CN220468607U - 一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，包括桥墩以及桥梁上部结构，所述桥墩上设有混凝土抗震挡块，所述混凝土抗震挡块的周围布置有波纹夹层吸能装置；所述波纹夹层吸能装置包括波纹夹层结构，所述波纹夹层结构包括高密度硬质发泡聚氨酯填充板以及复合材料内板，所述高密度硬质发泡聚氨酯填充板和复合材料内板之间对称布置有两层复合材料波纹板，两层所述复合材料波纹板中间填充有纳米吸能材料。波纹夹层吸能装置整体采用复合材料制成，复合材料波纹板呈对称性布置，内部填充纳米吸能材料，这种形式的结构既能发挥复合材料波纹板良好的抗挤压性能，同时也具备由纳米吸能材料功能转换等优点。

Description

一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置

技术领域

本实用新型涉及桥梁缓冲防撞技术领域，具体为一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置。

背景技术

随着我国桥梁建设事业迅速发展，对于长期处于地震多发地区的桥梁结构安全问题愈发明显，桥梁落梁事故时有发生。为此针对铁路桥梁，目前采用在桥墩顶部设计一种混凝土抗震挡块加固上部结构和桥墩连接，然而在遭遇多次或强烈地震作用下，混凝土抗震挡块会出现不同程度的破损情况，严重影响其横向支撑效果。因此需要为混凝土抗震挡块增设一种保护措施。

对于传统的防撞结构，现有研究表明：由于钢结构材料形式单一，只能通过增加自身的材料用量和改善结构类型达到防撞效果，生产和加工成本较高，并且受到在船舶撞击后产生的变形难以恢复，需要重新更换或维修。另一方面，钢结构易腐蚀的特点也导致其使用寿命十分有限，以上各种不利因素使得处于长期碰撞和挤压状态的钢结构耐撞性能降低，无法预计其在实际工程中的效果。

故而，提出了一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置来解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，具备防震效果好等优点，解决了现有技术中钢结构材料形式单一，只能通过增加自身的材料用量和改善结构类型达到防撞效果，生产和加工成本较高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，包括桥墩以及位于桥墩上的桥梁上部结构，所述桥墩上设有置于桥梁上部结构内的混凝土抗震挡块，所述混凝土抗震挡块的周围布置有波纹夹层吸能装置；

所述波纹夹层吸能装置包括左右两对波纹夹层结构，两对所述波纹夹层结构的前后两侧均固定有复合材料侧板，前侧两个复合材料侧板以及后侧两个复合材料侧板均共同固定有复合材料连接板；

所述波纹夹层结构包括高密度硬质发泡聚氨酯填充板以及位于高密度硬质发泡聚氨酯填充板内侧的复合材料内板，所述高密度硬质发泡聚氨酯填充板和复合材料内板之间对称布置有两层复合材料波纹板，两层所述复合材料波纹板中间填充有纳米吸能材料，所述复合材料内板的侧面设有若干个弹性减震阻尼器。

进一步，所述复合材料侧板与复合材料连接板通过高强螺栓连接，两对波纹夹层结构通过复合材料侧板、高强螺栓和复合材料连接板连接成整体。

进一步，两层所述复合材料波纹板端部相互衔接，上下布置盖板和底板形成封闭空间，各个波峰位置与复合材料内板和高密度硬质发泡聚氨酯填充板相切。

进一步，所述纳米吸能材料包括疏水性材料和功能液体。

进一步，所述弹性减震阻尼器的两端布置有梯度状橡胶垫块，所述弹性减震阻尼器与复合材料波纹板的波峰位置对齐。

与现有技术相比，本申请的技术方案具备以下有益效果：

1、该铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，波纹夹层吸能装置整体采用复合材料制成，复合材料波纹板呈对称性布置，内部填充纳米吸能材料，这种形式的结构既能发挥复合材料波纹板良好的抗挤压性能，同时也具备由纳米吸能材料功能转换等优点，极大程度减缓抗冲击性能和增加使用寿命。

2、该铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，波纹夹层吸能装置中复合材料内板上布置的弹性减震阻尼器能通过其内部的吸能弹簧压缩变形直接消耗部分混凝土抗震挡块与波纹夹层吸能装置的撞击力，减少混凝土抗震挡块与波纹夹层吸能装置的冲击频次，并通过两端的梯度状橡胶垫块扩散传递到波纹夹层吸能装置中复合材料内板上的应力，避免复合材料波纹板的波峰位置因应力集中而破坏。

