複合材料橋梁防撞裝置的製作方法
2023-09-16 02:02:20
專利名稱：複合材料橋梁防撞裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種橋梁或碼頭防撞結構，尤其是一種利用複合材料製造的低成本綠 色防撞裝置，具體地說是一種適用於各類橋梁的橋墩以及碼頭、水上(海洋)建築減輕船舶 (浮冰)撞擊災害的複合材料橋梁防撞裝置。
背景技術：
眾所周知，船撞橋事故在世界各地一直在不斷地發生，船撞橋事故的頻率遠比我 們想像的更高。由船撞橋事故所導致的人員傷亡、財產損失以及環境破壞是驚人的。很多船 撞橋事故輕則損失數萬元，重則人員傷亡、損失以數百萬、數千萬甚至數十億美元計，大量 的間接損失更是難以計算。因此對橋梁採取防撞措施尤為必要，其根本目的是防止橋梁因 船舶撞擊力超過橋墩的設計承載力，而造成結構毀壞，同時儘可能地保護船舶，將損失減小 到最低程度。防撞設施的型式不同，其工作機理就不同，或阻止船舶撞擊力傳到橋墩，或通 過緩衝消能延長船舶撞擊時間、減小船舶撞擊力，最終達到保護橋梁安全的目的。現有的通 航橋梁防撞裝置多採用在承臺或橋墩周圍套上鋼結構套箱，該消能設施利用鋼材塑性變形 破損消能，當船舶撞擊鋼套箱防撞裝置時，防撞結構外層非連續(間斷的)結構鋼板發生大 的變形，吸收了部分碰撞能量，並且延長了接觸時間，使撞擊力峰值得以降低，同時由於結 構變形和相互作用，從而撥動船頭方向，減少了船舶與結構間的能量交換。但鋼套箱通常承 受單次撞擊，撞損後維修較困難；同時碰撞時船體易受損傷；另外鋼材常年在水中易鏽蝕， 維護費用較高，故採用新材料設計開發新型防撞系統迫在眉睫。
發明內容
本發明的目的是針對現有的橋梁防撞裝置存在的防撞效果差或成本高修復難度 大的問題，設計一種能充分吸收撞擊能量，且能隨水位浮動的、低成本綠色環保型複合材料 橋梁防撞裝置。 本發明的技術方案是 —種複合材料橋梁防撞裝置，其特徵是它呈條狀或與橋梁外形相配的環狀結構， 該條狀或環狀結構至少有一個防撞單元10或至少由一個防撞單元10與連杆12組成，相鄰 且相互連接的兩個防撞單元10之間通過法蘭4和螺栓5相連，連杆12安裝在一個防撞單 元10的兩端或相鄰的但不相連的兩個防撞單元10之間使之連成環狀結構；所述的防撞單 元10由殼體11和填充在殼體11中的填充材料3組成，所述的殼體11為複合材料實心殼 體或由內外兩層複合材料面層l及夾芯材料2組成的結構；所述的防撞單元10或者由殼體 11和填充在殼體11中的填充材料3及安裝在殼體一側的裝滿緩衝材料6的帆布袋7組成， 帆布袋7通過拉索8與殼體11相連，在殼體11上還連接有防撞欄杆9，所述的殼體11也為 複合材料實心殼體或由內外兩層複合材料面層1及夾芯材料2組成的結構。
所述的緩衝材料6為橡膠輪胎、橡膠粒、橡膠塊或聚氨酯彈性體。 所述的夾芯材料2為泡桐木、輕質木材、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫
或強芯氈。 所述的夾芯材料2為樹脂基纖維複合材料層格構結構。 所述的複合材料面層1由玻璃纖維布與樹脂固化而成，玻璃纖維布為雙軸向布、 多軸向布、網格布、纖維氈或碳纖維布、玄武巖纖維布、芳綸纖維布中的一種，樹脂為不飽和 聚酯、乙烯基樹脂、環氧樹脂或無機樹脂。 所述的填充材料3為橫向布置的毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫鋁或橡膠粒。
所述的在毛竹之間填充有木屑與樹脂的混合料或橡膠粒。
所述的填充材料3為整體式複合材料空腹格構體。 所述的帆布袋7為PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋，帆布袋7與橋墩接觸位
置粘貼有高強度低摩擦係數的PE板；所述的帆布袋7為密閉或帶有規則開孔的結構，帆布
