CN114960411A - 一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，属于桥墩防车撞技术领域，包括桥墩墩柱和张拉整体结构防撞护罩，张拉整体结构防撞护罩设置在桥墩墩柱的外侧，当车辆直接撞击在张拉整体结构防撞护罩上时，通过张拉整体结构防撞护罩吸收冲击能量来延长车辆的撞击时间，实现桥梁桥墩防撞与车辆人员安全保障的双向屏障形式，张拉整体结构防撞护罩设置为若干稳态空间结构。张拉整体结构是一种自应力、自平衡结构，对多级三棱柱张拉整体结构施加一定的预应力使其具有刚度，形成一定的结构构型，张拉整体结构能实现较好防撞效果和合理的造价，体现较高综合性，张拉整体结构对于小撞击和大撞击情况的缓冲效果都较好。
Description
技术领域
本发明涉及桥墩防车撞技术领域，尤其涉及一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统。
背景技术
交通运输发展迅速，城市交通立交桥梁、高速路高架桥梁建造数量越来越多。相较于以前，车撞桥墩的事故数量也越来越多。人们也越来越关注桥墩防撞的研究。
桥墩防车撞装置的设计原理一般有两种，首先是刚性装置消耗车辆撞击的能量，而目前大多是弹性材料吸收车辆撞击的能量。针对原理的不同，防撞装置的材料选择出现不同，以至于影响装置的结构形式。
消耗能量原理的装置，材料一般选择刚性材料，例如：钢板等。此时，刚性装置仅仅能保护桥墩，功能性单一。刚性装置受到撞击时，产生变形，消耗掉冲击能量。其过程消耗撞击能量效果显著。此外，刚性装置一般比较笨重，所用材料较多，造价高。桥墩的刚性装置起到了保护桥墩的作用，但是使车辆严重变形、人员受伤严重。
因此，弹性材料受到关注，桥墩防车撞装置的吸收能量原理得以发展。此类装置的外部材料仍采用刚性材料，填充材料一般选择弹性材料，填充整个装置，以达到最大吸能效果，保护桥墩不受损坏。此时，没有考虑造价的因素。针对填充材料数量多、造价高的因素，提出对装置的结构形式进行改进，把装置的全填充材料形式改进为夹芯填充材料形式，降低造价。对于大撞击情况下的吸能以及缓冲效果不够理想。装置的夹芯填充材料形式，每层的材料都相同，整体吸能和缓冲效果不佳。分层逐级填充不同吸能强度的材料解决了这一问题。装置的最外层材料吸能强度最大，其他层材料吸能强度逐级依次递减。但是造价也会因为多种材料的同时使用也相应提高了。
以上两类装置的结构形式都是传统的结构形式，形成防撞效果和造价互相影响的局面，造成装置的综合性不高。随着发展，装置优化的搬运、运输措施是采取装置模块化思想。装置为模块组装形式，首先在工厂制作模块，方便工人搬运、汽车运输，再在安装现场拼装即可。这些措施是基于传统的结构形式而优化的，效果并不明显。搬运和安装时间较长，影响工作效率和交通畅通，张拉整体式结构的可折展性正好可以克服现场安装及运输的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，解决现有桥梁防撞装置防撞效果不好和造价成本高的技术问题。
现有桥墩防车撞装置基于传统的结构形式，只能满足于解决某个方面的问题。随着张拉整体结构的发展，越来越多的研究表明优化设计后的张拉整体式结构不仅具有优越的力学性能和高效的耗能能力，其在其在美观性、易模块化设计及可折展特性也有着突出的表现，但是总体而言张拉整体式结构的应用研究较少，其中应用于桥墩防撞装置仍属于空白领域，本发明正可以补充该领域的空白，具有巨大的市场潜力。
针对目前桥墩防车撞装置的主要问题包括：(1)若使用刚性材料，对于大撞击情况也能提供较好的防撞效果，同时对于车辆和人员的损害较大。(2)若使用弹性材料作为装置的填充材料，缓冲效果好，而且对于车辆以及人员的损害小，但在大撞击情况下，防撞效果不佳。(3)目前桥墩防车撞装置关于优化的搬运、安装方面措施不够简便，不能从结构的根本形式上进行优化。
