预压式复合缓冲消能筒的制作方法

本发明涉及一种预压式复合缓冲消能筒，适用于桥墩在船舶撞击下的安全防护。

背景技术：

在航运交通快速发展的同时，航道桥梁遭受船舶撞击的风险也在增加，以往船桥碰撞事故往往造成巨大的社会经济损失以及人员伤亡，因此桥梁防船撞问题已经成为一个重要研究课题。

为降低船舶撞击桥梁事故造成的损失，国内外学者和工程设计人员对防撞装置开展了大量的研究。直接型防撞装置因对河道影响相对较小,工程造价较低,目前已得到广泛的应用。

目前已提出的直接型防撞装置主要分为4类：防撞护舷、钢箱、纤维增强复合材料防撞结构、钢箱与缓冲耗能材料的组合结构。

常见的防撞护舷主要包括橡胶护舷和复合材料护舷，橡胶护舷依靠其弹性变形吸收船舶动能，缓冲撞击力；复合材料护舷多为纤维增强复合材料壳体构件或格构型构件，并在壳体内部或格构舱内部填充缓冲消能材料，依靠复合材料与缓冲消能材料的变形吸收能量。防撞护舷一般固定在被防护构件表面，由于防撞护舷耗能能力较小，因此适用于防护等级不高的情况；

钢箱为钢板格构式箱体，碰撞过程中依靠钢结构的塑性变形耗散能量，具有良好的耗能与变形能力，然而在江海环境下钢箱容易因撞击或刮碰造成腐蚀，因此后期维护要求较高；

纤维增强复合材料防撞结构多为纤维增强复合材料制成的筒体结构，因其材料强度高、轻质以及耐腐蚀的优点，该类防撞结构目前已逐渐得到应用，但由于纤维增强复合材料属于脆性材料，其一，该类结构耗能性能相对钢箱较差；其二，防撞单元之间的连接容易发生材料脆断而使防撞结构失效；

钢箱与缓冲耗能材料的组合结构的特征在于钢箱的整体结构刚度较大，撞击过程中仅依赖缓冲耗能材料吸能，钢箱不耗能或耗能较小，因此其缓冲耗能能力存在很大的局限性；另外工程实践表明钢箱在轻度撞击或刮碰后的防腐问题难于解决。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术耗能性能、结构连接的缺陷，提出了一种耗能性能优良、结构连接可靠的预压式复合缓冲消能筒。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的预压式复合缓冲消能筒（I），包括主体构件内钢筒（1）、叠层张力筒（2）、预压吸能材料（3）以及其它连接和辅助构件（4）~（10）、（12）、（15）,内钢筒（1）与叠层张力筒（2）通过钢-橡胶活塞板（4）栓接；通过张拉预应力索束（6）将预压吸能材料（3）预压填充于内钢筒（1）与叠层张力筒（2）之间；预应力锚具（7）锚固于钢-橡胶活塞板（4），采用环氧树脂泡沫（9）密封预应力锚具；钢-橡胶活塞板（4）通过螺栓（8）与叠层张力筒（2）栓接；钢-橡胶活塞板（4）受挤压膨胀使内钢筒（2）与叠层张力筒（3）形成密闭结构；相邻预压式复合缓冲消能筒（I）节段之间通过法兰盘（5）栓接，采用叠层组合连接筒（10）包裹法兰盘（5），叠层组合连接筒（10）顶面与底面设有遇水膨胀橡胶止水片（11）。

所述叠层张力筒（2）为多层钢与复合材料叠层结构，所述复合材料为玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种与树脂制成。

所述预压吸能材料（3）通过张拉预紧力索束（6）填充于内钢筒（1）与叠层张力筒（2）之间；所述预压吸能材料（3）包括橡胶圈、橡胶粒、聚氨酯泡沫、汽车轮胎、陶粒。

所述钢-橡胶塞板（4）为钢板（16）与橡胶塞（17）的组合结构，二者通过硫化处理形成整体，所述橡胶塞（17）仿照注射器活塞构造，设置有环状凹以槽保证密封性能。

所述法兰盘（5）与内钢筒（1）在端部焊接，法兰盘材料选用钢材，沿法兰盘圆周布置螺栓孔。

所述预应力索束（6）包括预应力钢绞线、预应力钢筋、预应力钢丝、碳纤维增强筋、芳纶纤维增强筋、玻璃纤维增强筋等；锚具（7）包括夹片锚、支承式锚、锥形锚等。

所述预应力体系锚具（7）张拉锚固后采用环氧树脂泡沫（9）密封。

所述叠层组合连接筒（10）包括遇水膨胀橡胶止水片（11）、对接螺栓（12）、泡沫填充体（13）和叠层筒（14），其中泡沫填充体（13）可选用聚氨酯泡沫，叠层筒（14）为多层钢与复合材料叠层结构。