袋7可直接用設置在殼體11內側的串接成一個整體的緩衝材料6代替。 所述的防撞欄杆9上設有穿裝鋼絞線的穿眼以便將各防撞欄杆連成整體，防撞欄
杆9為經過耐腐蝕處理的金屬欄杆或複合材料欄杆。 本發明的有益效果 1)本發明的外表採用了強耐腐蝕、力學特性優越的纖維增強複合材料，可適應江 水、海水等各種惡劣環境，減小了維護費用。 2)本發明以生態綠色材料為主，所採用的泡桐木、毛竹等材料均是綠色可再生材 料，整體吸能效果好，造價低廉。 3)本發明的防撞裝置的整體比重小於l，因此它呈漂浮式可轉動結構，防撞體系 可隨水位高低上、下浮動；同時防撞體系在平面上可設計成橢圓形或圓形，當船撞發生時可 發生轉動，有助於撥離船舶行駛方向，減小碰撞力。 4)本發明安裝便捷，各個獨立的防撞單元可通過法蘭螺栓連成整體，單個單元損 壞更換方便。 5)本發明結構簡單，製造成本低，安裝維護方便。
圖1是本發明的防撞單元之一的斷面結構示意圖。
圖2是圖1的防撞單元在橋梁上安裝使用狀態示意圖。
其中圖2(a)為正視圖，圖2(b)為俯視剖視圖。
圖3是本發明的防撞單元之二的斷面結構示意圖。
圖4是圖3的防撞單元在橋梁上安裝結構示意圖之一。
其中圖4(a)為正視圖，圖4(b)為俯視剖視圖。
圖5為圖3的防撞單元在橋梁上安裝結構示意圖之二。
其中圖5(a)為正視圖，圖5(b)為俯視剖視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
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實施例一。
如圖1、2所示。 —種複合材料橋梁防撞裝置，它可呈用於安裝在碼頭上的條狀結構，也可呈與橋 梁外形相配的環狀結構，該條狀或環狀結構至少有一個圖1所示的防撞單元10組成，相鄰 且相互連接的兩個防撞單元10之間通過法蘭4和螺栓5相連，如圖2(b)和圖2(a)所示， 所述的防撞單元10由殼體11和填充在殼體11中的填充材料3組成，所述的殼體11為復 合材料實心殼體或由內外兩層複合材料面層l及夾芯材料2組成的結構。具體實施時所述 的緩衝材料6為橡膠輪胎、橡膠粒、橡膠塊或聚氨酯彈性體。所述的夾芯材料2為泡桐木、 輕質木材、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或強芯氈。所述的夾芯材料2也可為 樹脂基纖維複合材料層格構結構。所述的複合材料面層l由玻璃纖維布與樹脂固化而成， 玻璃纖維布為雙軸向布、多軸向布、網格布、纖維氈或碳纖維布、玄武巖纖維布、芳綸纖維布 中的一種，樹脂為不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環氧樹脂或無機樹脂。所述的填充材料3為橫 向布置的毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫鋁或橡膠粒，所述的在毛竹之間可不填充，也可填充有木 屑與樹脂的混合料或橡膠粒，所述的填充材料3還可為整體式複合材料空腹格構體。所述 的帆布袋7可為PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋，帆布袋7與橋墩接觸位置粘貼有高 強度低摩擦係數的PE板；所述的帆布袋7為密閉或帶有規則開孔的結構，帆布袋7可直接 用設置在殼體11內側的串接成一個整體的緩衝材料6代替。
實施例二。
