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自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置的製作方法

2023-09-16 02:02:30

專利名稱:自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置的製作方法
技術領域:
本發明涉及一種橋梁防撞裝置,尤其是一種強度高、耗能好、耐腐蝕、自浮式且採用綠色環保材料製造的複合材料橋梁壓水防撞裝置,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)撞擊災害的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置。
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為了適應橋梁在遭受船舶撞擊時,實現橋梁、船舶和防撞系統損傷最小以及防撞系統可隨水位上、下自浮等要求,設計一種利用水的運動耗能減輕撞擊災害程度的耐腐蝕性好的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置。
本發明的技術方案是 —種自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是它由殼體部分12和噴水耗能部分13組成,噴水耗能部分13緊貼橋梁安裝,殼體部分12安裝在噴水耗能部分13的外側,所述的殼體部分12由複合材料面層1、夾芯材料層2和填充材料體3組成,夾芯材料層2夾裝在複合材料面層1中並形成殼壁14,填充材料體3裝填在殼壁14形成的空間中;所述的噴水耗能部分13由裝滿水10的帆布水袋6、沿帆布水袋6的橫向每隔一定距離布置一圈的橫向柔性樹脂骨架8和沿水袋的縱向布置的縱向柔性樹脂骨架9組成,在帆布水袋6上規則布置有排水孔7 ;在所述的殼體部分12上還安裝有欄杆11。 所述的殼體部分12的殼壁14為完整的整體結構或由通過法蘭結構4連接的分體式結構,其斷面形狀呈D形、箱形或其結合。 所述的殼體部分12由兩個或兩個以上相同部分通過法蘭結構5相連成圓環狀或橢圓環狀結構。 所述的夾芯材料層2為泡桐木、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或強芯氈夾芯材料層。 所述的夾芯材料層2為樹脂基纖維複合材料格構體。
所述的填充材料體3為毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫鋁或橡膠粒。
所述的填充材料體3為整體式複合材料空腹格構結構。 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。 所述的帆布水袋6為PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋;帆布水袋6上開的排水孔7為圓形、矩形、正方形或橢圓形,排水孔7在位於帆布水袋6的頂部、底部或側部;排水孔7上加裝有圓形帆布蓋並通過尼龍氈扣或塑料封口封住,在遭受船撞時,帆布蓋自動被水衝開。 所述的橫向骨架8為柔性聚氨酯樹脂骨架、竹藤骨架或鋼絞線骨架;橫向骨架8沿水袋的橫向間隔,且呈圓形或橢圓形;所述的縱向骨架9為柔性聚氨酯樹脂骨架、竹藤骨架或鋼絞線骨架;它沿縱向布置。
本發明的有益效果 1)本發明的外殼採用了強耐腐蝕、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)創新性地利用排水消能機理,使在發生船隻撞擊橋墩事故時,通過大量的水從水袋頂部(底部或側部)的排水孔以較快速度噴出,吸收大部分撞擊能量;
3)壓水防撞系統具有"多級設防"的功能,當撞擊力較小時,內層水袋排水耗散能量,當撞擊力稍大時,箱型複合材料圈以橋墩相鄰稜角為支點發生整體彈性彎曲變形,當撞擊力很大時,船舶擠壓箱型複合材料圈,毛竹壓碎耗能; 4)船撞事故後,撞扁的帆布水箱在柔性樹脂圈的彈性作用下自動撐開,往其頂部的排水孔中灌水,即可恢復原狀。 5)本發明結構簡單,製造、安裝、維護方便,成本低,綠色環保。


圖1為本發明的複合材料橋梁壓水防撞系統的複合材料外殼及內部填充材料部分基本構造示意圖,圖中共有a、 b、 c、 d四種外殼結構形式;
圖2為完整的複合材料壓水防撞系統某一斷面的剖面圖。 圖3為橋墩的墩身設置圓形防撞圈示意圖,其中圖3(a)為立面圖,圖3(b)為平面圖;且圖3(b)為防撞系統單元節段通過法蘭和螺栓連接成防撞圈示意圖。
圖4為橋塔的兩個塔身同時設置橢圓形防撞圈示意圖,其中圖4(a)為立面圖,圖4(b)為平面圖。
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。
如圖l-4所示。 —種自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,它由殼體部分12 (圖1)和噴水耗能部分13組成(圖2),噴水耗能部分13緊貼橋梁安裝,殼體部分12安裝在噴水耗能部分13的外側,所述的殼體部分12由複合材料面層1、夾芯材料層2和填充材料體3組成,夾芯材料層2夾裝在複合材料面層1中並形成殼壁14,填充材料體3裝填在殼壁14形成的空間中;所述的噴水耗能部分13由裝滿水10的帆布水袋6、沿帆布水袋6的橫向每隔一定距離布置一圈的橫向柔性樹脂骨架8和沿水袋的縱向布置的縱向柔性樹脂骨架9組成,在帆布水袋6上規則布置有排水孔7 ;在所述的殼體部分12上還安裝有欄杆11。
詳述如下 總體來看,本發明的防撞系統可分成四大部分由纖維複合材料面層1、泡桐木芯材2、法蘭結構4構成的複合材料殼體部分12,由填充毛竹3形成的複合材料外殼的內部抗剪消能部分,由帆布水袋6、水袋上的排水孔7、橫向柔性樹脂骨架8、縱向柔性樹脂骨架9、水袋中盛滿的水10構成的"噴水耗能"部分,欄杆11和鋼絞線構成的護欄部分。
