一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置及其构建方法

1.本发明实施例涉及桥梁安全领域，尤其涉及一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置及其构建方法。


背景技术：

2.沿海地区桥梁众多，船舶数量巨大、船舶种类繁多、船舶航线复杂、船舶航速差异化，船舶撞击桥梁的风险十分突出。加之恶劣天气的影响，发生碰撞时船舶的通航安全受到很大的危害。
3.现有技术中，桥侧的防船撞装置通常分为非接触式构造和接触式构造两类。由于防船撞装置的船撞受力机理不明，难以对其进行科学合理的设计，使得现有的防船撞装置中，有的仅适用于弱碰撞，在应对强碰撞时便超出承载能力；有的仅适用于强碰撞，在弱碰撞发生时，无法发挥较好的效用。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置及其构建方法，基于船桥碰撞的弹性碰撞机理，为弱碰撞和强碰撞设计了不同的防撞方式。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置，包括：正面刚性防撞体，为半圆环状结构体，安装在所述桥墩承台圆形部分的外侧；两个侧面刚性防撞体，分别与所述正面刚性防撞体的两端可拆卸连接，安装在所述桥墩承台侧面的外侧；横杆，两端分别与所述两个侧面刚性防撞体连接，所述横杆跨越在所述桥梁承台上方，用于固定所述两个侧面刚性防撞体的相对位置；多个弹性体防撞单元，分布在所述刚性防撞体的内侧面；所述刚性防撞体通过所述多个弹性体防撞单元与所述桥墩承台的外侧贴合；其中，所述防船撞装置用于在所述桥墩承台受到碰撞时保护所述桥墩承台，当所述桥墩承台受到弱碰撞时，由所述多个弹性体防撞单元吸收碰撞能量；当所述桥墩承台受到强碰撞时，由所述刚性防撞体和所述多个弹性体防撞单元吸收碰撞能量。
6.第二方面，本发明实施例提供了一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置构建方法，包括：根据船桥碰撞的弹性碰撞机理，确定船桥碰撞系统的机理模型；所述船桥碰撞系统包括：上述实施例提供的防船撞装置、所述桥墩承台和船舶；根据所述机理模型，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
；其中所述需要的刚度范围用于调节所述弹性体防撞单元和所述刚性防撞体的实际刚度；在所述机理模型中，将所述桥墩承台等效为刚体r，将船舶等效为刚度为k1、质量为m1的质量体，将所述防船撞装置等效为质量为mf、质量为mf的第一弹簧；将所述刚性防撞
体等效为刚度为k2、质量为m2的第二弹簧，将所述弹性体防撞单元等效为刚度为k3、质量为m3的第三弹簧，所述第一弹簧包括所述第二弹簧和所述第三弹簧。
7.本发明实施例具有如下技术效果：1. 本实施例建立了船桥碰撞的弹性碰撞机理模型，从防船撞装置刚度出发设计了所述分级防船撞装置，采用弹性体防撞单元和刚性防撞体相结合的方式，使防船撞装置刚度保持在合理的范围内，既能减少碰撞冲击力，又能缩短耗能距离，避免占用过大的水域面积；2. 现有技术中往往仅考虑单频船舶撞击的情况，本实施例提供的防船撞装置在船舶弱碰撞中依靠弹性体防撞单元吸收碰撞能量，在船舶强撞击中依靠弹性体防撞单元和刚性防撞体共同吸收碰撞能量，可以有效应对海域船舶多频撞击的情况；3. 现有技术中往往只在正面方向设计防撞，然而跨海桥梁面临的船舶撞击往往是无法预测、没有固定方向的，本实施例提供的防船撞装置直接安装于桥墩承台的四周，可以抵御多方向的船舶撞击；4. 现有技术中的防船撞装置通常为一体化设计，修复时需要整体拆装；本实施例提供的防船撞装置中的弹性体材料具有良好的弹性，在弱碰撞后基本不需要进行更换，而多个刚性防撞体可拆卸连，变形后仅需拆卸受损的部件即可维修；维修成本低，维修效率高；5. 将刚性防撞体设置在弹性体防撞单元的外侧，刚性防撞体在撞击发生时对弹性体防撞单元起到保护作用，避免船舶碎片破坏弹性体防撞单元。由于当发生强碰撞时，如果磁基弹性体布置在外侧，不仅对刚性防撞体造成破坏，也对磁基弹性体造成破坏；如果磁基弹性体布置在内侧，刚性防撞体仍不可避免会发生破坏，但可以有效地保护内部的磁基弹性体，因此降低了维护难度和维护成本。
