CN112790132A - 组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁、控制方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于人工鱼礁技术领域，公开了一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁、控制方法及应用，主横杆左右两侧以及中央部位设置有开槽，两侧开槽卡接有竖转杆；两侧开槽与圆柱体相切，圆柱体周围安装有卡块，主横杆通过凹凸咬合槽与次横杆连接；主横杆、竖转杆和次横杆设置有GFRP筋，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，卡块及插销均为玻璃纤维复合板。本发明由多根小尺寸杆件组装成大空方的空间体，可在工厂预制杆件后运输至相关海域现场进行组装投放，其运输及投放成本降低；具有更好的耐久性性能，能够增加人工鱼礁的使用寿命。本发明与现有技术相比，在成本、耐久性、灵活性以及集鱼能力等方面都有很大的优势。
Description
技术领域
本发明属于人工鱼礁技术领域，尤其涉及一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁、控制方法及应用。
背景技术
目前，中国海域辽阔，有众多岛屿岛礁，具有良好的天然海域生态环境条件和丰富的水生生物资源。但随我国人口大幅的增长，经济社会高速发展，受环境污染、工程建设以及过度捕捞，使我国近海渔业资源严重衰退、水域生态环境日益恶化、水域荒漠化日趋明显，严重影响了我国海洋生物资源的可持续利用。国务院和农业部先后发布各类人工鱼礁、海洋牧场政策，以保护我国近海海域环境，为渔业发展开辟一条新的方向，推动海洋资源可持续发展。
现阶段应用相对较多的是钢筋混凝土现浇式人工鱼礁，因混凝土礁体比铁制礁体上附着生物量高，具有较好的生物附着效果，且相对于废弃汽车、船只、轮胎等，混凝土鱼礁的污染相对较小。但是现浇式钢筋混凝土人工鱼礁体型大，运输效率低、费用高，且钢筋在海水环境下存在严重的腐蚀问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现浇式钢筋混凝土人工鱼礁体型大，运输效率低、费用高，且钢筋在海水环境下存在严重的腐蚀问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：第一，人工鱼礁的流场效应取决于礁体高度与水深的比值，比值小效果不明显，故而鱼礁体型均较大；而现浇式混凝土人工鱼礁无法拆装，使得大体型的鱼礁只能整体运输，其运输效率低、运输费用高，更有甚者，人工鱼礁的运输费还要高于其材料费。第二，钢筋混凝土材料在海洋环境中的耐腐蚀性较差，而工程上一般采用增大钢筋外侧的混凝土保护层厚度的方法来增强其耐腐蚀性，在不改变其体型的情况下就必然会增大混凝土构件的截面面积，从而导致其重量增大、成本增加。
解决以上问题及缺陷的意义为：将体型大的人工鱼礁分解为可组装的杆件，可在工厂预制，然后运输到目的地再进行组装投入海域内，更加方便，节省运输成本，也更加安全；采用玻璃纤维筋材料，从源头增强了人工鱼礁的耐腐蚀性，并且玻璃纤维筋质量轻、价格低，又进一步节省了成本。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁、控制方法及应用。本发明在鲁班锁的基础上，采用一定的制作与拼接方法，利用凹凸咬合的方式将12根杆件拼装成立体结构，其运输效率大大提高，组合拼装也相对便捷简单；采用玻璃纤维筋代替钢筋作为主要受力材料，其海洋环境下的耐久性能得到提升。
本发明是这样实现的，一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁设置有主横杆；主横杆左右两侧设置有开槽，开槽卡接有竖转杆；开槽与圆柱体相切，圆柱体周围安装有卡块，主横杆通过凹凸咬合槽与次横杆连接。
进一步，所述主横杆、竖转杆和次横杆设置有GFRP筋，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，卡块及插销均为玻璃纤维复合板。
进一步，所述主横杆上的第一卡槽与第二卡槽大小相等形状相同，处于同一水平线，第二卡槽朝向开槽部位有侧面开口。
进一步，所述主横杆与次横杆造型相同，开槽部位距离端部至少300mm。
进一步，所述竖转杆开槽部位开槽后为圆柱体。
进一步，所述卡块为棱柱体中央挖去内切圆柱体后的部分的四分之一。