附图说明

图1为本实用新型波纹夹层吸能装置的总体布置图；

图2为本实用新型波纹夹层吸能装置的平面图；

图3为本实用新型波纹夹层吸能装置的立面图；

图4为本实用新型复合材料连接板与复合材料侧板的安装布置图；

图5为本实用新型弹性减震阻尼器的构造图。

图中：1、桥梁上部结构；2、桥墩；3、混凝土抗震挡块；4、波纹夹层吸能装置；5、复合材料波纹板；6、纳米吸能材料；7、复合材料内板；8、复合材料连接板；9、弹性减震阻尼器；10、高密度硬质发泡聚氨酯填充板；11、高强螺栓；12、复合材料侧板；13、吸能弹簧；14、梯度状橡胶垫块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-5，本实施例中的一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，包括桥墩2以及位于桥墩2上的桥梁上部结构1，桥墩2上设有置于桥梁上部结构1内的混凝土抗震挡块3，混凝土抗震挡块3的周围布置有波纹夹层吸能装置4。

波纹夹层吸能装置4布置于铁路桥梁桥墩2的混凝土抗震挡块3周围，可避免地震荷载作用下桥梁上部结构1与混凝土抗震挡块3直接接触。

如图1-4所示，波纹夹层吸能装置4包括左右两对波纹夹层结构，两对波纹夹层结构的前后两侧均固定有复合材料侧板12，前侧两个复合材料侧板12以及后侧两个复合材料侧板12均共同固定有复合材料连接板8。

复合材料侧板12与复合材料连接板8通过高强螺栓11连接，两对波纹夹层结构，主要通过高强螺栓11和复合材料连接板8连接成整体，并且在桥梁经历多次地震过后，也可通过扭转高强螺栓11对波纹夹层吸能装置4整体拆卸，进行现场检验，方便后期维修和更换。

作为一种波纹夹层结构的具体结构，如图2-3所示，波纹夹层结构包括高密度硬质发泡聚氨酯填充板10以及位于高密度硬质发泡聚氨酯填充板10内侧的复合材料内板7，高密度硬质发泡聚氨酯填充板10和复合材料内板7之间对称布置有两层复合材料波纹板5，两层复合材料波纹板5中间填充有纳米吸能材料6，复合材料内板7的侧面设有若干个弹性减震阻尼器9。

在预制过程中两层复合材料波纹板5端部相互衔接，使其成为一个整体，上下布置盖板和底板形成封闭空间，各个波峰位置与复合材料内板7和高密度硬质发泡聚氨酯填充板10相切，在遭受冲击时，相切位置增加了复合材料波纹板5波峰处的有效厚度，可以更好地抵御应力集中产生的影响。

复合材料波纹板5两端的材料质地偏柔性，可以起到缓冲作用，避免复合材料波纹板5局部位置应力集中而破损，且两层复合材料波纹板5呈对称性布置，内部填充纳米吸能材料6，这种形式的结构既能发挥复合材料波纹板5良好的抗挤压性能，同时也具备由纳米吸能材料6功能转换等优点，极大程度减缓抗冲击性能和增加使用寿命。

纳米吸能材料6包括疏水性材料和功能液体，通常情况下，功能流体无法进入到疏水性材料的纳米孔道中，一旦受到外界荷载，这些孔道就会被功能流体填满，从而让外力带来的机械碰撞能量转换为液体与固体之间的摩擦力做功，极大程度地迁移和减缓冲击波，荷载撤销以后，功能流体会缓慢地流出纳米孔道，纳米吸能材料6恢复原来的状态，增加重复使用的次数，因此，纳米吸能材料6具有较好自愈性能，在碰撞和非碰撞情况下能表现出不同弹性模量。

复合材料波纹板5在受力情况下，自身产生的内力传递至纳米吸能材料6表面，纳米孔道就会被功能流体填满，从而让外力带来的机械碰撞能量转换为液体与固体之间的摩擦力做功，极大程度地迁移和减缓冲击波，荷载撤销以后，功能流体会缓慢地流出纳米孔道，纳米吸能材料6体积恢复初始状态。