附图说明
8.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
9.图1是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置的俯视图；图2是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置的主视图；图3是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置的安装示意图；图4是本发明实施例提供的一种船桥碰撞系统的示意图；图5是本发明实施例提供的另一种船桥碰撞系统的示意图；图6是本发明实施例提供的磁基弹性体防撞单元的剖面图；图7是本发明实施例提供的压缩模式下磁基弹性体材料的压缩弹性模量随磁场强度变化的关系图；图8是本发明实施例提供的正面刚性防撞体的示意图；图9是本发明实施例提供的侧面刚性防撞体的示意图；图10是本发明实施例提供的安装防船撞装置和未安装防船撞装置条件下的墩顶
位移对比图；图11是本发明实施例提供的安装防船撞装置和未安装防船撞装置条件下的桥墩承台加速度对比图；图12是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置构建方法的流程图。
10.图中：1-正面刚性防撞体，11-第一刚性支撑件，12-凸起，13-耳板，14-螺栓，15-螺杆，16-第一预留孔洞；2-侧面刚性防撞体，21-第二刚性支撑件，22-第二预留孔洞；3-横杆；4-弹性体防撞单元，41-磁体41，42-磁基弹性体；5-桥墩承台。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
12.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
13.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
14.图1是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置的俯视图，图2是所述防船撞装置的主视图。所述防船撞装置安装在桥墩承台的周围，用于在所述桥墩承台受到碰撞时保护所述桥墩承台。结合图1和图2，强弱碰撞分级防船撞装置包括：正面刚性防撞体1，两个侧面刚性防撞体2、横杆3和多个弹性体防撞单元4。
15.正面刚性防撞体1为半圆环状结构体，用于保护桥墩承台的圆形部分。正面刚性防撞体1的外表面为圆形，可以在撞击发生时偏转船头以减小撞击力。两个侧面刚性防撞体2为平直条状结构体，分别与所述正面刚性防撞体1的两端可拆卸连接，用于保护桥墩承台的侧面。可选地，正面刚性防撞体1和两个侧面刚性防撞体2共同构成u型结构。当任一刚性防撞体受到损伤时，拆卸所述刚性防撞体进行维修或更换。
16.横杆3的两端分别与所述两个侧面刚性防撞体2连接，跨越在所述桥梁承台的上方，用于固定所述两个侧面刚性防撞体2的相对位置。
17.多个弹性体防撞单元4分布在所述刚性防撞体的内侧面。可选地，多个弹性体防撞单元4均匀分布在正面刚性防撞体1和两个侧面刚性防撞体2的内侧面，与桥墩承台外侧贴合。
18.本实施例提供的防船撞装置采用分级双防双控的方法设计：当所述防船撞装置受到弱碰撞时，由所述多个弹性体防撞单元4吸收碰撞能量；当所述防船撞装置受到强碰撞时，由所述刚性防撞体和所述多个弹性体防撞单元4吸收碰撞能量。其中，弱碰撞指船舶以低速低频碰撞桥墩，强碰撞指船舶以高速高频碰撞桥墩。