就以上桥墩防车撞装置的弊端和不足，本发明所提出的一种基于张拉整体结构的桥墩防车撞装置，基于新型空间结构--张拉整体结构设计一种新型的防撞系统，该结构可以有效的接受外荷载冲击作用，利用张拉整体式结构自身的特点，形成吸能护罩，允许产生大变形甚至溃缩，从而吸收大量的冲击能量，实现较好的防撞效果；同时护罩则使用价格低廉且易获取的材料制成，由于吸能护罩的强度和刚度低于车辆，这样也兼顾保护车辆和人员不受损害。此外，张拉整体结构具有多稳态特性，实现装置的折叠、展开，方便搬运以及运输。该装置体现桥墩防车撞装置的更高综合性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，包括桥墩墩柱和张拉整体结构防撞护罩，张拉整体结构防撞护罩设置在桥墩墩柱的外侧，当车辆直接撞击在张拉整体结构防撞护罩上时，通过张拉整体结构防撞护罩吸收冲击能量来延长车辆的撞击时间，实现桥梁桥墩防撞与车辆人员安全保障的双向屏障形式，张拉整体结构防撞护罩设置为若干稳态空间结构，没有施加预应力时，是初始平衡状态，张拉整体结构防撞护罩不具有刚度，当施加预应力之后，张拉整体结构防撞护罩具有相应的刚度，此时，受到车辆的冲击荷载作用时，张拉整体结构防撞护罩结构产生变形，节点发生位移，张拉整体结构防撞护罩变形后仍能保持结构的稳定状态。
进一步地，张拉整体结构防撞护罩包括若干个单级三棱柱张拉整体结构，单级三棱柱张拉整体结构与单级三棱柱张拉整体结构之间首尾连接，单级三棱柱张拉整体结构包括柔性元件和刚性元件，在车辆撞击时，若干个单级三棱柱张拉整体结构受到车辆的冲击荷载，柔性元件和刚性元件分别发生拉伸和压缩，柔性元件和刚性元件连接处的节点产生位移，产生变形，将车辆的冲击能量转化为柔性元件和刚性元件的内能，由于柔性元件和刚性元件的柔性元件性质和空间网状结构的刚性元件特性，在车辆撞击时，车辆的撞击时间延长，使车辆受到的损坏不大，保护车辆和人员。
进一步地，单级三棱柱张拉整体结构包括6根水平索、3根竖向索和3根压杆，其中3根水平索首尾相连接形成上顶面三角形，另外3根水平索首尾相连接形成下底面三角形，3根竖向索连接上顶面三角形和下底面三角形的对应节点，形成三棱柱，三棱柱3个侧面均为四边形，3根压杆设置在三棱柱内部，在三棱柱的3个侧面，每根压杆由一个四边形的左上节点连接到右下节点，3根压杆互不接触设置，桥墩墩柱设置在3根压杆之间。
进一步地，上述方案还包括球形接头，球形接头设置在三棱柱的棱角处，压杆的端部设置在球形接头内，并可转动设置。
进一步地，压杆的端部设置为十字形结构，水平索和竖向索十字形结构均为固定连接，压杆与水平索或者竖向索的角度为60度。
进一步地，水平索和竖向索均是使用钢绞线，压杆使用树脂做成的伸缩杆。
进一步地，张拉整体结构防撞护罩的上顶面的3个节点分别与桥墩铰接，张拉整体结构防撞护罩下底面的3个节点分别与外部平整的混凝土地面固定连接。
进一步地，张拉整体结构防撞护罩的初始预应力为200×106Pa，维持初始结构稳定性，后续通过调整球形接头中的松紧装置改变预应力。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明张拉整体结构是一种自应力、自平衡结构，对多级三棱柱张拉整体结构施加一定的预应力使其具有刚度，形成一定的结构构型，张拉整体结构能实现较好防撞效果和合理的造价，体现较高综合性，张拉整体结构对于小撞击和大撞击情况的缓冲效果都较好，张拉整体结构对车辆没有损坏、对车上人员生命没有影响，张拉整体结构的特性可实现装置的可折展，由于结构构件的柔性元件性质、空间网状结构的刚性元件特性，在车辆撞击时，车辆的撞击时间较大限度的延长，使车辆受到的损坏不大，那么车辆上的人员伤害也不大。
