CN114606904B - 一种智能预警防船撞分级缓冲系统及耗能装置设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及桥梁防护领域，公开了一种智能预警防船撞分级缓冲系统及耗能设计方法，它包括桥墩、一级防撞结构以及二级防撞结构，二级防撞结构包覆在桥墩上，桥墩上安装有监测来船的超声波监测器，一级防撞结构包括支架、柔性装甲、水下耗能装置、支撑绳以及拉锚绳，支架固设在桥墩上，支撑绳穿过柔性装甲且其两端均连接有水下耗能装置，柔性装甲位于二级防撞结构的外侧且通过支撑绳紧绷在支架上，拉锚绳的两端分别安装在水下耗能装置与桥墩上。本发明通过设置两级防护，500吨吨位以下船舶撞击可完全由一级防撞结构吸收，500吨吨位以上船舶撞击可通过一级防撞结构耗能，二级防撞环缓冲截停，一级防撞结构易恢复，避免了系统整体损伤。

Description

一种智能预警防船撞分级缓冲系统及耗能装置设计方法
技术领域
本发明涉及桥梁防护领域，特别是一种智能预警防船撞分级缓冲系统。
背景技术
随着国内大型桥梁的兴建，桥梁尤其是桥墩的防船撞问题亟待有效解决，大型桥梁的防护关系到社会公共安全，是民众生命财产安全的保障，传统的桥梁防撞装置常采用桥墩外包箱板式钢结构的形式，或简易拦阻索加耗能器的方式，且鲜有预警功能。
仍存在以下问题：
(1)无监测预警功能的防护装置，灾害信息化控制能力不足，灾害感知不及时。
(2)防护形式单一，对不同吨位船舶采用相同模式拦截，传统装置在中小能级碰撞后船体、防护结构和桥梁的损伤大，防护结构恢复困难，应急防灾韧性较差。
(3)对于单一拦阻索或拦阻索加消能锚的方式，其耗能方式不稳定，由于水下岩土体情况复杂，极易出现不走锚的情况，导致碰撞力过大和装置破坏。
(4)传统耗能器常采用摩擦加塑性变形的方式耗能，不可循环利用，不易恢复。
(5)传统耗能器工作拉力固定，单一耗能器一旦启动后，对不同速度的碰撞均维持在相同工作拉力，不存在自适应特征，导致低速小能级碰撞下内力较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能预警防船撞分级缓冲系统及耗能装置设计方法，以克服现有技术的缺点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种智能预警防船撞分级缓冲系统，包括桥墩、一级防撞结构以及二级防撞结构，所述二级防撞结构包覆在所述桥墩上，位于所述二级防撞结构下方的所述桥墩上安装有超声波监测器，所述一级防撞结构包括支架、柔性装甲、水下耗能装置、支撑绳以及拉锚绳，所述支架固设在所述桥墩上，所述支撑绳穿过所述柔性装甲，且所述支撑绳的两端均安装有所述水下耗能装置，所述柔性装甲位于所述二级防撞结构的外侧且通过所述支撑绳紧绷在所述支架上，所述拉锚绳的两端分别安装在所述水下耗能装置与所述桥墩上。
优选地，所述水下耗能装置包括转轴、变截面传动筒、传动绳以及阻尼叶片，所述转轴通过两根所述拉锚绳与所述桥墩连接，两根所述拉锚绳分别位于所述转轴的两端，所述传动筒套在所述转轴上且可相互转动，所述传动筒上沿其轴心线方向固设有三块耳板，所述传动绳的两端分别与所述传动筒两端的所述耳板连接，所述传动绳的中部与所述支撑绳连接，所述支撑绳上安装有启动环，通过所述启动环将所述支撑绳固定在所述传动筒中部的所述耳板上，所述阻尼叶片固设在所述传动筒上且随所述传动筒做圆周转动。
优选地，所述二级防撞结构包括三个直径不同的圆筒和肋板，所述圆筒同轴心线，相邻所述圆筒通过所述肋板连接，相邻所述圆筒之间的间隙通过所述肋板均分为若干空腔，直径最小的所述圆筒包覆在所述桥墩上。
优选地，所述支架包括若干沿所述桥墩径向设置的钢柱，所述钢柱贯穿所述二级防撞结构，所述钢柱沿竖直方向均分为两组，每组内的所述钢柱均绕所述桥墩的周向均布。
优选地，所述柔性装甲包括若干相互铰接的蜂窝夹层板，所述蜂窝夹层板呈阵列分布，所述蜂窝夹层板的两相对边缘上均设置有吊耳，所述支撑绳穿过对应的所述吊耳，所述蜂窝夹层板内沿竖直方向设置有紧固绳，所述紧固绳的两端分别安装在所述蜂窝夹层板两边的所述支撑绳上。
