专利名称：自浮式复合材料桥梁压水防撞装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种桥梁防撞装置，尤其是一种强度高、耗能好、耐腐蚀、自浮式且采用绿色环保材料制造的复合材料桥梁压水防撞装置，具体地说是一种适用于各类桥梁的桥墩以及码头、水上(海洋)建筑减轻船舶(浮冰)撞击灾害的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置。
背景技术：
众所周知，船撞桥事故在世界各地一直在不断地发生，船撞桥事故的频率远比我们想象的更高。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是惊人的。很多船撞桥事故轻则损失数万元，重则人员伤亡、损失以数百万、数千万甚至数十亿美元计，大量的间接损失更是难以计算。因此对桥梁采取防撞措施尤为必要，其根本目的是防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承载力，而造成结构毁坏，同时尽可能地保护船舶，将损失减小到最低程度。防撞设施的型式不同，其工作机理就不同，或阻止船舶撞击力传到桥墩，或通过缓冲消能延长船舶撞击时间、减小船舶撞击力，最终达到保护桥梁安全的目的。现有的通航桥梁防撞装置多采用在承台或桥墩周围套上钢结构套箱，该消能设施利用钢材塑性变形破损消能，当船舶撞击钢套箱防撞装置时，防撞结构外层非连续(间断的)结构钢板发生大的变形，吸收了部分碰撞能量，并且延长了接触时间，使撞击力峰值得以降低，同时由于结构变形和相互作用，从而拨动船头方向，减少了船舶与结构间的能量交换。但钢套箱通常承受单次撞击，撞损后维修较困难；同时碰撞时船体易受损伤；另外钢材常年在水中易锈蚀，维护费用较高，故采用新材料设计开发新型防撞系统迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对为了适应桥梁在遭受船舶撞击时，实现桥梁、船舶和防撞系统损伤最小以及防撞系统可随水位上、下自浮等要求，设计一种利用水的运动耗能减轻撞击灾害程度的耐腐蚀性好的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置。
本发明的技术方案是 —种自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是它由壳体部分12和喷水耗能部分13组成，喷水耗能部分13紧贴桥梁安装，壳体部分12安装在喷水耗能部分13的外侧，所述的壳体部分12由复合材料面层1、夹芯材料层2和填充材料体3组成，夹芯材料层2夹装在复合材料面层1中并形成壳壁14，填充材料体3装填在壳壁14形成的空间中；所述的喷水耗能部分13由装满水10的帆布水袋6、沿帆布水袋6的横向每隔一定距离布置一圈的横向柔性树脂骨架8和沿水袋的纵向布置的纵向柔性树脂骨架9组成，在帆布水袋6上规则布置有排水孔7 ;在所述的壳体部分12上还安装有栏杆11。 所述的壳体部分12的壳壁14为完整的整体结构或由通过法兰结构4连接的分体式结构，其断面形状呈D形、箱形或其结合。 所述的壳体部分12由两个或两个以上相同部分通过法兰结构5相连成圆环状或椭圆环状结构。 所述的夹芯材料层2为泡桐木、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或强芯毡夹芯材料层。 所述的夹芯材料层2为树脂基纤维复合材料格构体。
所述的填充材料体3为毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫铝或橡胶粒。