本发明相比现有技术有如下优点：

1. 本发明耗能主体为钢材与预压预压吸能材料，钢材具有优良的变形耗能性能，吸能材料经预压后形成整体受力体系，且受压后预压吸冲材料吸能能力也会显著增强，因此叠层张力筒与预压吸能材料的组合结构具有很好的缓冲消能性能；

2. 本发明预压吸能材料紧密填充于内钢筒与叠层张力筒之间，对叠层张力筒起到内撑作用，利用预压吸冲材料可恢复变形特点，碰撞结束后有利于叠层张力筒恢复变形，在一定程度上延长预压式复合缓冲消能筒的使用寿命；

3. 本发明预压吸能材料位于密闭空间内，可避免预压吸能材料在露天环境下的老化现象；

4. 本发明叠层张力筒采用多层钢与复合材料叠层结构，利用复合材料层耐腐蚀的特点，在轻度撞击或刮碰后无需维护，也无需重新进行防腐处理；

5. 本发明叠层张力筒为多层钢与复合材料叠层结构，利用复合材料具有轻质、高强的特点，有利于提高结构自浮能力；

7. 本发明消能筒节段之间采用钢质法兰盘栓接，采用法兰盘连接能够提供足够的连接刚度，增强结构的受力整体性；采用叠层组合连接筒包裹法兰盘，能够保护法兰盘遭受直接撞击，保护法兰盘因浸水而腐蚀，二者组合扬长避短，保证了消能筒节段之间的连接可靠性；

8. 叠层组合连接筒质量较小，对现场施工安装要求较低，且易于更换。

附图说明

附图1为本发明预压式复合缓冲消能筒横断面示意图，其中（a）、（b）预压吸能材料分别为轮胎与其它吸能材料；

附图2为预压式复合缓冲消能筒密封构造示意图；

附图3为钢-橡胶塞板的构造示意图；

附图4为叠层张力筒的断面构造示意图。

附图5为相邻消能筒之间的连接构造示意图，其中（a）为相邻消能筒节段之间的整体连接构造示意图；（b）为叠层组合连接筒的构造示意图；（c）为法兰盘的构造示意图。

附图6为预压式复合缓冲消能筒的使用安装状态示意图，其中（a）为现场施工安装示意图，组合体A与组合体B通过岸上作业完成；（b）为安装完成后的预压式复合缓冲消能筒的使用状态示意图。

其中：1—内钢筒；2—叠层张力筒；3—预压吸能材料；4—钢-橡胶塞板；5—法兰盘；6—预应力索束；7—锚具；8—螺栓；9—环氧树脂泡沫；10—叠层组合连接筒；11—遇水膨胀橡胶止水片；12—对接螺栓；13—聚氨酯泡沫；14—叠层筒；15—法兰盘螺栓；16—活塞钢板；17—橡胶活塞；18—桥墩；A—安装组合体A；B—安装组合体B。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本发明的预压复合缓冲消能筒，如图5所示。消能筒由主要构件内钢筒1、叠层张力筒2、预压吸能材料3构成以及其它连接或辅助构件（4）~（10）、（12）和（15），如图1与图（2）所示。采用下文所述的预压、封闭工艺流程制作预压式复合缓冲消能筒I。相邻预压式复合缓冲消能筒I节段之间通过内法兰盘5连接，并采用叠层组合连接体10包裹，如图5所示。通过岸上施工作业，将预压式复合缓冲消能筒I连接为组合体A与组合体B两部分，并浮运至桥墩处，通过法兰盘5现场拼接组合体A与组合体B，最后安装叠层连接体10，如图6所示。

本发明的吸能材料预压、内钢筒与叠层张力筒的密闭所采用的工艺流程具体如下：

a. 加工制作内钢筒；

b. 制作叠层张力筒；

c. 制作钢-橡胶塞板，钢板与橡胶塞通过硫化处理形成整体，并采用螺栓安装在内钢筒与叠层张力筒的一端；

d. 制作接长筒，接长筒两端可支托于内钢筒与叠层张力筒侧壁上；

e. 接长复合筒，将两个内钢筒与两个叠层张力筒通过接长筒连接；

f. 在内钢筒与叠层张力筒之间填放适量吸能材料；

g. 在复合筒接长端安装钢-橡胶塞板，沿复合筒轴向穿入预应力索束，在消能筒两端钢-橡胶塞板上安装锚具；

h. 在钢-橡胶塞板固定端逐步分级张拉预应力，直至将所有吸能材料压入本段消能筒筒内，停止张拉预应力；

i. 拆卸接长筒，锚固张拉端锚具；

j. 通过螺栓将活动端钢-橡胶塞板固定于叠层张力筒上；

k. 使用环氧树脂泡沫密封预应力锚具；

l. 制作法兰盘，并在内钢筒两端与内钢筒焊接。