WO2022073146A1 - 一种桥墩防护结构及其位置角度计算方法 - Google Patents

Abstract

一种桥墩防护结构及其位置角度计算方法。桥墩防护结构设置于桥梁的上游，包括防护支架（4）和拦挡网（46）；防护支架（4）包括相互平行且呈三角状间隔设置的第一抗滑桩（41）、第二抗滑桩（42）和第三抗滑桩（43），每两个抗滑桩之间的距离均相等，每根抗滑桩上侧外部均可转动地套设有滚筒（45）；防护支架（4）还包括三根横梁（44），三根横梁（44）将三根抗滑桩两两对应相连，沿抗滑桩的上下方向，横梁（44）与滚筒（45）间隔设置；拦挡网（46）的两端用于与桥墩（2）相连，拦挡网（46）套设在防护支架（4）上且与三个抗滑桩的滚筒（45）均接触。位置角度计算方法用于计算防护支架（4）最稳定时，防护结构的角度。所提供的方案能拦挡冲击物，减小洪水发生时桥墩的受力。

Description

一种桥墩防护结构及其位置角度计算方法 技术领域

本发明涉及桥梁工程，特别是一种桥墩防护结构及其位置角度计算方法。

背景技术

近年来，中国南方地区洪水频发，多地洪水超越历史水位，洪水引发多处桥梁倒塌，原因在于：在发生洪水时，跨越沟道的桥墩往往会受到水面漂浮物撞击而破坏，同时，洪水引发的泥石流也会对桥墩进行冲击，影响桥梁的整体稳定性。尤其在高山峡谷地区，桥墩维护极其不便，所以桥墩防护起到很重要作用。

现有技术中，常常采用在桥墩上设置保护装置。保护装置只能起到缓冲撞击力的作用，最终撞击力还是需要由桥墩承担，若漂浮物质量较大，依然对会桥墩造成损害。其次，漂浮物位于水面上，且往往位于沟道中部，清理不易，故容易对沿途多个建筑物或构筑物持续造成损害。因此，需要提供一种能够有效的拦挡防护系统，能够有效拦截漂浮物并能及时清除漂浮物，起到保护建筑物或构筑物的作用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种桥墩防护结构及其位置角度计算方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种桥墩防护结构，设置于桥梁的上游，包括防护支架和拦挡网；防护支架包括相互平行且呈三角状间隔设置的第一抗滑桩、第二抗滑桩和第三抗滑桩，每两个抗滑桩之间的距离均相等，每根抗滑桩上侧外部均可转动地套设有滚筒；防护支架还包括三根横梁，三根横梁将三根抗滑桩两两对应相连，沿抗滑桩的 上下方向，横梁与滚筒间隔设置；拦挡网的两端用于与桥墩相连，拦挡网套设在防护支架上且与三个抗滑桩的滚筒均接触。本发明提供的上述桥墩防护结构，在有冲击物产生时，冲击物被拦挡网拦截，对拦挡网产生冲击，避免冲击桥墩，此外，拦挡网的受力通过网身传递给桥墩，从而对桥墩作用一个与洪水方向相反的力，进而通过冲击物的冲击起到保护桥墩的作用。同时，冲击物可以汇集在拦挡网处，便于后续对冲击物的清理。在抗滑桩的外表面设置滚筒，使得冲击物在冲击拦挡网，使拦挡网发生变形时，拦挡网与抗滑桩之间的摩擦为滚动摩擦，避免拦挡网与抗滑桩之间产生滑动摩擦，减小拦挡网在多次往复摩擦中产生的损坏、起到保护拦挡网的作用，延长拦挡网的使用寿命。三个抗滑桩通过横梁连接为一体式的结构，能够避免各个抗滑桩单独受力，使得防护结构整体更加稳定。

可选的，第一抗滑桩靠近桥墩设置，第二抗滑桩和第三抗滑桩远离桥墩设置。

可选的，第二抗滑桩与第三抗滑桩间的连线方向用于垂直于水流方向。

可选的，拦挡网的两端设有若干个拉环，桥墩上设有若干个拉钩，拉环与拉钩对应相连。

可选的，拦挡网为钢丝网。

可选的，拦挡网包括弹性件。通过在拦挡网上设置弹性件，冲击物对拦挡网作用的拉力通过弹性件减震后传递给桥墩，使桥墩受到的拦挡网拉力缓慢变化，减小冲击。

可选的，弹性件包括多个设置于拦挡网边缘的弹簧，弹簧用于与桥墩相连。

一种桥墩防护结构的位置角度计算方法，其中，第一抗滑桩靠近桥墩设置，第二抗滑桩和第三抗滑桩远离桥墩设置，水平面内过第一抗滑桩且垂直于水流方向的直线为基准方向，第一抗滑桩与第二抗滑桩之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，第一抗滑桩与第三抗滑桩之间的连线与基准方向之间的夹 角为第二夹角，冲击物作用于第二抗滑桩与第三抗滑桩之间，位置角度计算方法用于计算上述的桥墩防护结构的防护支架最稳定时，第一夹角的大小；

