CN220266281U - 一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，箱桥梁包括支座、盖梁和箱梁，支座固定在盖梁上，箱梁固定在支座上；保护装置包括减小波流力的导流件、钢索和锚具，导流件的一侧和盖梁固定连接；锚具的数量为两个，两个锚具分别与导流件的顶部和箱梁的顶部固定连接，钢索的两端分别与两个锚具连接。本实用新型通过在沿海箱梁桥设置保护装置，从而减小极端波浪对箱梁桥的波流力、增加竖向被动约束提高了箱梁在极端波浪作用下的抵抗破坏的能力，有效地保证了沿海桥梁正常运营，属于桥梁工程技术领域。

Description

一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置

技术领域

本实用新型涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置。

背景技术

随着经济发展和交通建设技术水平的提高，我国的沿海区域修建了许多近海及跨海桥梁。一般而言，跨海桥梁上部结构的净空高度较大，在使用期间不会受到波浪作用，但海上桥梁与陆地的连接部分高程较低，净空较小。由于这些跨海箱梁桥的特殊地理位置，可能直接或间接地受到海啸、飓风等极端海洋动力环境引起的波浪作用，这些作用会导致海洋水平面上升，从而桥梁上部结构与水面净空减小，且波浪高度进一步增大，并作用到桥梁上。这类极端波浪作用可能导致桥梁结构发生破坏，造成严重的、不可挽回的损失。目前的大量研究已表明在极端波浪作用下沿海桥梁上部结构的主要破坏形式为移位和倾覆，第一类破坏的主要原因是向上的竖向波浪力的隆升作用降低了水平方向上由支座提供的摩擦力，此时波浪的水平作用导致桥梁上部结构发生移位；第二类破坏的主要原因是桥梁上部结构与下部结构之间缺少有效的竖向约束，导致波浪作用在上翼缘底部的竖向力与浮力的合力矩突破箱梁自重的力矩从而导致桥梁上部结构发生倾覆。目前，如何提高箱梁在极端波浪作用下抵抗破坏的能力，对于沿海桥梁的正常运营至关重要。

如现有专利CN113668357A一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置，其公开了一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置，解决跨海箱型梁桥结构在极端波浪作用期间极易受到破坏的问题。但是该专利的方案中存在以下缺陷：

1.该专利方案从补强支座连接能力出发，但易受海洋环境极端波浪影响能力变化的影响从而达不到预期效果；

2.混凝土挡块部分与V型钢板贴合部分易在波浪冲击作用中松动从而不能很好地达到补强连接能力的效果。

综上，现有专利的减灾连接件装置在面对极端波浪作用下，对于减小极端波浪对箱梁桥的波流力以及增加竖向被动约束的作用较小，效果较弱。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，解决了现有跨海箱型梁桥的减灾连接件装置在面对极端波浪作用下，对于减小极端波浪对箱梁桥的波流力以及增加竖向被动约束的作用较小，效果较弱的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，箱桥梁包括支座、盖梁和箱梁，支座固定在盖梁上，箱梁固定在支座上；保护装置包括减小波流力的导流件、钢索和锚具，导流件的一侧和盖梁固定连接；锚具的数量为两个，两个锚具分别与导流件的顶部和箱梁的顶部固定连接，钢索的两端分别与两个锚具连接。

作为一种优选，导流件为三棱柱结构，导流件的横截面为等腰三角形，导流件的一个侧面与盖梁固定连接，导流件的两端延伸方向与盖梁的延伸方向一致。

作为一种优选，与盖梁固定连接的导流件的一个侧面为连接面，连接面的底部边沿与盖梁的底部边沿齐平，连接面的顶部高于盖梁的顶部。

作为一种优选，连接面的宽度L_Y为盖梁高度的2倍，以连接面为等腰三角形的底面，连接面到另外两个侧面连接处的垂直距离为导流件的高L_X，导流件的高L_X等于箱梁顶部平面的宽度减去盖梁的宽度。

作为一种优选，钢索的直径D为8-10mm，钢索与竖直平面的夹角α为5-10°，箱梁的高度为H，钢索的长度L_S＝1.1*H*secα。

作为一种优选，保护装置的数量为盖梁数量的2倍，每一个盖梁的两侧分别和两个保护装置的导流件固定连接。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型设计理念清晰、易于实现，建立在原有的沿海箱梁桥结构基础上，通过增设导流件从而减小极端波浪对箱梁桥的波流力、增加竖向被动约束提高了箱梁在极端波浪作用下的抵抗破坏的能力，有效地保证了沿海桥梁正常运营，其中导流件的尺寸参数能够根据沿海箱梁桥址区的极端波浪参数进行设计调整，高强度钢索的直径和数量也能根据波浪模拟中波浪力的水平力、竖向力峰值进行设计调整。