优选地，所述阻尼叶片为六片，所述阻尼叶片均分为两组，两组所述阻尼叶片分别设置在所述传动筒的两端，每组所述阻尼叶片均绕所述传动筒的周向均布，所述耳板位于两组所述阻尼叶片之间。
优选地，所述钢柱远离所述桥墩的端部呈U形，所述钢柱的U形端部的内壁为弧形凸起，所述U形端部的开口处设置有限位销，所述支撑绳紧绷在所述U形端部的底部。
优选地，还包括水平支撑杆、斜撑杆以及竖撑杆，同一组内的相邻所述钢柱通过所述水平支撑杆连接，同一竖直面内的相邻所述钢柱通过所述竖撑杆连接，所述水平支撑杆上设置有人字撑，所述人字撑的V形开口端固设在所述桥墩上，所述斜撑杆安装在同一竖直面内相邻所述钢柱之间。
一种智能预警防船撞分级缓冲系统的耗能装置的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、阻尼叶片上微元面积dA产生的阻尼力dF和阻尼力矩dT通过下式计算：
Figure GDA0003713470110000021
Figure GDA0003713470110000022
上式中C为阻力系数，根据流固耦合数值模拟分析结果取0.59；ρ为水的密度，取1000kg/m3；ω为阻尼叶片转动角速度；r为微元面积距旋转轴线的距离；dr为微元面积的高度；b为阻尼叶片宽度；
步骤二、该水下耗能装置提供的阻力扭矩T为:
Figure GDA0003713470110000031
上式中r1、r2分别为变截面传动筒的较小外半径和较大外半径，宜取r1＝0.5r2；h为阻尼叶片高度；Fw为水下耗能装置工作拉力；
步骤三、单个水下耗能装置的允许拉伸伸长量△l由下式解得：
Figure GDA0003713470110000032
式中DS为柔性耗能装甲到二级防撞环的净距离，为已知量，DS宜取l/4～l/3；l为一级柔性防护装置的防护长度，也即柔性耗能装甲长度，l宜取2D～3D，D为桥墩宽度或直径；
步骤四、水下耗能装置工作拉力Fw由下式解得：
Figure GDA0003713470110000033
式中ED为单个耗能装置耗散的能量；m、v0为设计防撞的船舶质量及速度；α为水下耗能装置在整个碰撞过程中的耗能占比，宜取0.7～0.8；
步骤五、水下耗能装置中变截面传动筒的较小外半径r1由下式计算：
Figure GDA0003713470110000034
式中t为变截面传动筒的筒壁厚，宜取20～30mm；τ为使用材料的抗剪强度设计值；
步骤六、水下耗能装置上传动绳的单侧缠绕圈数n可由下式计算：
Δl＝πn(r1+r2)
步骤七、阻尼叶片的宽度b和高度h由下式解得：
Figure GDA0003713470110000035
式中，为尽可能获取较大阻尼，且同时考虑常用材料承载强度，可取h＝(6～8)b，其他参数通过前述计算均已知。
本发明具有以下优点：
1、超声波监测器通过发射超声波脉冲和接受反射波来判定正前方来船达到阈值距离时发射信号至桥梁交通信号灯和城市应急指挥中心，实现灾害及时感知，并作为预警，实现灾害预警与防护一体化。
2、通过设置两级防护，分别为一级防撞结构和二级防撞结构，500吨吨位以下船舶撞击可完全由一级防撞结构反转水下耗能装置的传动筒进行吸收；500吨吨位以上船舶撞击可通过一级防撞结构耗能，二级防撞环缓冲截停，且一级防护结构易恢复，避免了系统整体损伤，增强了应急防灾韧性。
3、水下耗能装置碰撞可循环使用且容易恢复，该装置具有随碰撞速度内力自适应的工作特点，解决传统塑性耗能器不可循环使用和工作拉力固定的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图一；
图2为本发明的结构示意图二；
图3为水下耗能装置的结构示意图一；
图4为水下耗能装置的结构示意图二；
图5为二级防撞结构的示意图；
图6为柔性装甲的结构示意图一；
图7为柔性装甲的结构示意图二；
图8为钢柱的U形端部的结构示意图；
图9为超声波监测器的结构示意图；