位置角度计算方法包括以下步骤：

根据每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力，计算防护支架能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；

根据三个抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；

对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为防护支架最稳定时的第一夹角的大小，亦即防护效果最佳时的第一夹角的大小。本发明提供的上述位置角度计算方法，能够根据抗滑桩的抗拔力得到按何种角度设置防护结构能够使防护支架最稳定，有利于优化防护效果。

可选的，抗倾覆力矩为：

W＝FLsinA+FLsinB

其中，W为抗倾覆力矩；

F为每根抗滑桩能够提供的最大抗拔力；

L为两根抗滑桩的桩心间距；

A为第一夹角；

B为第二夹角，B＝120°-A。

可选的，当A＝60°时，W达到最大值，防护支架最稳定。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：洪水发生后，拦挡网上朝向水流方向的一部分拦挡冲击物，该段拦挡网受到冲击物的冲击后产生拉力，拉力通过拦挡网传递给桥墩，对桥墩作用与水流方向相反的拉力，从而抵消一部分桥墩受到的洪水冲击力。

通过横梁将三个抗滑桩固定连接为一体，使得防护支架整体更加稳定，避免倾覆。

拦挡网上设置弹性件，使得冲击物在冲击时，对桥梁产生的拉力能够经过减震后传递给桥墩，使拦挡网作用给桥墩的拉力缓慢变化，减小冲击效应。

本发明提供的桥墩防护结构的位置角度计算方法，能够得到防护支架最稳定时，防护结构的位置角度，从而对桥墩提供更加有力的防护。

附图说明

图1是本发明实施例提供的桥墩防护结构的俯视图。

图2是本发明实施例提供的桥墩防护结构在竖直面内的示意图。

图3是本发明实施例提供的桥墩防护结构在拦挡冲击物时的示意图。

图4是本发明实施例提供的另一种桥墩防护结构在竖直面内的示意图。

图5是本发明实施例提供的桥墩防护结构在第一夹角取值任意时的简化受力示意图。

图6是本发明实施例提供的桥墩防护结构在第一夹角取值60°时的简化受力示意图。

图标：1-沟道；2-桥墩；21-拉环；4-防护支架；41-第一抗滑桩；42-第二抗滑桩；43-第三抗滑桩；44-横梁；45-滚筒；46-拦挡网；461-弹簧；8-冲击物。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1-图6，本发明实施例提供了一种桥墩2防护结构，其设置于沟道1中，且位于桥梁的上游，包括防护支架4和拦挡网46。防护支架4包括相互平行且呈三角状间隔设置的第一抗滑桩41、第二抗滑桩42和第三抗滑桩43。具体的，每个抗滑桩沿竖直方向设置，下端插入到河床中。每两个抗滑桩之间的距离均相等，抗滑桩之间的距离，是指抗滑桩的桩心之间的距离，即，两个抗滑桩的中轴线之间的距离，可知，每两个抗滑桩之间的距离均相等，则三个抗滑桩的中轴线在水平面上的投影形成三个点，且这三个点为等边三角形的三个顶点。每根抗滑桩上侧外部均可转动地套设有滚筒45，滚筒45能够绕抗滑桩的中轴线方向相对于抗滑桩转动。

防护支架4还包括三根横梁44，三根横梁44将三根抗滑桩两两对应相连。具体的，横梁44端部与抗滑桩固定相连。则可以理解的是，三根横梁44在水平面上的投影构成等边三角形的三个边。

在其他实施例中，横梁44的数量也可以多于三根，例如，在每两个抗滑桩之间设置两根或两根以上的横梁44，使防护结构整体的稳定性得到进一步加强，如此，则横梁44的数量为六根、九根等。