所述的填充材料体3为整体式复合材料空腹格构结构。 所述的复合材料面层1由玻璃纤维布与树脂固化而成，玻璃纤维布为双轴向布、多轴向布、网格布、纤维毡或碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂。 所述的帆布水袋6为PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋；帆布水袋6上开的排水孔7为圆形、矩形、正方形或椭圆形，排水孔7在位于帆布水袋6的顶部、底部或侧部；排水孔7上加装有圆形帆布盖并通过尼龙毡扣或塑料封口封住，在遭受船撞时，帆布盖自动被水冲开。 所述的横向骨架8为柔性聚氨酯树脂骨架、竹藤骨架或钢绞线骨架；横向骨架8沿水袋的横向间隔，且呈圆形或椭圆形；所述的纵向骨架9为柔性聚氨酯树脂骨架、竹藤骨架或钢绞线骨架；它沿纵向布置。
本发明的有益效果 1)本发明的外壳采用了强耐腐蚀、力学特性优越的纤维增强复合材料，可适应江水、海水等各种恶劣环境，减小了维护费用； 2)创新性地利用排水消能机理，使在发生船只撞击桥墩事故时，通过大量的水从水袋顶部(底部或侧部)的排水孔以较快速度喷出，吸收大部分撞击能量；
3)压水防撞系统具有"多级设防"的功能，当撞击力较小时，内层水袋排水耗散能量，当撞击力稍大时，箱型复合材料圈以桥墩相邻棱角为支点发生整体弹性弯曲变形，当撞击力很大时，船舶挤压箱型复合材料圈，毛竹压碎耗能； 4)船撞事故后，撞扁的帆布水箱在柔性树脂圈的弹性作用下自动撑开，往其顶部的排水孔中灌水，即可恢复原状。 5)本发明结构简单，制造、安装、维护方便，成本低，绿色环保。
图1为本发明的复合材料桥梁压水防撞系统的复合材料外壳及内部填充材料部分基本构造示意图，图中共有a、 b、 c、 d四种外壳结构形式；
图2为完整的复合材料压水防撞系统某一断面的剖面图。 图3为桥墩的墩身设置圆形防撞圈示意图，其中图3(a)为立面图，图3(b)为平面图；且图3(b)为防撞系统单元节段通过法兰和螺栓连接成防撞圈示意图。
图4为桥塔的两个塔身同时设置椭圆形防撞圈示意图，其中图4(a)为立面图，图4(b)为平面图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图l-4所示。 —种自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，它由壳体部分12 (图1)和喷水耗能部分13组成(图2)，喷水耗能部分13紧贴桥梁安装，壳体部分12安装在喷水耗能部分13的外侧，所述的壳体部分12由复合材料面层1、夹芯材料层2和填充材料体3组成，夹芯材料层2夹装在复合材料面层1中并形成壳壁14，填充材料体3装填在壳壁14形成的空间中；所述的喷水耗能部分13由装满水10的帆布水袋6、沿帆布水袋6的横向每隔一定距离布置一圈的横向柔性树脂骨架8和沿水袋的纵向布置的纵向柔性树脂骨架9组成，在帆布水袋6上规则布置有排水孔7 ;在所述的壳体部分12上还安装有栏杆11。
详述如下 总体来看，本发明的防撞系统可分成四大部分由纤维复合材料面层1、泡桐木芯材2、法兰结构4构成的复合材料壳体部分12，由填充毛竹3形成的复合材料外壳的内部抗剪消能部分，由帆布水袋6、水袋上的排水孔7、横向柔性树脂骨架8、纵向柔性树脂骨架9、水袋中盛满的水10构成的"喷水耗能"部分，栏杆11和钢绞线构成的护栏部分。
复合材料壳体部分12采用玻璃纤维布、树脂与夹芯材料通过真空导入成型工艺或手糊工艺制备而成，形成纤维复合材料面层1、芯材2，复合材料外壳的形状可以为D型(图l(a、 b))、箱型(图l(c))、D+箱型(图l(d))等多种形状，外壳可以一次成型(图1 (a))，也可以先制备单片构件，再通过法兰结构4组合成封闭的外壳(图1 (b、c、d))，该复合材料外壳直接与船舶撞击接触，需具备一定的刚度，该外壳也可不采用芯材2，直接由玻璃纤维布与树脂形成复合材料层合外壳。复合材料外壳内部的填充部分3为横向紧密布置的毛竹，毛竹的天然竹节具有较强的抗剪性能，在船撞桥的过程中，复合材料防撞圈的挤压过程会导致毛竹的破碎，即消耗能量，毛竹之间的空隙可以填充木屑与树脂的混合料，或橡胶粒等。复合材料防撞系统可在工厂里预先制备好若干个节段，到现场后，再通过法兰与螺栓5连接，形成整体防撞圈系统，参见图3 (b)，复合材料防撞系统的整体平面形状可以为圆形(图3)、椭圆形(图4)或与桥墩截面形状一致，也可直接制备成条形，作为港口、码头等临水设施的防撞系统。