2.本实用新型所提供沿波浪传播方向的导流件导流措施，相当于为原本暴露在极端入射波浪环境下的箱梁在桥墩位置处设置缓冲，不仅对提高波浪冲击作用下支座的生存几率，而且减弱了波浪对箱梁的直接冲击作用，从而有效地提高了箱梁在极端波浪作用下的抗破坏能力。

3.本实用新型所提供设置的高强度钢索，为沿海箱梁桥提供了被动的竖向约束，同时由于其钢索特性以及设置的小倾角为箱梁原有的支座水平变形提供了富余的位移空间；

4.本实用新型通过在盖梁两侧都设置保护装置，以经济高效的方式有效地提高了箱梁在极端波浪作用下的生存能力。

5.相对于现有专利方案从补强支座连接能力出发，易受海洋环境极端波浪影响能力变化的影响从而达不到预期效果，本实用新型补充了导流措施，可以有效地减少直接作用在上部结构(箱梁)的波浪冲击。

6.相对于现有专利方案的混凝土挡块部分与V型钢板贴合部分易在波浪冲击作用中松动从而不能很好地达到补强连接能力的效果，本实用新型用高强度钢索配合导流件和箱梁桥上部结构(箱梁)通过锚具锚固的被动约束替代了螺栓连接。

附图说明

图1为实施例一的保护装置安装在沿海箱梁桥的示意图；

图2为实施例一的保护装置安装在沿海箱梁桥的截面示意图；

图3为实施例一的保护装置示意图；

图4为二阶斯托克斯波的理论波高值的曲线图。

图5为WCSPH方法计算波高值的曲线图；

图6为WCSPH方法空域造波示意图；

图7为沿海箱梁桥没有设置导流件前波浪的作用区域对比图；

图8为沿海箱梁桥设置导流件后波浪的作用区域对比图；

图9为沿海箱梁桥在保护装置设置前后波浪水平力的时程曲线对比图；

图10为沿海箱梁桥在保护装置设置前后波浪竖向力的时程曲线对比图；

图11为L_X＝0，L_Y＝0时波浪水平力峰值的曲线图；

图12为L_X＝2.7m，L_Y＝2.4m时波浪水平力峰值的曲线图；

图13为L_X＝3m，L_Y＝2.4m时波浪水平力峰值的曲线图；

图14为L_X＝2.7m，L_Y＝3m时波浪水平力峰值的曲线图；

图15为L_X＝3m，L_Y＝3m时波浪水平力峰值的曲线图；

图16为L_X＝0m，L_Y＝0m时波浪竖向力峰值的曲线图；

图17为L_X＝2.7m，L_Y＝2.4m时波浪竖向力峰值的曲线图；

图18为L_X＝3m，L_Y＝2.4m时波浪竖向力峰值的曲线图；

图19为L_X＝2.7m，L_Y＝3m时波浪竖向力峰值的曲线图；

图20为L_X＝3m，L_Y＝3m时波浪竖向力峰值的曲线图。

其中，1-导流件；2-钢索；3-导流件锚具；4-箱梁锚具；5-箱梁；6-盖梁；7-支座，图7、图8中的Velocity Magnitude指粒子速度图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图10所示，本实施例提供了一种极端波浪作用下减小箱梁波浪力、增加被动竖向约束的保护装置，保护装置的数量为盖梁数量的2倍，每一个盖梁的两侧分别和两个保护装置的导流件固定连接。箱桥梁包括支座、盖梁和箱梁，支座固定在盖梁上，箱梁固定在支座上；保护装置包括减小波流力的导流件1、钢索2、导流件锚具3和箱梁锚具4，导流件固结在盖梁6侧面，沿桥梁行车方向呈三棱柱体形式布置，起到保护支座7和减小波浪力的作用；高强度钢索2通过导流件锚具3和箱梁锚具4分别与导流件的顶部和箱梁的顶部固定连接，在入射波浪冲击作用过程中为箱梁5提供被动竖向约束。如图2中导流件在高度方向(导流件横截面的底面)的尺寸L_Y取两倍盖梁高度，如图2中水平方向(导流件横截面的高)的尺寸L_X取箱梁桥面宽度与盖梁宽度的差，高强度钢索直径D取8mm，钢索与竖直平面的夹角α为5-10°，长度L_S＝1.1*H*secα。

本实施例对安装保护装置的沿海箱梁桥对减小波浪力和被动竖向约束的有效性进行了验证。以某沿海箱梁桥为原型，按照1：30的缩尺比对箱梁在波浪力作用过程中的波浪力进行了计算，所模拟的对象为箱梁：梁高0.1m，上翼缘高0.01m，桥面板宽0.5m，底板宽0.233m。极端波浪作用采用二阶斯托克斯波模拟飓风波，通过WCSPH(弱可压缩光滑粒子流体动力学)法进行二维模拟，本实施案例模拟的海洋环境为：波高为0.1m，水深0.8m，周期1.0s，数值模拟所采用的水槽尺寸为：长度30m，高度2m，箱梁上部结构与海洋静水面无净空间隙。在同样的参数设置下分别对安装保护装置前后的箱梁的波浪力进行分析，包括步骤如下：