进一步，所述主横杆靠近开槽位置的两侧设置有第一卡槽和第二卡槽，第一卡槽和第二卡槽嵌入有插销，并通过环保速凝胶进行化学胶合连接。
本发明的另一目的在于提供一种所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的控制方法，所述控制方法包括：下层拼装时，以主横杆为拼接骨架，竖转杆为受力主体；首先，利用支架固定好下层的一根主横杆，A面朝上，B面正对操作者；然后立起一根竖转杆，使其E面正对操作者，F面朝右并推入主横杆最左侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最左侧开槽部位相切，再立起一根竖转杆，使其F面正对操作者，G面朝右并推入主横杆最右侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最右侧开槽部位相切；待竖转杆就位之后将卡块安装在圆柱体周围，组成一个棱柱体；然后，重复上述操作对称进行另一侧主横杆与竖转杆的拼装，其中特别注意调整两根主横杆之间的距离；接下来吊装下层第一根次横杆置于左侧，C面朝上，B面正对操作者，根据凹凸咬合的特点将其连接到主横杆上，重复上述安装第二根次横杆置于右侧，如此下层基本拼装完成；
上层结构可重复操作亦或根据构件特点、支架形式灵活拼装，12根杆件就位之后，将正对且靠近操作者左侧竖转杆顺时针旋转90度，正对且靠近操作者右侧竖转杆逆时针旋转90度，以此类推进行余下操作，待所有竖转杆就位之后将所有插销嵌入第一卡槽、第二卡槽中，如此便完成整个新型组合式GFRP筋增强混凝土人工鱼礁的拼装。
本发明的另一目的在于提供一种改善沿海水域的生态环境的方法，所述改善沿海水域的生态环境的方法使用所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁。
本发明的另一目的在于提供一种鱼类和虾类的养殖方法，所述鱼类和虾类的养殖方法使用所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，为鱼、虾类聚集、栖息、生长和繁殖创造条件。
本发明的另一目的在于提供一种促进水产资源增殖的方法，所述促进水产资源增殖的方法使用所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，作为水下障碍物，限制渔具在禁渔区内作业，促进水产资源的增殖。
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：本发明中主横杆、竖转杆和次横杆设置有GFRP筋，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，卡块及插销均为玻璃纤维复合板，可有效避免筋材锈蚀问题，人工鱼礁耐久性提高。本发明中主横杆与次横杆造型相同，开槽部位距离端部至少300mm，便于进行组装；同时竖转杆中间部位不开槽，两端相应开槽部位开槽后为圆柱体，其圆截面直径与主、次横杆开槽深度有关，其长度与主横杆截面高度相等。
本发明中卡块为立方体块中央挖去内切圆柱体后的部分的四分之一，其与竖转杆两侧开槽后的圆柱体相契合，因而4只卡块组合一起使用，用于组装时填充竖转杆与主横杆、次横杆之间的空隙，使竖转杆与其它构件更好地接触而又不影响其组合过程的旋转。本发明中主横杆靠近开槽位置两侧设置有第一卡槽和第二卡槽，第一卡槽和第二卡槽嵌入有插销，并通过环保速凝胶进行化学胶合连接，用以阻止竖转杆组装完成后的不利转动。
本发明通过结合鲁班锁卯榫结构的特点，仅仅靠构件间凹凸部分相互咬合将12根杆件拼装成“带脚立方体”人工鱼礁，多出的“脚”能够防止人工鱼礁的主体沉入到海底的泥沙之中。将人工鱼礁的构件运输到目的地再进行组装投入到海域，拼装操作简单、快捷，无需养护固化，能有效减少其运输过程中的空间占用，节省运输费用和投放成本；其灵活性非常强，可以通过生产不同长度的竖转杆来改变这种新型组合式GFRP筋增强混凝土人工鱼礁的高度以及对竖转杆、主横杆和次横杆选取不同的开槽位置来改变人工鱼礁“脚”的长度及鱼礁的开口比。
本发明的新型组合式GFRP筋增强混凝土人工鱼礁由多根小尺寸杆件组装成大空方的空间体，可在工厂预制杆件后运输至相关海域现场进行组装投放，其运输及投放成本降低；相比钢筋材料，所用GFRP筋具有更好的耐久性性能，能够增加人工鱼礁的使用寿命；鱼礁底座伸出的“脚”能够嵌入海底泥沙增强稳定性；通过杆件开槽位置的不同来灵活改变礁体的造型，从而获得不同的流场效应；与现有技术相比，在成本、耐久性、灵活性以及集鱼能力等方面都有很大的优势。