19.具体来说，桥墩遭受船舶弱碰撞时，由于内部的弹性体防撞单元的刚度小于外部的刚性防撞体，因此弹性体防撞单元会率先发生压缩变形，吸收船撞的能量；而刚性防撞体基本不发生变形，在撞击发生后还可以继续使用。在桥墩遭受船舶强碰撞时，内部的弹性体防撞单元在压缩变形后仍无法完全吸收撞击能量的情况下，外部的刚性防撞体发生变形吸收剩余的撞击能量。即便在这种情况下也只需更换撞击侧的变形构件，便能立刻保障桥梁的防撞安全。
20.图3是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置的安装示意图。如图3所示，所述防船撞装置安装在桥墩承台5的周围，在考虑了造成最大影响的正向撞击的基础上，还考虑了多方向的船舶防撞，对多方向的船舶撞击对桥墩进行保护。当面临正向撞击时，主要由正面刚性防撞体1以及正面刚性防撞体1内侧面的弹性体防撞单元4提供吸能保护。当面临侧向撞击时，主要由侧面刚性防撞体2以及侧面刚性防撞体2内侧面的弹性体防撞单元4提供吸能保护。
21.下面对本装置的机理模型进行说明。图4是本发明实施例提供的一种船桥碰撞系统的示意图。如图4所示，假设船舶与防船撞装置的变形都在弹性范围内，将桥墩承台等效为刚体r，将船舶等效为一个刚度为k1、质量为m1的质量体，将防船撞装置等效为一个质量为mf、质量为mf的第一弹簧。当船舶与防撞装置发生碰撞，防船撞装置处于塑性变形阶段时，由受力平衡可得：f = f
d + ffꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，f表示船舶撞击力，fd表示桥墩受到的作用力，ff表示防船撞装置受到的撞击力。在船舶质量及速度不变的情况下，f为定值，因此防船撞装置受到的撞击力ff越大，桥墩受到的作用力fd就越小，桥梁就越安全。
22.根据达朗贝尔原理（d’alembert）原理，可建立船桥碰撞结构的动力方程：其中，xf表示防船撞装置的位移，x1表示船舶的位移，表示防船撞装置的加速度，表示船舶的加速度，进一步可简化为下式。
23.其中，，，，设此微分方程的通解为:代回特征方程：将初始条件船舶撞击初始速度v0带入方程解得方程的详细形式，然后令，得出最大位移。通过胡克定律f=kx，船舶最大撞击力（位移最大时的撞击力），进而可表示为：其中α=m
f /m1，β=k
f /k1，v0表示船舶撞击初始速度。
24.通常mf为定值，因此在公式（3）中，最大撞击力f
max
随β的减小而减小；同时当船舶刚度k1保持不变时，由β=k
f /k1可知，β随kf的减小而减小。因此，最大撞击力f
max
随kf的减小而减小，可以通过减小防船撞装置刚度kf来降低f
max
。
25.但kf并不能一味减小，kf过小会导致耗能距离（吸收碰撞能量所需的弹性体形变距离）大大加长，占用过多用水面积，这是不现实的。同时kf也不能太大，过大会导致类似不设防的效果，船舶撞击能量几乎没有进行耗散便传递至桥墩，会对桥墩造成严重危害。
26.综上，整个防船撞装置的刚度kf需保持在一定的合理范围内。因此本实施例采用弹性体和刚性防撞体结合的方式形成所述防船撞装置，此时的船桥碰撞系统如图5所示。图中将刚性防撞体（包括正面刚性防撞体1和两个侧面刚性防撞体2）等效为刚度为k2、质量为m2的第二弹簧，将弹性体及其附属构件（即弹性体防撞单元4）等效为一个刚度为k3、质量为m3的第三弹簧，则防船撞装置总质量mf=m2+m3。弹性体防撞单元本身的弹性可以减小整个防船撞装置的刚度kf；而刚性防撞体本身具有的硬度，可以使整个防船撞装置保持一定的刚度，避免kf过小。
27.为了进一步验证本实施例提供的防船撞装置能够使刚度kf维持在一定范围内，下面继续从数值计算的角度分析整个防船撞装置的刚度。如图5所示，由于质量体、第二弹簧
和第三弹簧串联，可得船桥碰撞系统的总体刚度ks为：当发生弱碰撞时，由弹性体防撞单元耗能；当发生强碰撞时，则由弹性体防撞单元和刚性防撞体共同耗能，因此防船撞装置的刚度kf为：从公式（5）可以看出，由于弹性体防撞单元的刚度k3和刚性防撞体的刚度k2均处在一定范围内，不可能过大或过小，因此整个防船撞装置的刚度kf也将维持在一定的范围内，能够满足“整个防船撞装置的刚度kf需保持在一定的合理范围内”的条件。