由帆布水袋6、水袋上的排水孔7、横向柔性树脂骨架8、纵向柔性树脂骨架9、水袋中盛满的水IO构成的"喷水耗能"部分(图2)，当船舶与防撞系统撞击时，"喷水耗能"部分首先与桥墩接触，帆布水袋由PVC帆布、PVDF帆布、Tef lon帆布等制成，能容纳较大容量的水，帆布顶部(侧部或底部)每隔一定距离开一个直径约10cm左右的圆孔，圆孔平常由圆形帆布盖通过尼龙毡扣或塑料特制封口封住，在遭受船撞时，帆布盖被水冲开，帆布水袋中大量的水以一定的速度冲向空中或水中，耗散撞击能量。帆布水袋中可设置横向柔性树脂骨架8和纵向柔性树脂骨架9，直径约10cm，沿帆布水箱的纵横向布置。柔性树脂骨架沿防撞系统的横向每隔一定距离布置一圈，且柔性树脂弯成圆形；柔性树脂沿防撞系统的纵向布置若干根，且柔性树脂弯成椭圆形或圆形。船撞事故后，撞扁的帆布水箱在纵横向柔性树脂圈8、9的弹性作用下自动撑开，随后往其顶部的圆孔中灌水，即可恢复原状。复合材料压水防撞圈采用节段工厂制造，现场通过法兰和螺栓5连接(图3(b))。栏杆11和钢绞线构成护栏部分(图3)，在连续布置的护栏上穿眼，高强钢绞线通过栏杆穿眼即形成防撞护栏，护栏可采用经过耐腐蚀处理的金属栏杆，也可直接采用复合材料栏杆。由以上几部分即构成自浮式复合材料桥梁压水防撞系统。经前期实验室撞击测试，该复合 材料防撞系统的防撞效果显著，能有效削减撞击力，最大撞击力可削减50%以上，可作为桥 墩、码头以及海洋采油平台等建筑的自浮式防船撞设施。 具体实施时纤维复合材料面层1可由玻璃纤维布与树脂按常规比例混配固化而 成，玻璃纤维布可采用双轴向布、多轴向布、网格布、纤维毡等，特殊领域也可采用碳纤维 布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布。树脂采用不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、无机树脂。
夹芯材料层2优选为泡桐木，也可采用其它各种轻质木材、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、 PEI泡沫、PMI泡沫、强芯毡等夹芯材料；也可不采用芯材2，直接由纤维复合材料面层1构 成复合材料外壳。 复合材料壳壁13围成的空间中的填充材料3优选为横向紧密布置的毛竹，毛竹的 破碎过程会消耗大量的撞击能量，同时由于毛竹具有天然竹节，因而具有较强的抗剪性能， 在与船舶撞击时，填充材料不易发生剪切破坏，毛竹之间的空隙可以填充木屑与树脂的混 合料，或橡胶粒等，也可不填充。也可采用其它填充材料，如聚氨酯泡沫、泡沫铝、回收的橡 胶粒等。 法兰结构4用于将单片构件组合成D型、箱型、D+箱型的封闭复合材料外壳。法 兰边为纤维与树脂复合材料，螺栓优选高强不锈钢螺栓，也可采用镀锌或镀铬防锈处理的 螺栓，或尼龙螺栓等。 具体实施时，速个防撞装置既可为一个整体式结构，也可为由多段现场组装式结 构，现场组装时，段与段之间可通过法兰结构进行连接，如图3(b)所示，将工厂里预先制备 好的若干个防撞系统单元节段连成整体，使之整体平面成椭圆形、圆形等形状。法兰边为纤 维与树脂复合材料，或法兰内埋钢板，增加连接刚度；螺栓优选高强不锈钢螺栓，也可采用 镀锌或镀铬防锈处理的螺栓，或尼龙螺栓等。 帆布水袋6可采用PVC帆布、PVDF帆布、Teflon帆布等制成，能容纳较大容量的 水。帆布水袋6上的排水孔7优选为圆形，可为矩形、正方形、椭圆形；排水孔在水袋上的位 置可为顶部、底部或侧部；排水孔由圆形帆布盖通过尼龙毡扣或塑料特制封口封住，在遭受 船撞时，帆布盖被水冲开，帆布水袋6中盛满的水10 —般处于盛满状态，也可部分盛满；还 可盛其它液体。 横向骨架8可采用柔性聚氨酯树脂制备，也可为其它具有一定弹性的材料，如竹 藤、钢绞线；横向柔性树脂骨架沿水袋的横向每隔一定距离布置一圈，且柔性树脂弯成圆形 或椭圆形。纵向骨架9可采用柔性聚氨酯树脂制备，也可为其它具有一定弹性的材料，如 竹藤、钢绞线；纵向柔性树脂骨架沿防撞系统的纵向布置若干根，且柔性树脂沿防撞系统的 外形弯成一定形状。 所述的壳体部分上的所有防撞栏杆11可由一根或多根钢绞线串接成一个整体， 在连续布置的栏杆上穿眼，高强钢绞线通过栏杆穿眼即形成防撞护栏，护栏可采用经过耐 腐蚀处理的金属栏杆，也可直接采用复合材料栏杆。 上述的复合材料防撞系统的壳体还可采用真空导入成型工艺或手糊工艺制备。