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组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁结构示意图。
图2是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁安装结构示意图。
图3是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的主横杆与竖转杆三视图。
图4是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的主横杆、次横杆以及竖转杆截面定义示意图。
图5是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的M位置处的放大图。
图6是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的主横杆配筋示意图。
图7是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的竖转杆配筋示意图。
图8是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁拓展应用模型一的结构示意图。
图9是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁拓展应用模型二的结构示意图。
图10是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁拓展应用模型三的结构示意图。
图11是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁拓展应用模型四的结构示意图。
图12是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的abaqus仿真模拟重力荷载下的应力云图。
图13是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的abaqus仿真模拟投放冲击时的应力云图。
图14是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的abaqus仿真模拟投放冲击时提取的竖转杆底部单元节点力-时间曲线图。
图15是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的内力简化计算示意图以及弯矩、剪力表。
图16是本发明实施例提供的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的稳定性简化计算示意图以及抗滑移安全系数、抗倾覆安全系数表。
图中：1、主横杆；2、竖转杆；3、竖转杆开槽部位的圆柱体；4、卡块；5、次横杆；6、插销；7、第一卡槽；8、第二卡槽。
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，本发明提供了一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图7所示，本发明实施例提供的新型组合式筋增强混凝土人工鱼礁包括：主横杆1、竖转杆2、卡块4、次横杆5、插销6。单个人工鱼礁礁体由12根杆(主横杆1、竖转杆2、次横杆5三种杆件分别4根)、32只卡块4、16根插销6组成，礁体前后对称、左右对称，上下不对称。所有杆件均由混凝土和GFRP筋组成，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，卡块及插销均为耐腐蚀的玻璃纤维复合材料板材制成，拥有一定的抗剪切能力。
主横杆1左右两侧以及中央部位设置有开槽，两侧开槽卡接有竖转杆2，开槽与竖转杆开槽部位的圆柱体3相切，竖转杆开槽部位的圆柱体3周围安装有卡块4；主横杆1通过凹凸咬合槽与次横杆5连接；开槽内部设置有第一卡槽7和第二卡槽8，第一卡槽7和第二卡槽8嵌入有插销6。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
