一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱的制作方法

本发明涉及一种桥梁结构防漂浮物、船舶撞击浮式装置，尤其是涉及一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱。

背景技术：

为降低桥梁船撞风险而采取工程措施。当船舶撞击力接近或者远大于桥墩的承载能力时，设置附着于桥墩的防撞保护系统可以保护桥墩免受撞击破坏并避免由此导致的桥梁上部结构倒塌。而出于满足桥梁耐久性的要求，即使当船舶撞击力小于桥墩承载能力时，也可以设置相应规模的防船撞设施来防止如桥墩混凝土被船舶撞落等影响桥墩耐久性的破坏。

浮式装置与固定式装置相比，对水位变化明显、潮差大等情况适应力更强，同时工程造价相对较低。钢材力学性能稳定，相关技术工艺最为成熟，因此钢类浮式装置近些年得到较为广泛的应用，但也暴露一些问题：

首先是正常服役过程中，浮式装置不断与桥梁结构混凝土表面发生接触和摩擦，致使结构出现表层混凝土剥落、钢筋露出等病害。

撞后维修方面。当装置受到不同强度碰撞后，开展维修工作冗繁耗时。尤其是对于小强度撞击下发生局部损伤，导致装置密水性失效，都要将其从防撞装置上拆下后，在工厂进行大修（或重新制造新的单体），经水密试验确认，并达到钢结构防腐设计要求后，再进行安装、固定。当装置受到大型船舶的高强度碰撞后，造成装置的大面积受损，水体灌入箱体，若与桥梁结构无有效连接，导致装置沉入水中，损失严重。

防腐养护方面。作为钢类防撞结构，由于小型船舶碰撞、或较大型船舶低速碰撞或因其它偶然因素，造成局部轻微破损，加之潮湿的外部环境诱发破损处附近防腐漆皮大面积脱落现象经常发生，因此装置在设计使用寿命内防腐保养成为了又一亟需解决的问题。

中国专利cn102535329a公开了一种筒状复合材料桥梁防撞装置，由直筒形和弯筒形防撞单元总成。防撞单元由筒体和筒体内的填充材料体构成，且近桥梁结构侧设有移动装置。该专利结构简单，面对不确定性撞击荷载时，存在抗撞防线单一，性能分级不明确等问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱，其特征在于所述桥梁防撞钢浮箱包括内钢箱、外钢箱，耐蚀钢箱模块由下而上分为撞后防沉子模块和防撞子模块，撞后防沉子模块的内钢箱、外钢箱之间填充轻质高分子材料，防撞子模块的内钢箱和外钢箱之间填充橡胶类材料；

耐蚀钢箱模块近桥梁结构一侧设置有第一级缓冲-可缩进滚动接触模块和第二级吸能-滑动接触模块，第一级缓冲-可缩进滚动接触模块包括依次沿撞击方向叠加设置的折腹式吸能底座，可与桥梁结构发生滚动摩擦的滚动组件；第二级吸能-滑动接触模块包括依次沿撞击方向叠加设置的橡胶护舷，可与桥梁结构发生滑动接触的滑动组件；

所述的第一级缓冲-可缩进滚动接触模块中可与桥梁结构发生滚动摩擦的滚动组件比第二级吸能-滑动接触模块中可与桥梁结构发生接触的滑动组件沿撞击方向延展一定距离，即滚动组件与桥梁结构之间的距离小于滑动组件与桥梁结构之间的距离。

进一步地，上述距离视装置整体变形能力而定，一般以2~10cm为宜。

优选的，所述第一级缓冲-可缩进滚动接触模块和第二级吸能-滑动接触模块通过高强螺栓与第三级耗能-耐蚀钢箱模块连接。

更进一步优选的，第一级缓冲-可缩进滚动接触模块、第二级吸能-滑动接触模块通过垫板与第三级耗能-耐蚀钢箱模块连接，具体地，所述折腹式吸能底座焊接有垫板，所述垫板和外钢箱设有相配合的螺栓孔，橡胶护舷也设有与垫板相配合的螺栓孔，所述垫板通过高强螺栓与外钢箱连接，所述的橡胶护舷通过高强螺栓与垫板及外钢箱连接。