图中，1-桥墩，2-钢柱，3-柔性装甲，4-水下耗能装置，5-支撑绳，6-拉锚绳，7-超声波监测器，11-圆筒，12-肋板，13-发射单元，14-接收单元，15-控制单元，21-水平支撑杆，22- 斜撑杆，23-人字撑，24-竖撑杆，31-蜂窝夹层板，32-吊耳，33-紧固绳，41-转轴，42-传动筒， 43-传动绳，44-耳板，45-启动环，46-阻尼叶片。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和3所示，一种智能预警防船撞分级缓冲系统，包括桥墩1、一级防撞结构以及二级防撞结构，二级防撞结构包括三个直径不同的圆筒11和肋板12，圆筒11同轴心线，相邻圆筒11通过肋板12连接，相邻圆筒11之间的间隙通过肋板12均分为若干空腔，直径最小的圆筒11包覆在桥墩1上，位于二级防撞结构下方的桥墩1上安装有超声波监测器7(市购产品，由发射单元13、接收单元14以及控制单元15组成，不在此详述)，一级防撞结构包括支架、柔性装甲3、水下耗能装置4、支撑绳5以及拉锚绳6，支架固设在桥墩1上，支撑绳5穿过柔性装甲3，且支撑绳5的两端均安装有水下耗能装置4，柔性装甲3位于二级防撞结构的外侧且通过支撑绳5紧绷在支架上，拉锚绳6的两端分别安装在水下耗能装置4与桥墩1上，超声波监测器通过发射超声波脉冲和接受反射波来判定正前方来船达到阈值距离时发射信号至桥梁交通信号灯和城市应急指挥中心，实现灾害及时感知，并作为预警，实现灾害预警与防护一体化，同时通过设置一级防撞结构和二级防撞结构，500吨吨位以下船舶撞击可完全由一级防撞结构反转水下耗能装置4的传动筒42进行吸收，500吨吨位以上船舶撞击可通过一级防撞结构耗能，二级防撞环缓冲截停。
在本实施例中，如图2所示，水下耗能装置4包括转轴41、橄榄球状的变截面传动筒42、传动绳43以及阻尼叶片46，转轴41通过两根拉锚绳6与桥墩1连接，两根拉锚绳6分别位于转轴41的两端，传动筒42套在转轴41上且可相互转动，传动筒42上沿其轴心线方向固设有三块耳板44，传动绳43的两端分别与传动筒42两端的耳板44连接，传动绳43的中部与支撑绳5连接，支撑绳5上安装有启动环45，通过启动环45将支撑绳5固定在传动筒42 中部的耳板44上，阻尼叶片46为六片，阻尼叶片46均分为两组，两组阻尼叶片46分别设置在传动筒42的两端，每组阻尼叶片46均绕传动筒42的周向均布，耳板44位于两组阻尼叶片46之间，启动环45用于维持初始平衡状态，防止水下耗能装置4过早启动，一旦系统遭受碰撞，启动环45拉脱，耗能器开始工作，变截面传动筒42和传动绳形成传动系统，由于变截面缠绕方式，初始工作力臂较大，能够缓解碰撞瞬时的工作拉力峰值，减小冲击力，碰撞后期由于船速减小导致阻尼叶片46耗能效率降低，于是工作力臂减小，用于补偿耗能效率，碰撞后，复原水下耗能装置4需要缠绕小规格钢丝绳在中间耳板44附近，通过小型船只或卷扬机牵引等简易方式牵引该绳，达到反转变截面传动筒42的目的，使传动绳重新缠绕到变截面传动筒42上，耗能装置可循环利用无耗材。
在本实施例中，如图1所示，支架包括若干沿桥墩1径向设置的钢柱2、水平支撑杆21、竖撑杆24以及斜撑杆22，钢柱2通过预埋在桥墩1上的预埋铰接柱脚连接，钢柱2贯穿二级防撞结构，钢柱2沿竖直方向均分为两组，每组内的钢柱2均绕桥墩1的周向均布，同一组内的相邻钢柱2通过水平支撑杆21连接，同一竖直面内的相邻钢柱2通过竖撑杆24连接，水平支撑杆21上设置有人字撑23，人字撑23的V形开口端固设在桥墩1上，斜撑杆22安装在同一竖直面内的相邻钢柱2之间，支架结构稳定且可承受较大的撞击力。
在本实施例中，如图4和5所示，柔性装甲3包括若干相互铰接的蜂窝夹层板31，蜂窝夹层板31呈阵列分布，蜂窝夹层板31的两相对边缘上均设置有吊耳32，支撑绳5穿过对应的吊耳32，蜂窝夹层板31内沿竖直方向设置有紧固绳33，紧固绳33的两端分别安装在蜂窝夹层板31两边的支撑绳5上，当柔性装甲3发生损坏时，单独更换损坏处的蜂窝夹层板31 即可，不必整体进行更换，降低了维护费用。
在本实施例中，如图1所示，钢柱2远离桥墩1的端部呈U形，钢柱2的U形端部的内壁为弧形凸起，U形端部的开口处设置有限位销，支撑绳5紧绷在U形端部的底部，避免锐边割断支撑绳5，延长了支撑绳5的使用寿命。
一种智能预警防船撞分级缓冲系统的耗能装置的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、阻尼叶片上微元面积dA产生的阻尼力dF和阻尼力矩dT通过下式计算：
