一种恶劣海况条件下桥墩自调节保护装置及控制方法与流程

本发明属于一种海工桥梁技术领域，特别涉及一种恶劣海况条件下桥墩自调节保护装置及控制方法。

背景技术：

跨海大桥是我国大型海上交通工程，是海洋经济发展的交通保障。近年来随着海洋的不断开发及我国交通事业的快速发展，推动了越来越多的跨海桥梁的兴建，并规划不断往外海域、深海域发展。目前众多跨海大桥己建成，如杭州湾跨海大桥，港珠澳大桥等，这些桥梁的水深多在10m～40m左右，而目前规划中的渤海湾通道、琼州海峡通道和台湾海峡通道的水深大多在60m以上。据文献记载，海浪曾将重达上万斤的巨石抛到20米高处，也曾把万吨货轮推上海岸，由此可见，跨海桥梁不间断地遭受相当强度的波浪作用力。通常我国渤海浪高为9米，南海可达19.5米，波浪带来的破坏力不容忽视，由于跨海桥梁所处的海域环境极其恶劣和复杂，跨海桥梁的安全面临重大技术挑战。

恶劣海况条件下，桥梁主要遭受波浪、甚至海啸作用的结构是桥墩承台部分。桥墩承台是通过插入海底的桩柱支撑的，由于目前桥梁所处水深较大，作用在承台上的水平作用力会对海底产生很大的力矩。当力矩大到一定程度后，会使得承台发生位移，从而破坏桥梁上层路面结构，直接威胁桥梁整体安全。目前，随着桥梁工程往外海推进，桥墩承台尺寸不断增大，波浪尺度也在增加，承台所受作用力也越来越大，同时为了保护承台不受船舶作用的防撞设备也在一定程度上增大承台尺寸，承台所受波浪力也相应增大。目前，针对恶劣海况条件桥梁保护装置基本没有，一旦发生极端天气，桥梁安全难以得到保障。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术存在问题，提供一种恶劣海况条件下桥墩自调节保护装置及方法，该装置适用性强，结构简单，经久耐用，用途多样，能够有效保护桥梁安全。

本发明提供的技术方案是：一种恶劣海况条件下桥梁自调节保护装置，包括设置在桥墩结构周围的主体结构、设置在桥墩内部的注水排水调节结构；所述主体结构主要由金属外框和橡胶囊组成；所述金属外框共分为两块，分别包裹在桥墩迎浪面和背浪面，所述金属外框内并排布置至少三个所述橡胶囊，所述橡胶囊一侧紧贴桥墩，另一侧紧贴金属外框内侧；所述注水排水调节结构给橡胶囊注水或排水。

进一步的，所述注水排水调节结构主要是由双向泵、第一电磁蝶阀、第二电磁蝶阀、第三电磁蝶阀、第一三通、第二三通、第三三通、第一四通、第二四通、水流消能芯、吸排水管组成；所述双向泵一端通过吸排水管伸入到海水里，所述双向泵另一端通过输水管和第一三通入口相连通，所述第一三通两个出口通过输水管分别与第一电磁蝶阀和第二电磁蝶阀相连通，所述第一电磁蝶阀再通过输水管和第二三通入口相连通，所述第二三通的第一出口通过输水管与第一四通入口相连通，所述第二电磁蝶阀再通过输水管和第三三通入口相连通，所述第三三通的第一出口通过输水管与第二四通入口相连通，所述第二三通的第二出口通过输水管依次和第三电磁蝶阀、水流消能芯以及第三三通的第二出口相连通，所述第一四通的三个出口和第二四通的三个出口分别通过输水管与桥墩迎背浪面橡胶囊相连通。

进一步的，还包括监控分析设备，所述监控分析设备主要由波高仪、测距仪、无线发射器、无线接收器和中央控制电脑组成；所述波高仪通过支撑结构固定在桥墩前沿偏外侧，所述支撑结构上布置所述无线发射器且和所述波高仪相连；所述测距仪布置在所述金属外框上，所述金属外框上布置所述无线发射器且和所述测距仪相连；所述无线接收器和所述中央控制电脑通过无线相连；所述双向泵、第一电磁蝶阀、第二电磁蝶阀和第三电磁蝶阀受控于中央控制电脑。

进一步的，所述双向泵、第一电磁蝶阀、第二电磁蝶阀和第三电磁蝶阀布置在桥墩内预先设置的防水仪器室内，且均通过动力电缆和变频器相连，所述变频器通过网线和中央控制电脑相连。