更优选的，所述的折腹式吸能底座屈服力和变形能力可以根据需求设计。

更进一步优选的，第一级缓冲-可缩进滚动接触模块和第二级吸能-滑动接触模块的整体刚度低于第三级耗能-耐蚀钢箱模块。

更进一步优选的，所述耗能-耐蚀钢箱模块中的内钢箱和外钢箱选用复合金属钢板制造，复合钢板可以是钛-钢轧制复合板、或钛-钢爆炸复合板或爆炸-轧制复合板。

更优选的，所述的撞后防沉子模块中，外钢箱内部和/或内钢箱内部焊接有纵向加劲肋条。

进一步优选的，所述的撞后防沉子模块中，内钢箱和外钢箱之间填充有轻质高分子材料，轻质高分子材料可以是模塑聚苯乙烯泡沫塑料(eps）、或硬质聚氨酯泡沫塑料（pur）、或聚乙烯泡沫塑料（pe）或其他轻质高分子材料。

进一步优选的，所述的防撞子模块中，内钢箱和外钢箱之间填充有橡胶类材料，橡胶类材料可以是橡胶圈、橡胶粒、橡胶轮胎或其他缓冲吸能效果良好的橡胶类材料。

更优选的，所述的折腹式吸能底座是圆形截面的波纹筒体，或者是方形截面的波纹筒体，或者是任意多边形截面的波纹筒体，材料优选软钢或变形能力突出的钢材。

更优选的，所述的橡胶护舷可以是圆筒型（cy），或者是半圆型（d），也或者是超级拱型（sa），也可以是超级鼓型（sc）或其他缓冲吸能效果良好的橡胶结构。

更优选的，第一级缓冲-可缩进滚动接触模块中可与桥梁结构发生滚动摩擦的滚动组件，可以是金属滚轮，或者是尼龙滚轮；

第二级吸能-滑动接触模块中可与桥梁结构发生接触的滑动组件可以是聚四氟乙烯滑板，或者是其他摩擦系数小，耐磨性好的板材。

更优选的，所述耗能-耐蚀钢箱模块中的内钢箱和外钢箱之间设有横向加劲板。

更优选的，所述多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱由若干个防撞节段组成，相邻防撞节段的内钢箱之间通过法兰盘连接，外钢箱之间通过连接搭板连接。

本发明中第三级耗能体是钢浮箱，也可以是钢浮筒等。

在桥梁结构正常运营条件下，多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱能够很好适应潮差大的情况，随水位变化不断抬升与落下。尤其在海洋环境，钢浮箱在设计基准期内的起落以万次累计，如何保证钢浮箱与桥梁结构良好接触，不对结构表面造成损伤是浮式防撞浮箱在非撞击工况中必须考虑的重要问题。通过钢浮箱各模块之间强度和刚度的合理分布，使得钢浮箱置在受到小型船舶碰撞、或较大型船舶低速碰撞或因其它偶然因素，指定模块发生损伤，不影响钢浮箱继续正常工作，修复时，只需进行构件层面的模块维修或更换。当钢浮箱受到大型船舶的高强度碰撞后，各防撞模块依次发生破坏，修复时，完成防撞节段层面的维修或更换。另外，作为钢类防撞结构的防腐保养问题十分重要，如何实现钢浮箱在正常服役过程中、或轻度撞击、刮碰后的免维护问题值得深入研究。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、多级抗撞设防，模块划分清晰，易于建立钢浮箱的性能指标和性能等级划分。包括：第一级缓冲-可缩进滚动接触模块、第二级吸能-滑动接触模块、第三级耗能-耐蚀钢箱模块。

二、可更换、维修简单、工程价值和经济效益突出。小撞小修：维修或更换第一级缓冲-可缩进滚动接触模块、第二级吸能-滑动接触模块。大撞大修：维修或更换第三级耗能-耐蚀钢箱模块。