Figure GDA0003713470110000061
Figure GDA0003713470110000062
上式中C为阻力系数，根据流固耦合数值模拟分析结果取0.59；ρ为水的密度，取1000kg/m3；ω为阻尼叶片转动角速度；r为微元面积距旋转轴线的距离；dr为微元面积的高度；b为阻尼叶片宽度；
步骤二、该水下耗能装置提供的阻力扭矩T为:
Figure GDA0003713470110000071
上式中r1、r2分别为变截面传动筒的较小外半径和较大外半径，宜取r1＝0.5r2；h为阻尼叶片高度；Fw为水下耗能装置工作拉力；
步骤三、单个水下耗能装置的允许拉伸伸长量△l由下式解得：
Figure GDA0003713470110000072
式中DS为柔性耗能装甲到二级防撞环的净距离，为已知量，DS宜取l/4～l/3；l为一级柔性防护装置的防护长度，也即柔性耗能装甲长度，l宜取2D～3D，D为桥墩宽度或直径；
步骤四、水下耗能装置工作拉力Fw由下式解得：
Figure GDA0003713470110000073
式中ED为单个耗能装置耗散的能量；m、v0为设计防撞的船舶质量及速度；α为水下耗能装置在整个碰撞过程中的耗能占比，宜取0.7～0.8；
步骤五、水下耗能装置中变截面传动筒的较小外半径r1由下式计算：
Figure GDA0003713470110000074
式中t为变截面传动筒的筒壁厚，宜取20～30mm；τ为使用材料的抗剪强度设计值；
步骤六、水下耗能装置上传动绳的单侧缠绕圈数n可由下式计算：
Δl＝πn(r1+r2)
步骤七、阻尼叶片的宽度b和高度h由下式解得：
Figure GDA0003713470110000075
式中，为尽可能获取较大阻尼，且同时考虑常用材料承载强度，可取h＝(6～8)b，其他参数通过前述计算均已知。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (8)

1.一种智能预警防船撞分级缓冲系统，包括桥墩(1)、一级防撞结构以及二级防撞结构，所述二级防撞结构包覆在所述桥墩(1)上，位于所述二级防撞结构下方的所述桥墩(1)上安装有超声波监测器(7)，其特征在于：所述一级防撞结构包括支架、柔性装甲(3)、水下耗能装置(4)、支撑绳(5)以及拉锚绳(6)，所述支架固设在所述桥墩(1)上，所述支撑绳(5)穿过所述柔性装甲(3)，且所述支撑绳(5)的两端均安装有所述水下耗能装置(4)，所述柔性装甲(3)位于所述二级防撞结构的外侧且通过所述支撑绳(5)紧绷在所述支架上，所述拉锚绳(6)的两端分别安装在所述水下耗能装置(4)与所述桥墩(1)上，所述水下耗能装置(4)包括转轴(41)、变截面传动筒(42)、传动绳(43)以及阻尼叶片(46)，所述变截面传动筒(42)呈橄榄球状，所述转轴(41)通过两根所述拉锚绳(6)与所述桥墩(1)连接，两根所述拉锚绳(6)分别位于所述转轴(41)的两端，所述传动筒(42)套在所述转轴(41)上且可相互转动，所述传动筒(42)上沿其轴心线方向固设有三块耳板(44)，所述传动绳(43)的两端分别与所述传动筒(42)两端的所述耳板(44)连接，所述传动绳(43)的中部与所述支撑绳(5)连接，所述支撑绳(5)上安装有启动环(45)，通过所述启动环(45)将所述支撑绳(5)固定在所述传动筒(42)中部的所述耳板(44)上，所述阻尼叶片(46)固设在所述传动筒(42)上且随所述传动筒(42)做圆周转动。
2.根据权利要求1所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：所述二级防撞结构包括三个直径不同的圆筒(11)和肋板(12)，所述圆筒(11)同轴心线，相邻所述圆筒(11)通过所述肋板(12)连接，相邻所述圆筒(11)之间的间隙通过所述肋板(12)均分为若干空腔，直径最小的所述圆筒(11)包覆在所述桥墩(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：所述支架包括若干沿所述桥墩(1)径向设置的钢柱(2)，所述钢柱(2)贯穿所述二级防撞结构，所述钢柱(2)沿竖直方向均分为两组，每组内的所述钢柱(2)均绕所述桥墩(1)的周向均布。