如圖3、4、5所示。 —種複合材料橋梁防撞裝置，它呈條狀或與橋梁外形相配的環狀結構，該條狀或 環狀結構至少有一個防撞單元10與連杆12(如圖4(b)所示)組成，相鄰且相互連接的兩 個防撞單元10之間可通過法蘭4和螺栓5相連(圖4中採用的是整體式結構，因此無需法 蘭和螺栓5，當防撞單元的周長較長時，最好採用法蘭和螺栓連接結構將各防撞單元連成一 個整體)，連杆12安裝在一個防撞單元10的兩端或相鄰的但不相連的兩個防撞單元10之 間使之連成環狀結構；所述的防撞單元10或者由殼體11和填充在殼體11中的填充材料 3及安裝在殼體一側的裝滿緩衝材料6的帆布袋7組成，帆布袋7通過拉索8與殼體11相 連，在殼體11上還連接有防撞欄杆9，所述的殼體11也為複合材料實心殼體或由內外兩層 複合材料面層1及夾芯材料2組成的結構。本發明的填充材料3可採用毛竹，它構成本發 明的抗剪消能部分，由廢舊汽車輪胎6、帆布7和拉索8構成本發明的"軟著陸"部分，欄杆 9和鋼絞線構成本發明的護欄部分。複合材料殼體可採用玻璃纖維布、樹脂與夾芯材料通過 真空導入成型工藝或手糊工藝製備而成，形成纖維複合材料面層1、夾芯材料2，複合材料 體殼11內部的填充材料3為橫向緊密布置的毛竹，毛竹的天然竹節具有較強的抗剪性能， 在船撞橋的過程中，複合材料防撞圈的擠壓過程會導致毛竹的破碎，即消耗能量，毛竹之間 的空隙可以填充木屑與樹脂的混合料，或橡膠粒等。複合材料防撞系統可在工廠裡預先制 備好若干個節段，到現場後，再通過法蘭與螺栓5連接，形成整體防撞圈系統，參見圖2，復 合材料防撞系統的整體平面形狀可以為橢圓形(圖4)、圓形(圖5)或與橋墩截面形狀一 致，也可根據需要在橋墩內側不連續布置，採用拉杆12代替(圖4)，也可直接製備成條形， 作為港口 、碼頭等臨水設施的防撞系統。由廢舊汽車輪胎6、帆布7和拉索8構成"軟著陸" 部分，當船舶與防撞系統撞擊時，"軟著陸"部分首先與橋墩接觸，由於"軟著陸"部分彈性較好，能顯著延長撞擊接觸時間，從而減小撞擊力，參見圖3，"軟著陸"部分位於複合材料殼 體的內側，並直接與橋墩接觸，可以僅在橋墩的稜角處設置(圖4)，也可連續設置一圈(圖 5)，也可以不設置"軟著陸"部分(圖2)。欄杆9和鋼絞線構成護欄部分(圖3)，在連續布 置的護欄上穿眼，高強鋼絞線通過欄杆穿眼即形成防撞護欄，護欄可採用經過耐腐蝕處理 的金屬欄杆，也可直接採用複合材料欄杆。由以上幾部分即構成自浮式複合材料橋梁防撞 系統。經前期實驗室撞擊測試，該複合材料防撞系統的防撞效果顯著，能有效削減撞擊力， 最大撞擊力可削減60%以上，可作為橋墩、碼頭以及海洋採油平臺等建築的自浮式防船撞 設施。 所述的纖維複合材料面層1由玻璃纖維布與樹脂固化而成，玻璃纖維布可採用雙 軸向布、多軸向布、網格布、纖維氈等，特殊領域也可採用碳纖維布、玄武巖纖維布、芳綸纖 維布。樹脂採用不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環氧樹脂、無機樹脂。 所述的芯材2優選為泡桐木，也可採用其它各種輕質木材、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、 PEI泡沫、PMI泡沫、強芯氈等夾芯材料；也可不採用芯材2，直接由纖維複合材料面層1構 成複合材料外殼。 所述的複合材料外殼內部填充材料3優選為橫向緊密布置的毛竹，毛竹的破碎過 程會消耗大量的撞擊能量，同時由於毛竹具有天然竹節，因而具有較強的抗剪性能，在與船 舶撞擊時，填充材料不易發生剪切破壞，毛竹之間的空隙可以填充木屑與樹脂的混合料，或 橡膠粒等，也可不填充。也可採用其它填充材料，如聚氨酯泡沫、泡沫鋁、回收的橡膠粒等。
所述的法蘭和螺栓4用於將單片構件組合成D型、箱型、D+箱型的封閉複合材料 外殼。法蘭邊為纖維與樹脂複合材料，螺栓優選高強不鏽鋼螺栓，也可採用鍍鋅或鍍鉻防鏽 處理的螺栓，或尼龍螺栓等。 所述的節段法蘭與螺栓5將工廠裡預先製備好的若干個防撞系統單元節段連成 整體，使之整體平面成橢圓形、圓形等形狀。法蘭邊為纖維與樹脂複合材料，或法蘭內埋鋼 板，增加連接剛度；螺栓優選高強不鏽鋼螺栓，也可採用鍍鋅或鍍鉻防鏽處理的螺栓，或尼 龍螺栓等。 所述的廢舊汽車輪胎6作為"軟著陸"部分的緩衝裝置，優選為物美價廉、彈性較
好的廢舊汽車輪胎，也可採用回收的廢舊橡膠粒、彈性橡膠塊、聚氨酯彈性體等。 所述的帆布袋7用於盛裝廢舊汽車輪胎6，可採用PVC帆布、PVDF帆布、Teflon帆