沿抗滑桩的上下方向，横梁44与滚筒45间隔设置，使得滚筒45与横梁44之间互不干涉。

拦挡网46的两端用于与桥墩2相连，拦挡网46套设在防护支架4上且与三个抗滑桩的滚筒45均接触。具体的，拦挡网46整体呈现大致为三角形的结构，拦挡网46呈绷紧状态，即：在未受冲击物8作用的情况下，拦挡网46上也存在初张力，使得拦挡网46网身被绷直，从而拦挡网46能够保持形状的稳定，同时保持与滚筒45之间存在接触压力，使得拦挡网46在冲击物8的作用下产生位移时，滚筒45在静摩擦力的作用下能随拦挡网46一起转动，且在有冲击物8作用时，拦挡网46能够立即将冲击物8的冲击力传递给桥墩2，迅速 起到对桥墩2的保护作用。

进一步的，第一抗滑桩41靠近桥墩2设置，第二抗滑桩42和第三抗滑桩43远离桥墩2设置。其中，第一抗滑桩41靠近桥墩2设置是指：相对于第二抗滑桩42和第三抗滑桩43，第一抗滑桩41与桥墩2之间的距离更近。可以理解的是，在这种结构下，拦挡网46主要由其处在第二抗滑桩42和第三抗滑桩43之间的一段拦截冲击物8。

进一步的，第二抗滑桩42与第三抗滑桩43间的连线方向垂直于水流方向，换言之，拦挡网46处在第二抗滑桩42与第三抗滑桩43之间一段的网面方向垂直于水流方向，则冲击物8随水流流下时，拦挡网46正对冲击物8流下方向，拦截冲击物8。需要说明的是，本实施例中的垂直，可以是大致的垂直，即，鉴于存在安装误差等因素，可以允许在90°的左右一定范围内有一定的偏移，例如，第二抗滑桩42与第三抗滑桩43之间的连线方向与水流方向的夹角为80°-100°。

具体的，在一些实施例中，拦挡网46端部设有若干个拉环21，桥墩2上设有若干个拉钩，拉钩与拉环21对应相连。

在一些实施例中，拦挡网46上还可以设置弹性件，具体的，拦挡网46边缘设有弹性件，弹性件端部设有用于与桥墩2相连的拉环21。弹性件可以设置为弹簧461，弹簧461的数量可以为多个。

本发明实施例还提供一种桥墩2防护结构的位置角度计算方法，其用于计算桥墩2防护结构提供的防护支架4最稳定时，桥墩2防护结构的位置，具体的：

水平面内过第一抗滑桩41且垂直于水流方向的直线为基准方向，第一抗滑桩41与第二抗滑桩42之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角A，第一抗滑桩41与第三抗滑桩43之间的连线与基准方向之间的夹角为第二夹角B，冲击物8作用于第二抗滑桩42与第三抗滑桩43之间的拦挡网46。该位置角度计算 方法用于计算桥墩2防护结构的抗倾覆力矩最大时，第一夹角A的大小。

该位置角度计算方法包括以下步骤：

步骤一、根据每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力，计算防护支架4能够提供的抗倾覆力矩，所述抗倾覆力矩为关于第一夹角A和第二夹角B的函数；

具体的，假设每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力为F，绕第一抗滑桩41倾覆时，第一抗滑桩41的抗滑力的力臂为0，所产生的力矩为0。

故抗倾覆力矩为第二抗滑桩42和第三抗滑桩43的力矩之和：

W＝FLsinA+FLsinB

其中，W为抗倾覆力矩；

F为每根抗滑桩能够提供的最大抗拔力；

L为两根抗滑桩的间距；

A为第一夹角；

B为第二夹角。

步骤二、根据三个所述抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；

由于三个抗滑桩的桩间距相等，第一抗滑桩41、第二抗滑桩42和第三抗滑桩43在水平面内的投影形成等边三角形结构，则第一夹角与第二夹角之和为120°，故有B＝120°-A，且A的取值范围为[0°，120]，则：

W＝FLsinA+FLsin(120°-A)

步骤三、对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为防护支架4最稳定时的第一夹角大小，亦即为防护效果最佳时的第一夹角的大小；