进一步的，在桥墩左右侧面上下交替各布置一个限位滑动器，所述限位滑动器主要由和所述金属外框固定相连的“工”字型滑轨和内嵌在桥墩侧面的滑槽组成。

进一步的，所述金属外框迎外侧布置橡胶软垫。

进一步的，所述无线接收器和所述中央控制电脑均布置在控制室内。

进一步的，所述吸排水管为pvc透明钢丝软管；所述吸排水管的进排水口设有滤网。

进一步的，所述吸排水管的进排水口外侧加装重物，且进排水口高程低于桥墩海域的极端低水位。

本发明还提供一种恶劣海况条件下桥梁自调节保护装置的控制方法，包括如下步骤：

a.当十分之一波高在0m～4.0m范围内，此时该海况条件下桥梁自调节保护装置处于休眠状况，即橡胶囊水体排空，双向泵、第一电磁蝶阀、第二电磁蝶阀和第三电磁蝶阀均处于关闭状态；

b.当十分之一波高在4.0m～9.0m范围内，中央控制电脑根据波高仪测量的实时波浪数据统计出大浪对应的周期t，利用波浪弥散关系并结合当地水深h计算出大浪对应的波长l，并以此计算桥墩保护装置长度b和波长l的无因次量kb，其中k＝2π/l；根据桥墩保护装置伸缩长度范围和波长l确定无因次量kb变化范围，再利用无因次量kb与桥墩波浪力的关系，所述无因次量kb与桥墩波浪力的关系通过物理模型试验结果拟合确定，寻找无因次量kb对应范围内最小桥墩波浪力值，以此确定对应的kb值，最终结合波长l反算出桥墩保护装置的最佳保护长度；

c.打开双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀，向桥墩迎浪面和背浪面的橡胶囊注水，测距仪实时测量承台长度，待达到指定长度，关闭双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀；

d.每隔0.5～2个小时重复一次步骤b和步骤c，根据大浪实时数据通过注排水调节承台长度达到最佳保护长度；

e.当十分之一波高大于9.0m，打开双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀，提前在迎、背浪面橡胶囊注入一定水，之后关闭双向泵和所有电磁蝶阀，迎浪面橡胶囊注水多于背浪面，但两者之和小于单侧总注水量；

f.波高实时监测海面变化，一旦监测到畸形波或者海啸，第三电控蝶阀打开，第一电控蝶阀和第二电控蝶阀关闭；待畸形波或者海啸作用后，通过注排水管路重新调节迎背浪面橡胶水囊的水量，以备再用；

g.待海况条件转好，自保护系统休眠，恢复到初始状态。

本发明的有益效果如下：

1、实用性，本发明提供了一种恶劣海况条件下桥墩自调节保护装置，平常海况调节下，可作为防船撞装置；恶劣海况条件下，能够根据海况采取适当措施，有效减小作用在桥墩上的波浪水平总力最大值，从而保护桥梁安全。

2、耐久性，本发明通过注水排水调节桥墩自调节保护装置长度，橡胶囊内的水和外面的水相抵消，减轻承台结构附加质量，同时采用水泵注、排水，减少机械传动结构，避免在高盐度海区机械锈蚀而引发的机械故障，提高设备耐久性。

3、经济性，本发明结构简单，施工难度小，构建速度快，可以和传统桥墩防船撞装置相结合，成本相对较低。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明的侧视结构示意图；

图3是本发明的图1正向剖视结构示意图；

图4是本发明桥墩内部正向剖视图；

图5是无因次量kb与桥墩波浪力的关系图；

图中：1、主体结构，1-1、金属外框，1-2、橡胶囊，1-3、限位滑动器，1-3-1、“工”字型滑轨，1-3-2、滑槽，1-4、橡胶软垫，2、注水排水调节结构，2-1、双向泵，2-2、第一电磁蝶阀，2-3、第二电磁蝶阀，2-4、第三电磁蝶阀，2-5、第一三通，2-6、第二三通，2-7、第三三通，2-8、第一四通，2-9、第二四通，2-10、水流消能芯，2-11、吸排水管，3、监控分析设备，3-1、测距仪，3-2、无线发射器，4、桥墩。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

请参见图1～图4，一种恶劣海况条件下桥梁自调节保护装置，其特征在于：包括设置在桥墩结构周围的主体结构1、设置在桥墩内部的注水排水调节结构2及监控分析设备3；

所述主体结构主要由金属外框1-1和橡胶囊1-2组成；所述金属外框1-1共分为两块，分别包裹在桥墩迎浪面和背浪面，所述金属外框1-1内并排布置至少三个所述橡胶囊1-2，所述橡胶囊一侧紧贴桥墩，另一侧紧贴金属外框内侧，在桥墩左右侧面上下交替各布置一个限位滑动器1-3，所述限位滑动器1-3主要由和所述金属外框1-1相连的“工”字型滑轨1-3-1和内嵌在桥墩侧面的滑槽1-3-2组成，所述金属外框迎背浪面布置橡胶软垫1-4，防止船舶撞击时尖锐结构物划破橡胶囊造成水体泄露。