28.本实施例的技术效果为：1. 本实施例建立了船桥碰撞的弹性碰撞机理模型，从防船撞装置刚度出发设计了所述分级防船撞装置，采用弹性体防撞单元和刚性防撞体相结合的方式，使防船撞装置刚度保持在合理的范围内，既能减少碰撞冲击力，又能缩短耗能距离，避免占用过大的水域面积；2. 现有技术中往往仅考虑单频船舶撞击的情况，本实施例提供的防船撞装置在船舶弱碰撞中依靠弹性体防撞单元吸收碰撞能量，在船舶强撞击中依靠弹性体防撞单元和刚性防撞体共同吸收碰撞能量，可以有效应对海域船舶多频撞击的情况；3. 现有技术中往往只在正面方向设计防撞，然而跨海桥梁面临的船舶撞击往往是无法预测、没有固定方向的，本实施例提供的防船撞装置直接安装于桥墩承台的四周，可以抵御多方向的船舶撞击；4. 现有技术中的防船撞装置通常为一体化设计，修复时需要整体拆装；本实施例提供的防船撞装置中的弹性体材料具有良好的弹性，在弱碰撞后基本不需要进行更换，而多个刚性防撞体可拆卸连，变形后仅需拆卸受损的部件即可维修；维修成本低，维修效率高；5. 将刚性防撞体设置在弹性体防撞单元的外侧，刚性防撞体在撞击发生时对弹性体防撞单元起到保护作用，避免船舶碎片破坏弹性体防撞单元。由于当发生强碰撞时，如果磁基弹性体布置在外侧，不仅对刚性防撞体造成破坏，也对磁基弹性体造成破坏；如果磁基弹性体布置在内侧，刚性防撞体仍不可避免会发生破坏，但可以有效地保护内部的磁基弹性体，因此降低了维护难度和维护成本。
29.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对弹性体防撞单元4进行细化。可选地，每个弹性体防撞单元4为一个磁基弹性体防撞单元，包括：磁体41和磁基弹性体42。所述磁基弹性体42用于吸收碰撞能量。磁基弹性体42在磁场环境下制备，制备完成后在有磁环境下其弹性模量能够随磁场强度大小变化。所述磁体41用于提供磁场以调节所述磁基弹性体42的弹性模量。
30.可选地，每个磁基弹性体防撞单元4为圆柱体结构，所述磁体41和所述磁基弹性体42均为扁圆柱体层；每个磁基弹性体防撞单元4由多个磁体41和多个磁基弹性体42交替堆
叠而成。所述圆柱体结构的圆形底面垂直于碰撞方向。可选地，所述磁体41为钕铁硼永磁体，所述磁基弹性体42的铁粉质量占比为80%。
31.图6是本发明实施例提供的磁基弹性体防撞单元的剖面图。如图6所示，每个磁基弹性体防撞单元分为五层，其中阴影部分两层为磁体，以提供磁场；其余三层为磁基弹性体，在撞击发生时吸收碰撞能量；各层之间通过磁力相互吸引连接。
32.具体来说，磁基弹性体为有外加磁场条件下制备的各向异性材料，在此条件下制备的磁基弹性体的压缩弹性模量受外加磁场强度变化的影响较大。基于磁基弹性体偶极模型公式可知，磁场引起的力fc与磁基弹性体的压缩应变ε的关系为：其中，
µ0表示真空磁导率，
µ1表示聚合物基体材料（即磁基弹性体材料）的相对磁导率，a为铁粉颗粒半径，h表示外加磁场强度（本实施例中为磁体41提供的磁场强度）。
33.从公式（6）可以看出，当选用的铁粉颗粒a一定时，外加磁场强度h越大，由磁场引起的力fc便越大。而压缩弹性模量（s表示磁基弹性体材料的横截面积），因此可以通过调节外加磁场强度h，来调整磁基弹性体在受到船舶撞击时压缩弹性模量的大小，对适应不同船舶的撞击有很好的适用性。
34.可选地，所述磁基弹性体防撞单元的弹性模量随所述磁体41提供的磁场强度的增大而增大。在以弱碰撞为主的通航环境下，可以降低所述磁体41提供的磁场强度，减小磁基弹性体防撞单元的弹性模量，满足弱碰撞吸能要求即可；在以强碰撞为主的通航环境下，可以增强所述磁体41提供的磁场强度，增加磁基弹性体防撞单元的弹性模量，使其吸收尽可能多的碰撞能量，减少刚性碰撞体的形变和更换。
35.可选地，磁基弹性体防撞单元中的磁体也可以为永磁体、电磁铁，以及其他能够产生磁场的装置。当磁体为永磁体时，可以选用不同的永磁体材料来改变提供的磁场强度。当磁体为电磁铁时，可通过电磁铁中的电流大小来改变提供磁场强度。