複合材料殼體部分12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、芯材2,複合材料外殼的形狀可以為D型(圖l(a、 b))、箱型(圖l(c))、D+箱型(圖l(d))等多種形狀,外殼可以一次成型(圖1 (a)),也可以先製備單片構件,再通過法蘭結構4組合成封閉的外殼(圖1 (b、c、d)),該複合材料外殼直接與船舶撞擊接觸,需具備一定的剛度,該外殼也可不採用芯材2,直接由玻璃纖維布與樹脂形成複合材料層合外殼。複合材料外殼內部的填充部分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製備好若干個節段,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3 (b),複合材料防撞系統的整體平面形狀可以為圓形(圖3)、橢圓形(圖4)或與橋墩截面形狀一致,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。由帆布水袋6、水袋上的排水孔7、橫向柔性樹脂骨架8、縱向柔性樹脂骨架9、水袋中盛滿的水IO構成的"噴水耗能"部分(圖2),當船舶與防撞系統撞擊時,"噴水耗能"部分首先與橋墩接觸,帆布水袋由PVC帆布、PVDF帆布、Tef lon帆布等製成,能容納較大容量的水,帆布頂部(側部或底部)每隔一定距離開一個直徑約10cm左右的圓孔,圓孔平常由圓形帆布蓋通過尼龍氈扣或塑料特製封口封住,在遭受船撞時,帆布蓋被水衝開,帆布水袋中大量的水以一定的速度衝向空中或水中,耗散撞擊能量。帆布水袋中可設置橫向柔性樹脂骨架8和縱向柔性樹脂骨架9,直徑約10cm,沿帆布水箱的縱橫向布置。柔性樹脂骨架沿防撞系統的橫向每隔一定距離布置一圈,且柔性樹脂彎成圓形;柔性樹脂沿防撞系統的縱向布置若干根,且柔性樹脂彎成橢圓形或圓形。船撞事故後,撞扁的帆布水箱在縱橫向柔性樹脂圈8、9的彈性作用下自動撐開,隨後往其頂部的圓孔中灌水,即可恢復原狀。複合材料壓水防撞圈採用節段工廠製造,現場通過法蘭和螺栓5連接(圖3(b))。欄杆11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壓水防撞系統。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50%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。 具體實施時纖維複合材料面層1可由玻璃纖維布與樹脂按常規比例混配固化而 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。
夾芯材料層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。 複合材料殼壁13圍成的空間中的填充材料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。 法蘭結構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。 具體實施時,速個防撞裝置既可為一個整體式結構,也可為由多段現場組裝式結 構,現場組裝時,段與段之間可通過法蘭結構進行連接,如圖3(b)所示,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。 帆布水袋6可採用PVC帆布、PVDF帆布、Teflon帆布等製成,能容納較大容量的 水。帆布水袋6上的排水孔7優選為圓形,可為矩形、正方形、橢圓形;排水孔在水袋上的位 置可為頂部、底部或側部;排水孔由圓形帆布蓋通過尼龍氈扣或塑料特製封口封住,在遭受 船撞時,帆布蓋被水衝開,帆布水袋6中盛滿的水10 —般處於盛滿狀態,也可部分盛滿;還 可盛其它液體。 橫向骨架8可採用柔性聚氨酯樹脂製備,也可為其它具有一定彈性的材料,如竹 藤、鋼絞線;橫向柔性樹脂骨架沿水袋的橫向每隔一定距離布置一圈,且柔性樹脂彎成圓形 或橢圓形。縱向骨架9可採用柔性聚氨酯樹脂製備,也可為其它具有一定彈性的材料,如 竹藤、鋼絞線;縱向柔性樹脂骨架沿防撞系統的縱向布置若干根,且柔性樹脂沿防撞系統的 外形彎成一定形狀。 所述的殼體部分上的所有防撞欄杆11可由一根或多根鋼絞線串接成一個整體, 在連續布置的欄杆上穿眼,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。 上述的複合材料防撞系統的殼體還可採用真空導入成型工藝或手糊工藝製備。
實例l。 本發明的複合材料橋梁壓水防撞裝置,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,採用法蘭結構4將D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,採用法蘭結構5連成整體的圓形複合材料防撞系統;複合材料防撞圈內側設置環形 帆布袋6,帆布水袋頂部間隔布置圓形的排水孔7,且排水孔由塑料封口封住,水袋6中盛滿 水10。如圖3所示。
實例2。 本發明的複合材料橋梁壓水防撞裝置,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 藝製備,採用法蘭結構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環形帆布袋6,帆布水袋側部間隔布置 圓形的排水孔7,且排水孔由圓形帆布蓋通過尼龍氈扣封住,沿帆布水袋6的橫向每隔一定 距離布置一圈橫向柔性竹藤骨架8,沿防撞系統的縱向布置若干根柔性聚氨酯樹脂骨架9 且柔性樹脂沿防撞系統的外形彎成一定形狀,水袋6中盛滿水10。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11 ;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,採用法蘭結構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壓水防撞系統,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l,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;複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環形帆布袋6,帆布 水袋底部間隔布置圓形的排水孔7,且排水孔由圓形帆布蓋通過尼龍氈扣封住,沿帆布水袋 6的橫向每隔一定距離布置一圈橫向柔性鋼絞線骨架8,沿防撞系統的縱向布置若干根柔 性鋼絞線骨架9且柔性樹脂沿防撞系統的外形彎成一定形狀,水袋6中盛滿水10。