所述注水排水调节结构2主要是由双向泵2-1、第一电磁蝶阀2-2、第二电磁蝶阀2-3、第三电磁蝶阀2-4、第一三通2-5、第二三通2-6、第三三通2-7、第一四通2-8、第二四通2-9、水流消能芯2-10、吸排水管2-11组成；所述双向泵2-1一端通过吸排水管2-11伸入到海水里，所述双向泵另一端通过输水管和第一三通2-5入口相连通，所述第一三通2-5两个出口通过输水管分别与第一电磁蝶阀2-2和第二电磁蝶阀2-3相连通，所述第一电磁蝶阀2-2再通过输水管和第二三通2-6入口相连通，所述第二三通2-6的第一出口通过输水管与第一四通2-8入口相连通，所述第二电磁蝶阀再通过输水管和第三三通2-7入口相连通，所述第三三通2-7的第一出口通过输水管与第二四通2-9入口相连通，所述第二三通2-6的第二出口通过输水管依次和第三电磁蝶阀2-4、水流消能芯2-10以及第三三通2-7的第二出口相连通，所述第一四通2-8的三个出口和第二四通的三个出口分别通过输水管与桥墩迎背浪面橡胶囊1-2相连通；

所述监控分析设备3主要由波高仪、测距仪3-1、无线发射器3-2、无线接收器和中央控制电脑组成；所述波高仪通过支撑结构固定在桥墩前沿偏外侧，以减少桥墩造成的波浪反射对入射波要素的影响，所述支撑结构上布置所述无线发射器3-2且和所述波高仪相连；所述测距仪3-1布置在所述金属外框1-1上，所述金属外框1-1上布置所述无线发射器3-2且和所述测距仪3-1相连；所述无线接收器和所述中央控制电脑通过无线相连。所述无线接收器和所述中央控制电脑均布置在控制室内。所述双向泵2-1、第一电磁蝶阀2-2、第二电磁蝶阀2-3和第三电磁蝶阀2-4布置在桥墩内预先设置的防水仪器室内，以减少高盐度海水和空气对机械仪器的腐蚀破坏，且各设备均通过动力电缆和变频器相连，所述变频器通过网线和中央控制电脑相连。

所述吸排水管2-11为pvc透明钢丝软管，既能保证吸排水管路具有一定韧性防止船舶撞损，同时也能防止管路过软不利于吸排水；所述吸排水管2-11的进排水口设有滤网，防止桥墩附近海域水体中杂物进入输水管理造成堵塞；所述吸排水管2-11的进排水口外侧加装重物，且进排水口高程低于桥墩海域的极端低水位，保证任何水文条件下保护装置都能从海水里面吸进水体从而实现保护装置伸缩移动。

本发明还提供一种恶劣海况条件下桥梁自调节保护装置的控制方法，包括如下步骤：

a.根据波高仪实时测量的波浪要素判断海况条件，以此自动评判自保护程序是否启动；

b.当十分之一波高在0m～4.0m范围内，此时该海况条件下桥梁自调节保护装置处于休眠状况，即橡胶囊1-2水体排空，双向泵2-1、第一电磁蝶阀2-2、第二电磁蝶阀2-3和第三电磁蝶阀2-4均处于关闭状态；

c.当十分之一波高在4.0m～9.0m范围内，中央控制电脑根据波高仪测量的实时波浪数据统计出大浪对应的周期t，利用波浪弥散关系((2π/t)²＝g(2π/l)tanh((2π/l)h)，其中l为波长，h为当地水深)并结合当地水深h计算出大浪对应的波长l，并以此计算桥墩保护装置长度b(由测距仪3-1测得)和波长l的无因次量kb，其中k＝2π/l；根据桥墩保护装置伸缩长度范围和波长l确定无因次量kb变化范围，再利用无因次量kb与桥墩波浪力(通过测力仪器测得)的关系(针对不同形式桥墩、桥墩保护装置和水位条件，具体无因次量kb与桥墩波浪力的关系获得需通过物理模型试验结果拟合确定，如图5所示)，寻找无因次量kb对应范围内最小桥墩波浪力值(拟合曲线中的最低点p)，以此确定对应的kb值，最终结合波长l反算出桥墩保护装置的最佳保护长度；

d.中央控制电脑向双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀发出指令，打开双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀，向桥墩迎浪面和背浪面的橡胶囊注水，测距仪实时测量承台长度，待达到指定长度，关闭双向泵、第一电控蝶阀、第二电控蝶阀和第三电控蝶阀；

e.每隔0.5～2个小时重复一次步骤c和步骤d，自保护系统根据大浪实时数据通过注排水调节承台长度达到最佳保护长度；

f.当十分之一波高大于9.0m，水泵提前在迎、背浪面橡胶囊注入一定水，之后关闭所有电磁蝶阀，迎浪面橡胶囊注水多于背浪面，但两者之和小于单侧总注水量；

g.波高实时监测海面变化，一旦监测到畸形波或者海啸，第三电控蝶阀打开，第一电控蝶阀和第二电控蝶阀关闭；待畸形波或者海啸作用后，通过注排水管路重新调节迎背浪面橡胶水囊的水量，以备再用；

h.待海况条件转好，装置恢复到初始状态，作为防撞装置。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明原理和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。