三、自浮能力强、严重破损后仍具备自浮能力。结合工程经验，设置不同子功能区域模块。现有船体结构设计及典型船撞事故案例表明，水上部分防撞装置为主要受力区域，水下部分次之。本发明由下而上划分为撞后防沉子模块，防撞子模块。撞后防沉子模块保证装置破损进入水体不发生沉没，内设纵向加劲肋条和轻质高分子材料，在保证整体装置具备很强自浮能力的同时，具备良好的缓冲耗能能力。防撞子模块为主要受撞区域，内置橡胶类材料，变形能力强，缓冲效果显著。

四、缓冲效果明显，耗能能力突出。折腹式吸能底座变形能力强，低强度撞击下，折腹式吸能底座首先发生变形，具备一定缓冲消能效果，其他模块未发生变形或变形不明显。中等强度撞击下，折腹式吸能底座变形明显，超过指定延展距离后，协同橡胶护舷产生良好的缓冲效果，此时主体钢箱未发生或发生轻微变形。高强度撞击下，第一级、第二级抗撞防线依次工作后，进一步地，主体钢箱发生变形，双层钢结构配合内置橡胶类材料或高分子材料，使得装置主体耗能能力突出。

五、耐蚀性极强，复合钢板使得装置正常服役过程中、或轻度撞击、刮碰后免维护。解决了小型船舶碰撞、或较大型船舶低速碰撞或因其它偶然因素，造成局部轻微破损诱发附近防腐漆皮大面积脱落的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱典型断面图；

图2为直线型防撞节段立面图；

图3为图2的平面图；

图4为第一级缓冲-可缩进滚动接触模块和第二级吸能-滑动接触模块的立面图；

图5为图4的平面图；

图6为折腹式吸能底座（圆筒形）结构示意图；

图7为折腹式吸能底座（圆筒形）的力-位移曲线；

图8为橡胶护舷结构（sa型）横断面；

图9为橡胶护舷结构（sa型）立面图；

图10为内钢箱法兰构造连接图；

图11为图10的i-i剖视图；

图12为图10的平面图；

图13为a部大样图；

图14为外钢箱连接搭板构造图；

图15为图14的b部大样图；

图16为图2中端板构造图；

图17为图16的侧视图；

图18为横向加劲板构造图；

图19为图18的侧视图；

图20为弯曲型防撞节段平面示意图；

图21为角隅过渡型防撞节段平面示意图；

图22为防撞结构整体示意图；

图23为本发明实施例二的一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱典型断面图；

图24为实施例二的第一级缓冲-可缩进滚动接触模块和第二级吸能-滑动接触模块的立面图；

图25为图24的平面图；

图26为折腹式吸能底座（方筒形）结构示意图；

图27为防撞结构整体示意图；

图中标号所示：

1-外钢箱，2-内钢箱，3-纵向加劲肋条，4-轻质高分子材料（聚氨酯泡沫），5-橡胶类材料（橡胶轮胎），6-圆筒形折腹式吸能底座，7-滚动组件，8-垫板，9-sa型橡胶护舷，10-高强螺栓，11-滑动组件（聚四氟乙烯板），12-承台/桥墩，13-横向加劲板，14-端板，15-法兰盘，16-法兰盘加劲肋，17-连接搭板，18-肋口，19-螺栓孔，20-端板壁板，21-d型橡胶护舷，22-方筒形折腹式吸能底座，a-第一级缓冲-可缩进滚动接触模块，b-第二级吸能-滑动接触模块，c-第三级耗能-耐蚀钢浮箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱，其结构参见图1至图14所示，包括围绕桥墩或承台设置的若干个防撞节段，每一防撞节断均包括：

第一级缓冲-可缩进滚动接触模块a：包括沿撞击方向依次叠加设置的垫板8、圆筒形折腹式吸能底座6、滚动组件（金属滚轮）7，其中，圆筒形折腹式吸能底座6与垫板8通过焊接进行连接，垫板8和外钢箱1上设有螺栓孔19，垫板8通过高强螺栓10与外钢箱1进行连接。