36.可选地，可以采用静态压缩试验测试磁基弹性体的压缩弹性模量与磁场的关系。仍以所述磁体41为钕铁硼永磁体，所述磁基弹性体42的铁粉质量占比为80%为例，图7为压缩模式下磁基弹性体材料的压缩弹性模量随磁场强度变化的关系图。从图7可以看出，磁基弹性体在零场条件下的压缩弹性模量g0为1.55mpa（兆帕）。随着外加磁场的磁感应强度从0mt（豪特斯拉）逐渐增加到800mt，磁基弹性体的压缩弹性模量g也逐渐增加。其中在0mt-200mt区间内增长了0.69mpa，增长速度最大。随后增长速度虽然有所下降但仍保持增长。当外加磁场的磁感应强度达到磁基弹性体的磁饱和值800mt时，其压缩弹性模量gmax为3.24mpa，较零磁感应强度时增量达1.69mpa，即磁致模量
∆
g为1.69mpa，相对变化率为92.94%。
37.由此可见，磁基弹性体的压缩弹性模量随磁场强度的变化非常显著，其变化范围足以满足不同的工程环境下的需求，对不同的代表船型也能够实现不同的吸能效果，提供差异性、多样化的防撞调控方式。
38.可选地，多个磁基弹性体防撞单元分层设置在防船撞装置的内侧面，例如，在每个
侧面刚性防撞体的内侧面均匀设置有2层磁基弹性体防撞单元，各磁基弹性体防撞单元；在正面刚性防撞体的内侧面也均匀设置有2层磁基弹性体防撞单元，每层包括3各磁基弹性体防撞单元；共18个磁基弹性体防撞单元。通过多层多个均匀设置的方式，可以使防船撞装置的弹性分布更加均匀，提高防船撞装置的稳定性防撞能力。
39.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对刚性防撞体进行细化。图8是本发明实施例提供的正面刚性防撞体的示意图，包括正面刚性防撞体的俯视图、剖面图、主视图和侧视图。如图8所示，可选地，正面刚性防撞体采用不锈钢板焊接而成，为空心结构，内侧面包裹所述桥墩承台的圆形部分；所述正面刚性防撞体1内部设置有第一刚性支撑件11，用于增加所述空心结构的刚度。
40.可选地，每个侧面刚性防撞体2与所述正面刚性防撞体1通过耳板13、螺栓14和螺杆15可拆卸链接。如图8所示，正面刚性防撞体1每一端的两侧及上下各设置有一块耳板13，共四块。每块耳板13伸出正面刚性防撞体1一定长度，耳板13中心开设有第一预留孔洞16，用于通过螺栓14和螺杆15连接侧面刚性防撞体2。当任一刚性防撞体受到损伤时，拆卸所述刚性防撞体进行维修。
41.可选地，所述正面刚性防撞体1的内侧面设置有多个凸起12，每个凸起12用于卡放一个弹性体防撞单元4。如图8所示，可选地，每个凸起12为v型结构，用于卡放一个圆柱体的弹性体防撞单元4。
42.图9是本发明实施例提供的侧面刚性防撞体的示意图，包括侧面刚性防撞体的俯视图、剖面图、主视图和侧视图。可选地，侧面刚性防撞体2也采用不锈钢板焊接而成，为空心结构，内部设置有第二刚性支撑件21，用于增加所述空心结构的刚度。两端中心开设有第二预留孔洞22，用于通过螺栓14和螺杆15连接正面刚性防撞体1。每个侧面刚性防撞体2的内侧面设置有两层v型小平台，用于放置弹性体防撞单元。
43.空心结构可以节省耗材，刚性支撑件可以增加空心结构的刚度，实现耗材与刚度之间的平衡。可选地，刚性支撑件可以替换为波纹板。
44.在图8中，横杆3不仅用于固定所述两个侧面刚性防撞体2的相对位置，其中一个横杆3还与正面刚性防撞体1连接，通过螺栓14和螺杆15将正面刚性防撞体1与侧面刚性防撞体2相互连接，并且在跨越在桥梁承台上。刚性防撞体上的预留孔洞和螺杆15、螺栓14配合，共同连接刚性防撞体1与侧面刚性防撞体2。
45.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例提供验证机制对所述防船撞装置的分级工作原理进行验证。在一具体实施方式中，选取对桥梁造成最不利影响的正向撞击对所述防船撞装置进行模拟碰撞，来验证所述防船撞装置的分级工作原理。选取撞击速度为0.5m/s、1m/s和2m/s分别在安装所述防船撞装置和未安装所述防船撞装置的条件下进行碰撞测试。