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 11 ;最後將4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,採用法蘭結構 5連成整體的圓形複合材料防撞系統,如圖4所示。 本發明的複合材料橋梁壓水防撞系統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環形帆布袋6,帆布水袋底部間隔布置圓形的排水 孔7,且排水孔由圓形帆布蓋通過尼龍氈扣封住; e.沿帆布水袋6的橫向每隔一定距離布置一圈橫向柔性樹脂骨架8,沿防撞系統 的縱向布置若干根柔性樹脂骨架9且柔性樹脂骨架9沿防撞系統的外形彎成一定形狀,水 袋6中盛滿水10。 f.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ll ; g.將4片工廠裡預製好的1/4或1/2圓防撞系統單元節段運至現場,圍繞橋墩四 周,採用法蘭結構5連成整體的複合材料防撞裝置。 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
一種自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是它由殼體部分(12)和噴水耗能部分(13)組成,噴水耗能部分(13)緊貼橋梁安裝,殼體部分(12)安裝在噴水耗能部分(13)的外側,所述的殼體部分(12)由複合材料面層(1)、夾芯材料層(2)和填充材料體(3)組成,夾芯材料層(2)夾裝在複合材料面層(1)中並形成殼壁(14),填充材料體(3)裝填在殼壁(14)形成的空間中;所述的噴水耗能部分(13)由裝滿水(10)的帆布水袋(6)、沿帆布水袋(6)的橫向每隔一定距離布置一圈的橫向骨架(8)和沿水袋的縱向布置的縱向骨架(9)組成,在帆布水袋(6)上規則布置有排水孔(7);在所述的殼體部分(12)上還安裝有欄杆(11)。
2. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的殼體部分(12)的殼壁(14)為完整的整體結構或由通過法蘭結構(4)連接的分體式結構,其斷面形狀呈D形、箱形或其結合。
3. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的殼體部分(12)由兩個或兩個以上相同部分通過法蘭結構(5)相連成圓環狀或橢圓環狀結構。
4. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的夾芯材料層(2)為泡桐木、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或強芯氈夾芯材料層。
5. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的夾芯材料層(2)為樹脂基纖維複合材料格構體。
6. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的填充材料體(3)為毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫鋁或橡膠粒。
7. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的填充材料體(3)為整體式複合材料空腹格構結構。
8. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,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。
9. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的帆布水袋(6)為PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋;帆布水袋(6)上開的排水孔(7)為圓形、矩形、正方形或橢圓形,排水孔(7)在位於帆布水袋(6)的頂部、底部或側部;排水孔(7)上加裝有圓形帆布蓋並通過尼龍氈扣或塑料封口封住,在遭受船撞時,帆布蓋自動被水衝開。
10. 根據權利要求1所述的自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是所述的橫向骨架(8)為柔性聚氨酯樹脂骨架、竹藤骨架或鋼絞線骨架;橫向骨架(8)沿水袋的橫向間隔,且呈圓形或橢圓形;所述的縱向骨架(9)為柔性聚氨酯樹脂骨架、竹藤骨架或鋼絞線骨架;它沿縱向布置。
全文摘要
一種自浮式複合材料橋梁壓水防撞裝置,其特徵是它由殼體部分(12)和噴水耗能部分(13)組成,噴水耗能部分(13)緊貼橋梁安裝,殼體部分(12)安裝在噴水耗能部分(13)的外側,所述的殼體部分(12)由複合材料面層(1)、夾芯材料層(2)和填充材料體(3)組成,夾芯材料層(2)夾裝在複合材料面層(1)中並形成殼壁(14),填充材料體(3)裝填在殼壁(14)形成的空間中;所述的噴水耗能部分(13)由裝滿水(10)的帆布水袋(6)、沿帆布水袋(6)的橫向每隔一定距離布置一圈的橫向骨架(8)和沿水袋的縱向布置的縱向骨架(9)組成,在帆布水袋(6)上規則布置有排水孔(7);在所述的殼體部分(12)上還安裝有欄杆(11)。本發明結構簡單,製造、安裝、維護方便,成本低,綠色環保。
文檔編號E01F15/14GK101709574SQ20091021308
公開日2010年5月19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, 王應良, 陸偉東 申請人:南京工業大學;中鐵大橋勘測設計院有限公司

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