第二级吸能-滑动接触模块b：包括沿撞击方向依次叠加设置的sa型橡胶护舷9，sa型橡胶护舷9顶面设置有滑动组件（聚四氟乙烯板）11，sa型橡胶护舷9设置有与垫板8相对应的螺栓孔19，通过高强螺栓10与外钢箱1进行连接。

第三级耗能-耐蚀钢浮箱c：包括内钢箱、外钢箱，钢浮箱由下而上在水位线处分为撞后防沉子模块和防撞子模块，撞后防沉子模块的内钢箱2、外钢箱1之间填充轻质高分子材料（聚氨酯泡沫）4，防撞子模块的内钢箱2和外钢箱1之间填充橡胶类材料（橡胶轮胎）5。

本实施例中第一级缓冲-可缩进滚动接触模块比第二级吸能-滑动接触模块沿撞击方向延展2cm，以使得在受到撞击时，承台/桥墩首先与第一级缓冲-可缩进滚动接触模块接触，在第一级缓冲-可缩进滚动接触模块进行第一级缓冲。

如图1所示，示例中，水位线以下，外钢箱1内部沿指定距离设置纵向加劲肋条3。

如图2~图3所示，示例中直线型防撞节段中，橡胶类材料（橡胶轮胎）5通过外钢箱1上最上部的焊接的纵向加劲肋条3，沿装置轴向竖直放入外钢箱1和内钢箱2两侧预留空间，沿装置轴向水平放入外钢箱1和内钢箱2顶部预留空间。

如图2~图3所示，示例中直线型防撞节段中，外钢箱1和内钢箱2两侧预留空间及底部空间填充轻质高分子材料（聚氨酯泡沫）4。

外钢箱1和内钢箱2沿指定距离焊接有横向加劲板13。

如图6所示，示例中圆筒形折腹式吸能底座的半径为10cm，壁厚为2cm，高度为20cm。

如图7所示，示例中圆筒形折腹式吸能底座发生20mm变形时，可产生2100kn水平力。如图2所示，示例中直线型防撞节段沿轴向方向，设置并列的两个圆筒形折腹式吸能底座，它们是力学上的并联关系，可提供4200kn（2100kn×2）的水平力。

如图10所示，内钢箱2端部设有法兰盘15，示例中法兰盘15沿四周设置有螺栓孔19和法兰盘加劲肋16。

节段内钢箱2之间法兰盘15和高强螺栓10进行连接。

如图14所示，连接搭板17上设有螺栓孔，与端板14和外钢箱1预留螺栓孔对应，上述三者通过高强螺栓10进行连接。

如图16所示，示例中端板14设置有与外钢箱1上纵向加劲肋条3相对应的肋口18。端板壁板20上设有螺栓孔19，端板14通过高强螺栓10和外钢箱1端部设置的螺栓孔19与外钢箱1进行连接。

如图18所示，示例中横向加劲板13设置有与外钢箱1上纵向加劲肋条3相对应的肋口18。

如图20所示，示例中所述的弯曲型防撞节段外钢箱1和内钢箱2可以弯曲指定角度，适应桥梁结构几何尺寸变化。

如图21所示，示例中所述的角隅过渡节段外钢箱1和内钢箱2可以沿指定角度进行连接，适应防撞结构宽度变化需求。

如图22所示，示例中的防撞钢箱可以很好适应桥梁结构几何尺寸，在不同方向提供不同节段宽度，满足不同设防要求。

实施例二

一种多级缓冲耗能型防撞耐蚀钢浮箱，其结构参见图23所示，与实施例一不同的是，橡胶类材料（橡胶轮胎）5通过外钢箱1上最上部的焊接的纵向加劲肋条3，垂直装置轴向竖直放入外钢箱1和内钢箱2两侧预留空间，外钢箱1和内钢箱2上均设置纵向加劲肋条3。

与实施例一不同的是，第一级缓冲-可缩进滚动接触模块中为方筒形折腹式吸能底座22、结构示意图见图24。第二级吸能-滑动接触模块中设置d型橡胶护舷21。

如图示，示例中的防撞钢箱可以很好适应桥梁结构几何尺寸。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。