步骤一：针对所模拟的海洋环境进行空白组进行空域造波模拟，沿着波浪传播方向上通过设置5个波高仪观察记录实验过程中的波高，在调整计算参数并确定能够得到稳定的波浪；

步骤二：先计算在指定波浪参数下无保护装置的箱梁的波浪力；

步骤三：为数值模拟中的箱梁桥加装保护装置，并计算此时箱梁的波浪力；

如图9、图10所示，提供了本实施例所述保护装置安装前后波浪水平力和竖向力的时程曲线对比，在波浪模拟稳定后的几个作用周期中，导流件在支座处水平波浪力峰值的减小占原结构水平波浪力峰值的54.8％，竖向波浪力峰值的减小占原结构竖向波浪力峰值的34.3％。可以得出，安装本实施例所提供的保护装置后，可以有效地降低跨海箱梁在极端波浪荷载作用下的波浪力，同时降低了箱梁发生移位和倾覆的概率。

实施例二

为了对比导流件不同长度和高度对波浪力峰值减小幅度的影响情况，进行了导流件尺寸参数对波浪力峰值影响规律的研究计算。以某沿海箱梁桥为原型，按照1：30的缩尺比对箱梁在波浪力作用过程中的波浪力进行了计算，所模拟的对象为箱梁：梁高0.1m，上翼缘高0.01m，桥面板宽0.5m，底板宽0.233m。极端波浪作用采用二阶斯托克斯波模拟飓风波，通过WCSPH法进行二维模拟，本实施案例模拟的海洋环境为：固定水深0.8m，固定二阶斯托克斯波周期1.0s，波高设置变量组分别为0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.16m，模拟所采用的水槽尺寸为：长度30m，高度2m，箱梁与海洋静水面无净空间隙。在固定单一变量的参数设置下分别对不同导流件参数的箱梁的波浪力峰值进行分析，包括步骤如下：

步骤一：针对所模拟的海洋环境进行空白组进行空域造波模拟，通过设置波高仪观察记录实验过程中的波高，在调整计算参数并确定能够得到稳定的波浪；

步骤二：计算在指定导流件结构参数下箱梁的波浪力并记录水平力峰值和竖向力峰值；

步骤三：更改导流件结构参数组，重复步骤二，模拟的导流件结构参数组有L_X＝2.7m，L_Y＝2.4m；L_X＝3m，L_Y＝2.4m；L_X＝2.7m，L_Y＝3m；L_X＝3m，L_Y＝3m。

从图11-图20可以看出，适当调整导流件的尺寸，对于箱梁的波浪力有一定影响，但考虑经济高效和简单可行的条件下，采用上述实施例中推荐的结构尺寸。同时，高强度钢索的尺寸、安装位置及安装数量，可以根据不同海洋环境和桥梁结构要求进行具体选择，以确保沿海箱梁桥在极端波浪作用下的生存几率。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，箱桥梁包括支座、盖梁和箱梁，支座固定在盖梁上，箱梁固定在支座上；其特征在于：保护装置包括减小波流力的导流件、钢索和锚具，导流件的一侧和盖梁固定连接；锚具的数量为两个，两个锚具分别与导流件的顶部和箱梁的顶部固定连接，钢索的两端分别与两个锚具连接。

2.按照权利要求1所述的一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，其特征在于：导流件为三棱柱结构，导流件的横截面为等腰三角形，导流件的一个侧面与盖梁固定连接，导流件的两端延伸方向与盖梁的延伸方向一致。

3.按照权利要求2所述的一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，其特征在于：与盖梁固定连接的导流件的一个侧面为连接面，连接面的底部边沿与盖梁的底部边沿齐平，连接面的顶部高于盖梁的顶部。

4.按照权利要求3所述的一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，其特征在于：连接面的宽度L_Y为盖梁高度的2倍，以连接面为等腰三角形的底面，连接面到另外两个侧面连接处的垂直距离为导流件的高L_X，导流件的高L_X等于箱梁顶部平面的宽度减去盖梁的宽度。

5.按照权利要求4所述的一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，其特征在于：钢索的直径D为8-10mm，钢索与竖直平面的夹角α为5-10°，箱梁的高度为H，钢索的长度L_S＝1.1*H*secα。

6.按照权利要求1所述的一种极端波浪作用下沿海箱梁桥的保护装置，其特征在于：保护装置的数量为盖梁数量的2倍，每一个盖梁的两侧分别和两个保护装置的导流件固定连接。