4.根据权利要求1所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：所述柔性装甲(3)包括若干相互铰接的蜂窝夹层板(31)，所述蜂窝夹层板(31)呈阵列分布，所述蜂窝夹层板(31)的两相对边缘上均设置有吊耳(32)，所述支撑绳(5)穿过对应的所述吊耳(32)，所述蜂窝夹层板(31)内沿竖直方向设置有紧固绳(33)，所述紧固绳(33)的两端分别安装在所述蜂窝夹层板(31)两边的所述支撑绳(5)上。
5.根据权利要求1所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：所述阻尼叶片(46)为六片，所述阻尼叶片(46)均分为两组，两组所述阻尼叶片(46)分别设置在所述传动筒(42)的两端，每组所述阻尼叶片(46)均绕所述传动筒(42)的周向均布，所述耳板(44)位于两组所述阻尼叶片(46)之间。
6.根据权利要求3所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：所述钢柱(2)远离所述桥墩(1)的端部呈U形，所述钢柱(2)的U形端部的内壁为弧形凸起，所述U形端部的开口处设置有限位销，所述支撑绳(5)紧绷在所述U形端部的底部。
7.根据权利要求3所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统，其特征在于：还包括水平支撑杆(21)、斜撑杆(22)以及竖撑杆(24)，同一组内的相邻所述钢柱(2)通过所述水平支撑杆(21)连接，同一竖直面内的相邻所述钢柱(2)通过所述竖撑杆(24)连接，所述水平支撑杆(21)上设置有人字撑(23)，所述人字撑(23)的V形开口端固设在所述桥墩(1)上，所述斜撑杆(22)安装在同一竖直面内相邻所述钢柱(2)之间。
8.如权利要求1所述的一种智能预警防船撞分级缓冲系统的水下耗能装置的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、阻尼叶片上微元面积dA产生的阻尼力dF和阻尼力矩dT通过下式计算：
Figure FDA0003713470100000021
Figure FDA0003713470100000022
上式中C为阻力系数，根据流固耦合数值模拟分析结果取0.59；ρ为水的密度，取1000kg/m3；ω为阻尼叶片转动角速度；r为微元面积距旋转轴线的距离；dr为微元面积的高度；b为阻尼叶片宽度；
步骤二、该水下耗能装置提供的阻力扭矩T为：
Figure FDA0003713470100000023
上式中r1、r2分别为变截面传动筒的较小外半径和较大外半径，宜取r1＝0.5r2；h为阻尼叶片高度；Fw为水下耗能装置工作拉力；
步骤三、单个水下耗能装置的允许拉伸伸长量△l由下式解得：
Figure FDA0003713470100000024
式中DS为柔性耗能装甲到二级防撞环的净距离，为已知量，DS宜取l/4～l/3；l为一级柔性防护装置的防护长度，也即柔性耗能装甲长度，l宜取2D～3D，D为桥墩宽度或直径；
步骤四、水下耗能装置工作拉力Fw由下式解得：
Figure FDA0003713470100000031
式中ED为单个耗能装置耗散的能量；m、v0为设计防撞的船舶质量及速度；α为水下耗能装置在整个碰撞过程中的耗能占比，宜取0.7～0.8；
步骤五、水下耗能装置中变截面传动筒的较小外半径r1由下式计算：
Figure FDA0003713470100000032
式中t为变截面传动筒的筒壁厚，宜取20～30mm；τ为使用材料的抗剪强度设计值；
步骤六、水下耗能装置上传动绳的单侧缠绕圈数n可由下式计算：
Δl＝πn(r1+r2)
步骤七、阻尼叶片的宽度b和高度h由下式解得：
Figure FDA0003713470100000033
式中，为尽可能获取较大阻尼，且同时考虑常用材料承载强度，可取h＝(6～8)b，其他参数通过前述计算均已知。
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