如图5所示，弹性减震阻尼器9的两端布置有梯度状橡胶垫块14，主要为增大梯度状橡胶垫块14与混凝土抗震挡块3以及复合材料内板7的接触面积，起到分散应力作用，保护桥墩2的混凝土抗震挡块3，弹性减震阻尼器9内部的吸能弹簧13能减缓混凝土抗震挡块3对波纹夹层吸能装置4的冲击频率，避免在高频次冲击作用下，纳米吸能材料6中的功能液体与纳米孔道反复摩擦产生较高热量，破坏材料分子结构。

弹性减震阻尼器9与复合材料波纹板5的波峰位置对齐，弹性减震阻尼器9内部设置的吸能弹簧13，其端部与梯度状橡胶垫块14连接，梯度状橡胶垫块14分别吸附于混凝土抗震挡块3以及波纹夹层吸能装置4中复合材料内板7上，弹性减震阻尼器9能通过其内部的吸能弹簧13压缩变形直接消耗部分混凝土抗震挡块3与波纹夹层吸能装置4的撞击力，减少混凝土抗震挡块3与波纹夹层吸能装置4的冲击频次，并通过两端的梯度状橡胶垫块14扩散传递到波纹夹层吸能装置4中复合材料内板7上的应力，避免复合材料波纹板5的波峰位置因应力集中而破坏。

通过采用上述吸能装置，也可对地震时产生的振动进行吸收，延长装置的使用寿命，其工作原理具体如下：

在地震发生时，桥梁上部结构1和桥墩2发生来回晃动，波纹夹层吸能装置4中的复合材料波纹板5受到高密度硬质发泡聚氨酯填充板10和复合材料内板7方向的挤压，当外界应力施加在纳米吸能材料6表面时，纳米吸能材料6内部功能液体进入纳米孔洞，将表面的机械能转化为液体表面能，起到防冲击效果，布置在复合材料内板7上的弹性减震阻尼器9依靠自身的压缩变形和梯度状橡胶垫块14使撞击力更均匀分散至复合材料内板7，避免复合材料波纹板5在波峰位置因应力集中而破坏，地震荷载消失后，纳米吸能材料6中的功能液体流出纳米孔道，纳米吸能材料6恢复至初始体积，并强迫波纹板保持原有形状，该发明既能有效保证吸能效果，又能延长装置的使用寿命。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，其特征在于，包括桥墩(2)以及位于桥墩(2)上的桥梁上部结构(1)，所述桥墩(2)上设有置于桥梁上部结构(1)内的混凝土抗震挡块(3)，所述混凝土抗震挡块(3)的周围布置有波纹夹层吸能装置(4)；

所述波纹夹层吸能装置(4)包括左右两对波纹夹层结构，两对所述波纹夹层结构的前后两侧均固定有复合材料侧板(12)，前侧两个复合材料侧板(12)以及后侧两个复合材料侧板(12)均共同固定有复合材料连接板(8)；

所述波纹夹层结构包括高密度硬质发泡聚氨酯填充板(10)以及位于高密度硬质发泡聚氨酯填充板(10)内侧的复合材料内板(7)，所述高密度硬质发泡聚氨酯填充板(10)和复合材料内板(7)之间对称布置有两层复合材料波纹板(5)，两层所述复合材料波纹板(5)中间填充有纳米吸能材料(6)，所述复合材料内板(7)的侧面设有若干个弹性减震阻尼器(9)。

2.根据权利要求1所述的一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，其特征在于：所述复合材料侧板(12)与复合材料连接板(8)通过高强螺栓(11)连接，两对波纹夹层结构通过复合材料侧板(12)、高强螺栓(11)和复合材料连接板(8)连接成整体。

3.根据权利要求1所述的一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，其特征在于：两层所述复合材料波纹板(5)端部相互衔接，上下布置盖板和底板形成封闭空间，各个波峰位置与复合材料内板(7)和高密度硬质发泡聚氨酯填充板(10)相切。

4.根据权利要求1所述的一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，其特征在于：所述纳米吸能材料(6)包括疏水性材料和功能液体。

5.根据权利要求1所述的一种铁路防落梁功能梯度三明治夹层吸能装置，其特征在于：所述弹性减震阻尼器(9)的两端布置有梯度状橡胶垫块(14)，所述弹性减震阻尼器(9)与复合材料波纹板(5)的波峰位置对齐。