46.验证表明，当船舶以0.5m/s和1m/s的速度碰撞安装有防船撞装置的桥墩时，该碰撞为弱碰撞，外部的刚性防撞体未出现变明显形，说明其作用于桥梁的碰撞能量仅通过内部的磁基弹性体防撞单元吸收后才作用于桥梁结构。而当船舶以2m/s的速度以强碰撞碰撞安装有防船撞装置的桥墩时，该碰撞为强碰撞，外部的刚性防撞体出现明显吸能形变。
47.由此可见，防船撞装置内部的磁基弹性体防撞单元率先发生变形耗能，且达到承载极限，其余的碰撞能量通过外部刚性防撞体的二次耗能之后才作用于桥梁结构。
48.图10是本发明实施例提供的安装防船撞装置和未安装防船撞装置条件下的墩顶位移对比图，图11是本发明实施例提供的安装防船撞装置和未安装防船撞装置条件下的桥墩承台加速度对比图。如图10和图11所示，当船舶以2m/s的速度撞击桥墩承台时，其承台处的最大加速度由1.91g减小到0.75g，为前者的39.27%；其墩顶最大位移由1.20mm减小到0.98mm，为前者的81.67%；其船撞力由10.79kn减小到5.65kn，为前者的52.36%。可见该防船撞装置在保护桥梁防撞方面发挥了明显作用。
49.图12是本发明实施例提供的一种桥梁强弱碰撞分级防船撞装置构建方法的流程图，适用于根据桥墩承台的通航环境确定上述实施例提供的防船撞装置的部分装置参数的情况。该方法由电子设备执行。如图12所示，该方法具体包括如下步骤：s10、根据船桥碰撞的弹性碰撞机理，确定船桥碰撞系统的机理模型；所述船桥碰撞系统包括：上述实施例提供的防船撞装置、桥墩承台和船舶。
50.图5显示了船桥碰撞系统的弹性碰撞机理模型。如图5所示，在所述机理模型中，将所述桥墩承台等效为刚体r，将船舶等效为刚度为k1、质量为m1的质量体，将所述防船撞装置等效为质量为mf、质量为mf的第一弹簧；将所述刚性防撞体等效为刚度为k2、质量为m2的第二弹簧，将所述弹性体防撞单元等效为刚度为k3、质量为m3的第三弹簧，所述第一弹簧包括所述第二弹簧和所述第三弹簧。
51.s20、根据所述机理模型，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。所述需要的刚度范围用于调节所述弹性体防撞单元和所述刚性防撞体的实际刚度。
52.所述弹性体防撞单元的实际刚度和所述刚性防撞体的实际刚度是所述防船撞装置中的重要参数，直接关系到所述防船撞装置的防碰撞性能，因此本实施例根据所述刚度方程给出所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
，用于指导所述弹性体防撞单元和所述刚性防撞体实际刚度的设置。
53.具体来说，本实施例给出如下两种确定k
range_a
和k
range_b
的方式。
54.方式一、从整个船桥碰撞系统的受力角度出发，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。
55.从受力角度对碰撞系统进行分析的过程与上述实施例中展示的公式（1）-公式（3）的分析过程类似。通过公式（3）已知，整个防撞装置的刚度kf需保持在一定的合理范围内，因此本实施例通过kf的范围进一步确定所述弹性体防撞单元和所述刚性防撞体需要满足的刚度范围。
56.具体来说，可选地，根据所述机理模型，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
，包括如下步骤：步骤一、根据所述机理模型，确定所述防船撞装置的刚度方程：确定该刚度方程的原理在上述实施例中已进行了详细说明，在此不再赘述。
57.步骤二、根据所述桥墩承台的通航环境，确定所述防船撞装置需要的刚度范围[k
f_min
，k
f_max
]。
[0058]
根据所述桥墩承台的通航环境，从该环境的历史通航数据中获取允许通航的各种船舶类型，进而获取各类型的船舶质量m1以及多个船舶撞击初始速度v0。
[0059]
将m1和v0的多个取值组合，以及预设的船舶最大撞击力f
