞装置连接件大样图。

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为内侧纤维包裹层，3为中部缓冲吸能泡沫层，4为外侧柔性迎撞纤维散体颗粒层，5为柔性迎撞层端部的连接件，41为填充散体砖渣颗粒，42为柔性格构式纤维袋外侧纤维布，43为柔性格构式纤维袋中部纤维布，44为柔性格构式纤维袋内侧纤维布，45为胶结区示例，51为左连接带，52为目字形扣，53为右连接带。

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：

如图1所示，本发明为一种桥墩防撞装置，由2内侧纤维包裹层、3中部缓冲吸能泡沫层、4外侧柔性迎撞纤维散体颗粒层构成。

现针对某直径为1500mm的圆形桥墩作为示例叙述安装步骤。

首先制作纤维包裹层，先将桥墩1500mm高度以下外表面进行表面处理，再在桥墩外表面将玄武岩单向纤维布使用环氧树脂粘接包裹3层，保证粘接平整无气泡。

其次将预制两个厚度为100mm，高度为1500mm，内径为1500mm的泡沫混凝土半圆柱圆柱壳作为3中部缓冲吸能泡沫层粘接在玄武岩单向布外侧。

再次制作柔性格构式纤维布袋，长度为5340mm，高度为1500mm，格构尺寸为50mm×50mm。采用强力胶将42柔性格构式纤维袋外侧纤维布、43柔性格构式纤维袋中部纤维布和44柔性格构式纤维袋内侧纤维布在45胶结区粘结。格构制作完成后，先用纤维布将底端封住，再将41再生砖渣散体颗粒按照0.7密实度装入柔性格构式纤维布袋中，最后用纤维布将上端封住。其中所用再生砖渣粒径范围从0.3mm到4.75mm。

再次将5连接件的51左连接带固定在4柔性格构式纤维散体颗粒迎撞层的一端，53右连接带与52目字扣连接并固定于另一端。

最后将4柔性格构式纤维散体颗粒迎撞层在3中部缓冲泡沫层外侧环绕一周后在端部按图4所示连接形式用连接件连接锁紧。其中连接件在高度方向每隔200mm布置一个。

以上所述结合附图对本发明的实施进行了描述，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 (1)

1.一种纤维布约束散体与泡沫相结合的双层柔性桥墩防撞装置，其特征在于，包括依次包裹在桥墩外表面的内侧纤维包裹层、中部缓冲吸能泡沫层、外侧柔性迎撞纤维散体颗粒层以及柔性迎撞层端部的连接件；

内侧纤维包裹层所用纤维布包括碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或PBO纤维；

中部缓冲泡沫层所用泡沫包括泡沫混凝土多孔材料、泡沫铝、聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫；

外侧柔性迎撞散体颗粒层由柔性格构式纤维布袋填充散体颗粒构成；

柔性格构式纤维布袋所述纤维布缝合，胶粘或采用3D编织技术一次编织成型；

柔性格构式纤维布袋其格构形式包括矩形、三角形或梯形；

柔性格构式纤维布袋中填充散体颗粒包括天然砂石、再生混凝土颗粒或废弃砖渣颗粒。

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