附图说明
图1是本发明防撞系统结构示意图；
图2是图1中A处放大结构示意图；
图3是图2的1-1出剖面结构示意图；
图4是本发明单级三棱柱张拉整体结构意图。
附图中，1-桥墩墩柱，2-张拉整体结构防撞护罩，3-水平索，4-竖向索，5-球形接头，6-压杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1-4所示，一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其中张拉整体结构是多级三棱柱张拉整体结构，图1所示：在桥墩柱外围布设多级由三棱柱张拉整体式结构单元重复布设形成的结构体系。若车辆直接撞击在张拉整体结构上，通过张拉整体结构吸收冲击能量以及延长车辆的撞击时间，可实现桥梁桥墩防撞与车辆人员安全保障的双向屏障形式，达到桥梁桥墩和车辆人员都能保护的目的。
张拉整体结构是多稳态空间结构，没有施加预应力时，是初始平衡状态，不具有刚度。当施加一定的预应力之后，具有相应的刚度，此时，受到车辆的冲击荷载作用时，结构产生大变形，节点发生位移，但是结构变形后仍能保持结构的稳定状态，即形成一个新的稳定构型。
柔性元件和刚性原件是张拉整体结构的构件，在车辆撞击时，多级三棱柱张拉整体结构受到车辆的冲击荷载，柔性拉索和刚性压杆分别发生拉伸和压缩，构件节点产生位移，结构产生大变形，将车辆的冲击能量转化为构件的内能。由于结构构件的柔性元件性质、空间网状结构的刚性元件特性，在车辆撞击时，车辆的撞击时间较大限度的延长，使车辆受到的损坏不大，那么车辆上的人员伤害也不大。
单级三棱柱张拉整体结构包括6根水平索3、3根竖向索4和3根压杆6，其中3根水平索3首尾相连接形成上顶面三角形，另外3根水平索3首尾相连接形成下底面三角形，3根竖向索4连接上顶面三角形和下底面三角形的对应节点，形成三棱柱，三棱柱3个侧面均为四边形，3根压杆6设置在三棱柱内部，在三棱柱的3个侧面，每根压杆6由一个四边形的左上节点连接到右下节点，3根压杆互不接触设置，桥墩墩柱1设置在3根压杆6之间。还包括球形接头5，球形接头5设置在三棱柱的棱角处，压杆6的端部设置在球形接头5内，并可转动设置。
具体单元体系构造如图1中截面1-1图所示，多级三棱柱张拉整体结构有内接圆，内接圆空间为桥墩柱。多级三棱柱张拉整体结构是单极三棱柱张拉整体结构周期性竖向拓扑多层的一个结构。单极三棱柱张拉整体结构有3根压杆、9根索、6个节点，如图2所示。3根索首尾相连接形成上顶面三角形、3根索首尾相连接形成下底面三角形、3根索连接上下两个三角形的对应节点，形成三棱柱。三棱柱3个侧面形成3个四边形。3根压杆位于9根索连接形成的三棱柱内部。在三棱柱的3个侧面，每根压杆由一个四边形的左上节点连接到右下节点，3根压杆互不接触，形成了单极三棱柱张拉整体结构。单极三棱柱张拉整体结构的高度根据实际桥墩的高度计算，得到多级三棱柱张拉整体结构的层数。多级三棱柱张拉整体结构的索的材料选取钢绞线；压杆的材料选取树脂做成的伸缩杆。构件之间通过球形接头连接，其中压杆可以在球形接头中的连接孔内自由转动，压杆端采用‘十’字形结构用于与绳索构件的连接，索则为固定连接，互为角度，角度为60度。
其次，张拉整体结构是一种自应力、自平衡结构，对多级三棱柱张拉整体结构施加一定的预应力使其具有刚度，形成一定的结构构型。其中取其初始预应力为200×106Pa，以维持初始结构稳定性，后续可以通过调整球形接头中的松紧装置改变预应力。