max
代入公式（3），可以得到多个kf取值。将取值最小的kf作为k
f_min
，将取值最大的kf作为k
f_max
，可以得到防船撞装置需要的刚度区间[k
f_min
，k
f_max
]。
[0060]
步骤三、根据k
f_min
和所述刚度方程，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
。
[0061]
由公式（5）可知，当发生弱碰撞时，kf=k3（弹性体防撞单元的刚度）；同时发生弱碰撞时防船撞装置刚度最小，因此将[k
f_min-k
f_min*
a%，k
f_min
+k
f_min*
a%]的刚度范围作为弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
，其中a%表示浮动范围，例如10%。只要弹性体防撞单元的实际刚度落在k
range_a
的范围内，就认为该实际刚度能够适应该通航环境。
[0062]
步骤四、根据k
f_max
和所述刚度方程，确定所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。
[0063]
由公式（5）可知，当发生强碰撞时，；同时发生强碰撞时防船撞装置刚度最大，因此近似认为此时kf=k
f_max
、k3=k
f_min
，将它们代入，得到。将的刚度范围作为刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
，其中b%表示浮动范围，例如10%。只要刚性防撞体的实际刚度落在k
range_b
的范围内，就认为该实际刚度能够适应该通航环境。
[0064]
方式二、从防船撞装置的碰撞能量出发，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。
[0065]
在发生碰撞时，该防船撞装置的吸收能量情况如下：e = e
1 + e
2 ꢀ
（7）其中，e表示防船撞装置吸收的总能量，e1表示弹性体防撞单元吸收的总能量，e2表示刚性防撞体吸收的能量。
[0066]
假设e1=m*e，e2=n*e，其中m和n均为小于或等于1的系数，m+n=1。
[0067]
当发生弱碰撞时，m=1，n=0，所有的能量由弹性体防撞单元吸收。当发生强碰撞时，m+n=1，碰撞能量由弹性体防撞单元和刚性防撞体共同吸收。m和n的取值可根据实际需求进行设置。
[0068]
可选地，根据所述机理模型，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
，具体包括如下步骤：步骤一、根据所述桥墩承台的通航环境，确定碰撞发生时所述防船撞装置吸收的能量范围。
[0069]
根据所述桥墩承台的通航环境，从该环境的历史通航数据中获取允许通航的各种船舶类型，进而获取各类型的船舶质量m1以及多个船舶撞击初始速度v0。将m1和v0的多个取值组合代入能量计算公式，可以确定碰撞发生时所述防船撞装置吸收的能量
范围。
[0070]
步骤二、根据所述刚性防撞体和所述弹性防撞单元的维修或更换成本，确定强碰撞时所述刚性防撞体和所述弹性防撞单元的能量吸收比例。
[0071]
维修或更换成本包括：拆卸成本、新部件生产成本、安装成本、调试成本等。由于刚性防撞体和弹性防撞单元的制作材料、制作工艺、以及安装调试工艺各不相同，因此其维修或更换成本也不完全相同。如果刚性防撞体的维修或更换成本较大，则设置m大于或等于n，由弹性体防撞单元吸收更多的能量，减少刚性防撞体的维修或更换次数。同理，如果弹性防撞单元的维修或更换成本较大，则设置m小于n，由刚性防撞体吸收更多的能量，减少弹性体防撞单元的维修或更换次数。
[0072]
步骤三、根据所述能量范围和所述能量吸收比例，确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。
[0073]
本步骤采用弹性势能的计算公式来计算弹性体防撞单元和刚性防撞体吸收的能量，其中k表示弹簧刚度，x表示弹簧位移。