主横杆1为棱柱体切割而成，其左右对称，现以左侧为例进行说明。主横杆1长为L1、宽为b、高为h，其中a、c部分的长度不小于300mm和L1/10，主横杆1与次横杆5的尺寸相同，为了便于组装与描述，在此长与宽也相同；第一卡槽7设置在a部分最右侧中央，其长与宽为a/15，深度为h/5；第二卡槽8设置在c部分最左侧中央，其尺寸与第一卡槽7相同，但第二卡槽8左侧因b部分切割而为开口。次横杆5与主横杆1造型相同，不同的是次横杆5的a、c部分未设有卡槽。主横杆1上的第一卡槽7与第二卡槽8大小相等形状相同，处于同一水平线，不同之处在于第二卡槽8朝向开槽部位有侧面开口。
竖转杆2为棱柱体切割而成，其左右对称，截面与主横杆1相同，仅b部分进行开槽，a、c部分的长度不小于300mm和L2/10，圆柱体3的圆截面直径2R与主、次横杆的开槽深度有关，其长度与主横杆截面高度h相等。
主横杆1与次横杆5的配筋相同，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，现以主横杆1为例进行说明。全截面时，1、2、3、4、6、7、8号GFRP筋发挥作用；1/2截面时，2、3、4、5、6号GFRP筋发挥作用；1/4截面时，4、5、6、7号GFRP筋发挥作用；其中只有4、6、7号GFRP筋是连通的，其余GFRP筋为分段式布置；1、8号GFRP筋在b、d部分截断，2、3号GFRP筋在靠近c段的b/2部分与d部分截断，5号GFRP筋伸入a部分不小于100mm。
主横杆1、次横杆5造型相同，开槽部位距离端部至少300mm，竖转杆2开槽部位开槽后为圆柱体3，其圆截面直径与主、次横杆开槽深度有关，其长度与主横杆1截面高度相等。
竖转杆2的GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，全截面时，1、2、3号GFRP筋发挥作用；圆截面时，2号GFRP筋发挥作用；其中只有2号GFRP筋是连通的，其余1、3号GFRP筋为分段式布置，在b部分截断。竖转杆的e部分内侧可根据情况设置标准预埋件，采用螺栓安装不同形式的非承重附属板材来改变人工鱼礁的开口比，以获得更好的流场效应、集鱼效果，如图8-图11，给出4种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁拓展应用模型。
卡块4为棱柱体中央挖去内切圆柱体后的部分的四分之一，用于组装时填充竖转杆2与主横杆1、次横杆5之间的空隙，使竖转杆2与其它构件更好地接触而又不影响其组合过程的旋转。卡块4采用耐腐蚀的玻璃纤维复合材料制作而成，从力学角度而言，它是没有作用的，因为圆柱体3在理论上仅仅是与主、次横杆两侧开槽部分四面相切，与卡块4没有力学上的接触，但卡块4的存在有利于缓解施工误差(无法完全相切)以及加强连接节点的整体性。
插销6采用耐腐蚀的玻璃纤维复合材料制作而成，其与主横杆1上的第一卡槽7、第二卡槽8相对应，在此为正截面棱柱体状，其截面边长为a/15，长度为h/3，但可以根据设计需要制作成相应的几何体。插销6与第一卡槽7与第二卡槽8镶嵌连接，其截面需要打磨处理来增大截面摩擦力并使用环保速凝胶进行化学胶合连接。理论上而言，竖转杆2在没有插销6的情况下是可以进行任意角度的旋转；而实际情况中，12根杆件拼装完成之后，在重力与摩檫力作用之下以及制作、安装等造成的误差而导致杆件之间的微小错位，会使得竖转杆2很难再发生旋转，插销6的存在进一步降低竖转杆2发生不利旋转的概率。
本发明的工作原理为：下层拼装时，以主横杆为拼接骨架，竖转杆为受力主体；首先，利用支架固定好下层的一根主横杆，A面朝上，B面正对操作者；然后立起一根竖转杆，使其E面正对操作者，F面朝右并推入主横杆最左侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最左侧开槽部位相切，再立起一根竖转杆，使其F面正对操作者，G面朝右并推入主横杆最右侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最右侧开槽部位相切；待竖转杆就位之后将卡块安装在圆柱体周围，组成一个棱柱体；然后，重复上述操作对称进行另一侧主横杆与竖转杆的拼装，其中特别注意调整两根主横杆之间的距离；接下来吊装下层第一根次横杆置于左侧，C面朝上，B面正对操作者，根据凹凸咬合的特点将其连接到主横杆上，重复上述安装第二根次横杆置于右侧，如此下层基本拼装完成；上层结构可重复操作亦或根据构件特点、支架形式灵活拼装，12根杆件就位之后，将正对且靠近操作者左侧竖转杆顺时针旋转90度，正对且靠近操作者右侧竖转杆逆时针旋转90度，以此类推进行余下操作，待所有竖转杆就位之后将所有插销嵌入第一卡槽、第二卡槽中，如此便完成整个新型组合式GFRP筋增强混凝土人工鱼礁的拼装。