安装该装置时，装置直立，放置在平整的、具有一定厚度的混凝土地面上。结构上顶面的3个节点分别与桥墩相连接，连接方式为铰接点；结构下底面的3个节点分别与平整的混凝土地面相连接，连接方式为固接，如图1所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：包括桥墩墩柱(1)和张拉整体结构防撞护罩(2)，张拉整体结构防撞护罩(2)设置在桥墩墩柱(1)的外侧，当车辆直接撞击在张拉整体结构防撞护罩(2)上时，通过张拉整体结构防撞护罩(2)吸收冲击能量来延长车辆的撞击时间，实现桥梁桥墩防撞与车辆人员安全保障的双向屏障形式，张拉整体结构防撞护罩(2)设置为若干稳态空间结构，没有施加预应力时，是初始平衡状态，张拉整体结构防撞护罩(2)不具有刚度，当施加预应力之后，张拉整体结构防撞护罩(2)具有相应的刚度，此时，受到车辆的冲击荷载作用时，张拉整体结构防撞护罩(2)结构产生变形，节点发生位移，张拉整体结构防撞护罩(2)变形后仍能保持结构的稳定状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：张拉整体结构防撞护罩(2)包括若干个单级三棱柱张拉整体结构，单级三棱柱张拉整体结构与单级三棱柱张拉整体结构之间首尾连接，单级三棱柱张拉整体结构包括柔性元件和刚性元件，在车辆撞击时，若干个单级三棱柱张拉整体结构受到车辆的冲击荷载，柔性元件和刚性元件分别发生拉伸和压缩，柔性元件和刚性元件连接处的节点产生位移，产生变形，将车辆的冲击能量转化为柔性元件和刚性元件的内能，由于柔性元件和刚性元件的柔性元件性质和空间网状结构的刚性元件特性，在车辆撞击时，车辆的撞击时间延长，使车辆受到的损坏不大，保护车辆和人员。
3.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：单级三棱柱张拉整体结构包括6根水平索(3)、3根竖向索(4)和3根压杆(6)，其中3根水平索(3)首尾相连接形成上顶面三角形，另外3根水平索(3)首尾相连接形成下底面三角形，3根竖向索(4)连接上顶面三角形和下底面三角形的对应节点，形成三棱柱，三棱柱3个侧面均为四边形，3根压杆(6)设置在三棱柱内部，在三棱柱的3个侧面，每根压杆(6)由一个四边形的左上节点连接到右下节点，3根压杆互不接触设置，桥墩墩柱(1)设置在3根压杆(6)之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：还包括球形接头(5)，球形接头(5)设置在三棱柱的棱角处，压杆(6)的端部设置在球形接头(5)内，并可转动设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：压杆(6)的端部设置为十字形结构，水平索(3)和竖向索(4)十字形结构均为固定连接，压杆(6)与水平索(3)或者竖向索(4)的角度为60度。
6.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：水平索(3)和竖向索(4)均是使用钢绞线，压杆(6)使用树脂做成的伸缩杆。
7.根据权利要求6所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：张拉整体结构防撞护罩(2)的上顶面的3个节点分别与桥墩铰接，张拉整体结构防撞护罩(2)下底面的3个节点分别与外部平整的混凝土地面固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于张拉整体式结构的桥墩防车撞系统，其特征在于：张拉整体结构防撞护罩(2)的初始预应力为200×106Pa，维持初始结构稳定性，后续通过调整球形接头(5)中的松紧装置改变预应力。
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