[0074]
根据所述能量范围和弹性体防撞单元的能量吸收比例m，可以得出弹性体防撞单元的能量吸收范围e
range_a
。将e
range_a
和预设位移xa所代入，可以得出弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
。预设位移xa可以根据通航环境中的水域面积，以及弹性体防撞单元本身的尺寸综合设置。
[0075]
根据所述能量范围和刚性防撞体的能量吸收比例n，可以得出刚性防撞体的能量吸收范围e
range_b
。将e
range_b
和预设位移xb所代入，可以得出刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
。预设位移xb可以根据通航环境中的水域面积，以及刚性防撞体本身的尺寸综合设置。
[0076]
本实施例提供了两种确定刚性防撞体和弹性体防撞单元需要的刚度范围的方式，能够根据具体的通航环境设置更精准、更有针对性的组件刚度，更好地发挥本装置的防碰撞性能，减少装置维修和更换的次数。其中，方式一从整个船桥碰撞系统的受力角度出发，通过防船撞装置总体刚度与刚性防撞体和弹性体防撞单元的刚度之间的关系，确定防船撞装置各部分需要的刚度范围；方式二从防船撞装置的碰撞能量出发，通过能量分配比例确定防船撞装置各部分需要的刚度范围。方式一与方式二中的各步骤还可以以其他方式相互组合，形成其他多种刚度范围确定方法。
[0077]
例如，方式三、从整个船桥碰撞系统的受力角度出发，通过受力分配比例确定各部分需要的刚度范围；或方式四、从防船撞装置的碰撞能量出发，通过防船撞装置总体刚度与刚性防撞体和弹性体防撞单元的刚度之间的关系，确定防船撞装置各部分需要的刚度范围。各步骤的具体细节和背后的原理已在上述实施例中进行了详细说明，在此不再赘述。
[0078]
在得到所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
后，可以利用k
range_a
和k
range_b
指导调整所述弹性体防撞单元和所述刚性防撞体的实际刚度。在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对实际刚度的调整过程进行细化。可选地，通过改变弹性体防撞单元和刚性防撞体的材质或形态结构来调整实际刚
度。
[0079]
可选地，当每个弹性体防撞单元4为一个磁基弹性体防撞单元，包括磁体41和磁基弹性体42时，所述磁基弹性体42用于吸收碰撞能量，所述磁体41用于提供磁场以调节所述磁基弹性体42的弹性模量；所述磁基弹性体防撞单元的弹性模量随所述磁体41提供的磁场强度的增大而增大。则在确定所述弹性体防撞单元需要的刚度范围k
range_a
和所述刚性防撞体需要的刚度范围k
range_b
之后，还可以通过如下方式来调整弹性体防撞单元和刚性防撞体的实际刚度：方式一、改变所述第一刚性支撑件11的数量及位置，使所述正面刚性防撞体的实际刚度位于所述刚度范围k
range_b
内；同时，调节第二刚性支撑件21的数量及位置，使侧面刚性防撞体的实际刚度位于所述刚度范围k
range_b
内。
[0080]
从图7可以看出，第一刚性支撑件的数量越多，正面刚性防撞体的刚性越大；同时，第一刚性支撑件的位置分布不同，正面刚性防撞体的刚性也将不同。侧面刚性防撞体类似，在此不再赘述。
[0081]
方式二、改变所述磁体41提供的磁场强度，使所述弹性体防撞单元的实际刚度位于所述刚度范围k
range_a
内。
[0082]
如果磁体为永磁体，通过选用不同材质的磁体来调整弹性体防撞单元的实际刚度；如果磁体为电磁铁，还可以改变通过电磁体的电流来调整弹性体防撞单元的实际刚度。
[0083]
本实施例提供了多种调整各部分实际刚度的方式，使整个防船撞装置的参数调整方式更加灵活，且更加具有可执行性。
[0084]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。