为了进一步优化方案，采用abaqus软件对组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁进行了模拟，得到了该组合式人工鱼礁在重力荷载下整体模型和落地冲击荷载下1/4模型的受力特点，其应力云图如图12、图13所示，其中底部的冲击力与时间关系曲线如图14所示。
在截面设计时对其薄弱位置进行了加强，满足了人工鱼礁在抗冲击、抗滑移、抗倾覆等稳定性方面的要求。本文人工鱼礁的内力分析采用平面简化，计算的其不同外伸比k情况下的弯矩M和剪力V的分布，如图15所示；计算不同外伸比k情况下的抗滑移和抗倾覆安全系数，如图16所示。
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)
1.一种组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁设置有：
主横杆；
主横杆左右两侧设置有开槽，开槽卡接有竖转杆；
开槽与圆柱体相切，圆柱体周围安装有卡块，主横杆通过凹凸咬合槽与次横杆连接。
2.如权利要求1所述的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述主横杆、竖转杆和次横杆设置有GFRP筋，GFRP筋外部拥有至少15mm的混凝土保护层，卡块及插销均为玻璃纤维复合板。
3.如权利要求1所述的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述主横杆上的靠近开槽处两侧设有第一卡槽与第二卡槽，两者大小相等形状相同，处于同一水平线，第二卡槽朝向开槽部位有侧面开口；第一卡槽和第二卡槽嵌入有插销，并通过环保速凝胶进行化学胶合连接。
4.如权利要求1所述的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述主横杆与次横杆造型相同，开槽部位距离端部至少300mm。
5.如权利要求1所述的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述竖转杆开槽部位开槽后为圆柱体。
6.如权利要求1所述的组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，其特征在于，所述卡块为棱柱体中央挖去内切圆柱体后部分的四分之一。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：下层拼装时，以主横杆为拼接骨架，竖转杆为受力主体；首先，利用支架固定好下层的一根主横杆，A面朝上，B面正对操作者；然后立起一根竖转杆，使其E面正对操作者，F面朝右并推入主横杆最左侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最左侧开槽部位相切，再立起一根竖转杆，使其F面正对操作者，G面朝右并推入主横杆最右侧开槽部位，使圆柱体与主横杆最右侧开槽部位相切；待竖转杆就位之后将卡块安装在圆柱体周围，组成一个棱柱体；然后，重复上述操作对称进行另一侧主横杆与竖转杆的拼装，其中特别注意调整两根主横杆之间的距离；接下来吊装下层第一根次横杆置于左侧，C面朝上，B面正对操作者，根据凹凸咬合的特点将其连接到主横杆上，重复上述安装第二根次横杆置于右侧，如此下层基本拼装完成；
上层结构可重复操作亦或根据构件特点、支架形式灵活拼装，12根杆件就位之后，将正对且靠近操作者左侧竖转杆顺时针旋转90度，正对且靠近操作者右侧竖转杆逆时针旋转90度，以此类推进行余下操作，待所有竖转杆就位之后将所有插销嵌入第一卡槽、第二卡槽中，如此便完成整个新型组合式GFRP筋增强混凝土人工鱼礁的拼装。
8.一种改善沿海水域的生态环境的方法，其特征在于，所述改善沿海水域的生态环境的方法使用权利要求1～6任意一项所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁。
9.一种鱼类和虾类的养殖方法，其特征在于，所述鱼类和虾类的养殖方法使用权利要求1～6任意一项所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，为鱼、虾类聚集、栖息、生长和繁殖创造条件。
10.一种促进水产资源增殖的方法，其特征在于，所述促进水产资源增殖的方法使用权利要求1～6任意一项所述组合式玻璃纤维筋增强混凝土人工鱼礁，作为水下障碍物，限制渔具在禁渔区内作业，促进水产资源的增殖。
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