布等，帆布袋與橋墩接觸位置可設置或粘貼高強度低摩擦係數的PE板；帆布袋7也可規則
開孔，這樣帆布袋7中除了有汽車輪胎6，還盛滿水，在船舶撞擊下，除了汽車輪胎6緩衝延
長撞擊時間外，水也會從孔中噴出耗能。 所述的拉索8為高強鋼絞線，用於將帆布袋7固定於複合材料防撞圈上，避免帆布 袋7由於重力作用下垂。 所述的防撞護欄9由欄杆和鋼絞線組成，在連續布置的護欄上穿眼，高強鋼絞線 通過欄杆穿眼即形成防撞護欄，護欄可採用經過耐腐蝕處理的金屬欄杆，也可直接採用復 合材料欄杆。 上述的複合材料防撞系統的外殼採用真空導入成型工藝或手糊工藝製備。
實例1 本發明的複合材料橋梁防撞裝置，外殼為玻璃纖維與乙烯基樹脂固化而成的複合材料面層1 ，並採用泡桐木芯材2構成複合材料夾層結構外殼，外殼截面成半圓D型，採用真 空導入工藝製備，採用法蘭和螺栓4將D型外殼與平板外殼組合成封閉的複合材料外殼；復
合材料外殼內部填充橫向布置的毛竹3 ;將防撞系統單元節段圍繞矩形截面橋墩的四周，
採用法蘭和螺栓5連成整體的圓形複合材料防撞系統；在矩形截面橋墩的四個稜角處設置 薄橡膠塊減輕防撞圈與橋墩在水流作用下的撞擊。如圖4。
實例2 本發明的複合材料橋梁防撞裝置，外殼為玄武巖纖維與環氧樹脂固化而成的複合 材料面層1 ，構成複合材料層合板外殼，外殼截面成箱型，並設置倒角，採用真空導入工藝制 備，採用法蘭和螺栓4將箱型外殼與平板外殼組合成封閉的複合材料外殼；複合材料外殼 內部填充聚氨酯泡沫3 ;複合材料防撞圈內側設置由廢舊汽車輪胎6、TefIon帆布7和拉索 8構成的"軟著陸"部分，"軟著陸"部分僅設置在矩形橋墩的四個稜角位置；在防撞圈的頂 部連續布置複合材料護欄，並在護欄上穿眼，高強鋼絞線通過穿眼即形成防撞欄杆9 ;最後 將2片工廠裡預製好的防撞系統單元節段運至現場，圍繞橋墩四周，採用法蘭和螺栓5連成 整體的橢圓形複合材料防撞系統。
實例3 本發明的複合材料橋梁防撞裝置，外殼為玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂固化而成的 複合材料面層1，並採用泡桐木芯材2構成複合材料夾層結構外殼，外殼截面為D+箱型；復 合材料外殼內部填充回收的橡膠粒3;複合材料防撞圈內側設置由廢舊汽車輪胎6、PVDF帆 布7和拉索8構成的"軟著陸"部分，"軟著陸"部分沿防撞圈內側連續設置一圈；最後將4 片工廠裡預製好的1/4圓防撞系統單元節段運至現場，圍繞橋墩四周，採用法蘭和螺栓5連 成整體的圓形複合材料防撞系統。 本發明的複合材料橋梁防撞裝置採用真空導入成型工藝製備，具體流程如下
a.製備一套大型木或玻璃鋼模具，在模具上採用真空導入工藝製備以泡桐木為夾 芯材料2的玻璃纖維/乙烯基樹脂1複合材料防撞系統外殼； b.在複合材料外殼內部橫向緊密布置毛竹3，且毛竹之間的間隙內填充木屑與樹 脂的混合料； c.採用法蘭和螺栓4將單片構件組合成封閉的內部填充毛竹的複合材料外殼； d.在複合材料防撞圈內側設置由廢舊汽車輪胎6、帆布7和拉索8構成的"軟著
陸"部分，其中帆布7與橋墩接觸處設置或粘貼高強度低摩擦係數的PE板； e.在複合材料防撞圈的頂部連續設置複合材料欄杆，採用高強鋼絞線通過欄杆的
穿眼即形成防撞護欄9; f.將4片工廠裡預製好的1/4或1/2圓防撞單元運至現場，圍繞橋墩四周，採用法 蘭和螺栓5連成整體的複合材料防撞系統。 本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