具体的，由于抗拔力F与桩心间距L为已知定值，因此只需求sinA+sin (120°-A)的最大值。

对

求导，得到

在区间[0，60°)，

的值大于0；区间(60°，120°]，

的值小于0；60°处，

的值等于0。

则，

在第一夹角A的取值为[0，60°)的范围内递增，第一夹角A的取值在(60°，120°]的范围内递减，第一夹角A等于60°处取得最大值。

即，第一夹角A为60°时，抗倾覆力矩最大，防护支架4最稳定。

可以理解的是，由于

在[0，60°)的范围内递增，在(60°，120°]的范围内递减，换言之，第一夹角A的取值在[0，60°)时，防护支架4的抗倾覆力矩递增，在(60°，120°]时，防护支架4的抗倾覆力矩递减，亦即第一夹角A的取值越接近60°，防护支架4越稳定。那么，若施工现场环境存在不利条件，使得第一夹角A无法刚好被设置为60°，结合施工现场环境，优选使第一夹角A的取值尽可能靠近60°。

本发明实施例的有益效果在于：

1.洪水发生后，拦挡网46上朝向水流方向的一部分拦挡冲击物8，该段拦挡网46受到冲击物8的冲击后产生拉力，拉力通过拦挡网46传递给桥墩5，对桥墩5作用与水流方向相反的拉力，从而抵消一部分桥墩2受到的洪水冲击力。

2.通过横梁44将三个抗滑桩固定连接为一体，使得防护支架4整体更加稳定，避免倾覆。

3.拦挡网46上设置弹性件，使得冲击物8在冲击时，对桥梁产生的拉力能够经过减震后传递给桥墩2，使拦挡网46作用给桥墩46的拉力缓慢变化，减小 冲击效应。

4.本发明提供的桥墩2防护结构的位置角度计算方法，能够得到防护支架4最稳定时，防护支架4的位置角度，从而对桥墩2提供更加有力的防护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种桥墩防护结构，其特征在于，设置于桥梁的上游，包括防护支架和拦挡网；

   所述防护支架包括相互平行且呈三角状间隔设置的第一抗滑桩、第二抗滑桩和第三抗滑桩，每两个所述抗滑桩之间的距离均相等，每根所述抗滑桩上侧外部均可转动地套设有滚筒；

   所述防护支架还包括三根横梁，三根所述横梁将三根所述抗滑桩两两对应相连，沿所述抗滑桩的上下方向，所述横梁与所述滚筒间隔设置；

   所述拦挡网的两端用于与桥墩相连，所述拦挡网套设在所述防护支架上且与三个所述抗滑桩的所述滚筒均接触。
2. 根据权利要求1所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述第一抗滑桩靠近桥墩设置，所述第二抗滑桩和所述第三抗滑桩远离所述桥墩设置。
3. 根据权利要求2所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述第二抗滑桩与所述第三抗滑桩间的连线方向用于垂直于水流方向。
4. 根据权利要求1所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述拦挡网的两端设有若干个拉环，所述桥墩上设有若干个拉钩，所述拉环与所述拉钩对应相连。
5. 根据权利要求1所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述拦挡网为钢丝网。
6. 根据权利要求1所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述拦挡网包括弹性件。
7. 根据权利要求6所述的桥墩防护结构，其特征在于，所述弹性件包括多个设置于拦挡网边缘的弹簧，所述弹簧用于与所述桥墩相连。
8. 一种桥墩防护结构的位置角度计算方法，其特征在于，所述第一抗滑桩靠近桥墩设置，所述第二抗滑桩和所述第三抗滑桩远离所述桥墩设置，水平面 内过所述第一抗滑桩且垂直于水流方向的直线为基准方向，所述第一抗滑桩与所述第二抗滑桩之间的连线与所述基准方向之间的夹角为第一夹角，所述第一抗滑桩与所述第三抗滑桩之间的连线与所述基准方向之间的夹角为第二夹角，冲击物作用于所述第二抗滑桩与所述第三抗滑桩之间的拦挡网，所述位置角度计算方法用于计算权利要求1-7中任意一项所述的桥墩防护结构的防护支架最稳定时，第一夹角的大小；

   所述位置角度计算方法包括以下步骤：

   根据每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力，计算防护支架能够提供的抗倾覆力矩，所述抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；

   根据三个所述抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；

   对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为防护支架最稳定时的第一夹角的大小。
9. 根据权利要求8所述的桥墩防护结构的位置角度计算方法，其特征在于，所述抗倾覆力矩为：

   W＝FLsinA+FLsinB

   其中，W为抗倾覆力矩；

   F为每根抗滑桩能够提供的最大抗拔力；

   L为两根抗滑桩的间距；

   A为第一夹角；

   B为第二夹角，B＝120°-A。
10. 根据权利要求9所述的桥墩防护结构的位置角度计算方法，其特征在于，当A＝60°时，W达到最大值，防护支架最稳定。

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