一種複合材料橋梁防撞裝置，其特徵是它呈條狀或與橋梁外形相配的環狀結構，該條狀或環狀結構至少有一個防撞單元(10)或至少由一個防撞單元(10)與連杆(12)組成，相鄰且相互連接的兩個防撞單元(10)之間通過法蘭(4)和螺栓(5)相連，連杆(12)安裝在一個防撞單元(10)的兩端或相鄰的但不相連的兩個防撞單元(10)之間使之連成環狀結構；所述的防撞單元(10)由殼體(11)和填充在殼體(11)中的填充材料(3)組成，所述的殼體(11)為複合材料實心殼體或由內外兩層複合材料面層(1)及夾芯材料(2)組成的結構；所述的防撞單元(10)或者由殼體(11)和填充在殼體(11)中的填充材料(3)及安裝在殼體一側的裝滿緩衝材料(6)的帆布袋(7)組成，帆布袋(7)通過拉索(8)與殼體(11)相連，在殼體(11)上還連接有防撞欄杆(9)，所述的殼體(11)也為複合材料實心殼體或由內外兩層複合材料面層(1)及夾芯材料(2)組成的結構。
2. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的緩衝材料(6)為橡膠輪胎、橡膠 粒、橡膠塊或聚氨酯彈性體。
3. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的夾芯材料(2)為泡桐木、輕質木 材、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或強芯氈。
4. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的夾芯材料(2)為樹脂基纖維複合 材料層格構結構。
5. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的複合材料面層(1)由玻璃纖維布 與樹脂固化而成，玻璃纖維布為雙軸向布、多軸向布、網格布、纖維氈或碳纖維布、玄武巖纖 維布、芳綸纖維布中的一種，樹脂為不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環氧樹脂或無機樹脂。
6. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的填充材料(3)為橫向布置的毛竹、 聚氨酯泡沫、泡沫鋁或橡膠粒。
7. 根據權利要求6所述的防撞裝置，其特徵是所述的在毛竹之間填充有木屑與樹脂的 混合料或橡膠粒。
8. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的填充材料(3)為整體式複合材料 空腹格構體。
9. 根據權利要求1所述的防撞裝置，其特徵是所述的帆布袋(7)為PVC帆布、PVDF帆 布或Teflon帆布袋，帆布袋(7)與橋墩接觸位置粘貼有高強度低摩擦係數的PE板；所述的 帆布袋(7)為密閉或帶有規則開孔的結構，帆布袋(7)可直接用設置在殼體(11)內側的串 接成一個整體的緩衝材料(6)代替。
10. 根據權利要求l所述的防撞裝置，其特徵是所述的防撞欄杆(9)上設有穿裝鋼絞線 的穿眼以便將各防撞欄杆連成整體，防撞欄杆(9)為經過耐腐蝕處理的金屬欄杆或複合材 料欄杆。
全文摘要
一種複合材料橋梁防撞裝置，其特徵是它呈條狀或與橋梁外形相配的環狀結構，該條狀或環狀結構至少有一個防撞單元(10)或至少由一個防撞單元(10)與連杆(12)組成，相鄰且相互連接的兩個防撞單元(10)之間通過法蘭(4)和螺栓(5)相連，連杆(12)安裝在一個防撞單元(10)的兩端或相鄰的但不相連的兩個防撞單元(10)之間使之連成環狀結構；所述的防撞單元(10)由殼體(11)和填充在殼體(11)中的填充材料(3)及安裝在殼體一側的裝滿緩衝材料(6)的帆布袋(7)組成，帆布袋(7)通過拉索(8)與殼體(11)相連，在殼體(11)上還連接有防撞欄杆(9)，所述的殼體(11)也為複合材料實心殼體或由內外兩層複合材料面層(1)及夾芯材料(2)組成的結構。本發明成本低，防撞性能好，綠色環保。
文檔編號E01F15/00GK101718080SQ20091021308
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者劉偉慶, 莊勇, 張廣, 方海, 陸偉東, 陸勤豐 申請人:中鐵大橋勘測設計院有限公司;南京工業大學