实例l。 本发明的复合材料桥梁压水防撞装置，外壳为玻璃纤维与乙烯基树脂固化而成的 复合材料面层1，并采用泡桐木芯材2构成复合材料夹层结构外壳，外壳截面成半圆D型，采用真空导入工艺制备，采用法兰结构4将D型外壳与平板外壳组合成封闭的复合材料外 壳；复合材料外壳内部填充横向布置的毛竹3 ;将防撞系统单元节段围绕矩形截面桥墩的 四周，采用法兰结构5连成整体的圆形复合材料防撞系统；复合材料防撞圈内侧设置环形 帆布袋6，帆布水袋顶部间隔布置圆形的排水孔7，且排水孔由塑料封口封住，水袋6中盛满 水10。如图3所示。
实例2。 本发明的复合材料桥梁压水防撞装置，外壳为玄武岩纤维与环氧树脂固化而成的 复合材料面层1 ，构成复合材料层合板外壳，外壳截面成箱型，并设置倒角，采用真空导入工 艺制备，采用法兰结构4将箱型外壳与平板外壳组合成封闭的复合材料外壳；复合材料外 壳内部填充聚氨酯泡沫3 ;复合材料防撞圈内侧设置环形帆布袋6，帆布水袋侧部间隔布置 圆形的排水孔7，且排水孔由圆形帆布盖通过尼龙毡扣封住，沿帆布水袋6的横向每隔一定 距离布置一圈横向柔性竹藤骨架8，沿防撞系统的纵向布置若干根柔性聚氨酯树脂骨架9 且柔性树脂沿防撞系统的外形弯成一定形状，水袋6中盛满水10。在防撞圈的顶部连续布 置复合材料护栏，并在护栏上穿眼，高强钢绞线通过穿眼即形成防撞栏杆11 ;最后将2片工 厂里预制好的防撞系统单元节段运至现场，围绕桥墩四周，采用法兰结构5连成整体的椭
圆形复合材料防撞系统。
实例3。 本发明的复合材料桥梁压水防撞系统，外壳为玻璃纤维与不饱和聚酯树脂固化而 成的复合材料面层l，并采用泡桐木芯材2构成复合材料夹层结构外壳，外壳截面为D+箱 型；复合材料外壳内部填充回收的橡胶粒3 ;复合材料防撞圈内侧设置环形帆布袋6，帆布 水袋底部间隔布置圆形的排水孔7，且排水孔由圆形帆布盖通过尼龙毡扣封住，沿帆布水袋 6的横向每隔一定距离布置一圈横向柔性钢绞线骨架8，沿防撞系统的纵向布置若干根柔 性钢绞线骨架9且柔性树脂沿防撞系统的外形弯成一定形状，水袋6中盛满水10。在防撞 圈的顶部连续布置复合材料护栏，并在护栏上穿眼，高强钢绞线通过穿眼即形成防撞栏杆 11 ;最后将4片工厂里预制好的防撞系统单元节段运至现场，围绕桥墩四周，采用法兰结构 5连成整体的圆形复合材料防撞系统，如图4所示。 本发明的复合材料桥梁压水防撞系统采用真空导入成型工艺制备，具体流程如 下 a.制备一套大型木或玻璃钢模具，在模具上采用真空导入工艺制备以泡桐木为夹 芯材料2的玻璃纤维/乙烯基树脂1复合材料防撞系统外壳； b.在复合材料外壳内部横向紧密布置毛竹3，且毛竹之间的间隙内填充木屑与树 脂的混合料； c.采用法兰和螺栓4将单片构件组合成封闭的内部填充毛竹的复合材料外壳；
d.在复合材料防撞圈内侧设置环形帆布袋6，帆布水袋底部间隔布置圆形的排水 孔7，且排水孔由圆形帆布盖通过尼龙毡扣封住； e.沿帆布水袋6的横向每隔一定距离布置一圈横向柔性树脂骨架8，沿防撞系统 的纵向布置若干根柔性树脂骨架9且柔性树脂骨架9沿防撞系统的外形弯成一定形状，水 袋6中盛满水10。 f.在复合材料防撞圈的顶部连续设置复合材料栏杆，采用高强钢绞线通过栏杆的穿眼即形成防撞护栏ll ; g.将4片工厂里预制好的1/4或1/2圆防撞系统单元节段运至现场，围绕桥墩四 周，采用法兰结构5连成整体的复合材料防撞装置。 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是它由壳体部分(12)和喷水耗能部分(13)组成，喷水耗能部分(13)紧贴桥梁安装，壳体部分(12)安装在喷水耗能部分(13)的外侧，所述的壳体部分(12)由复合材料面层(1)、夹芯材料层(2)和填充材料体(3)组成，夹芯材料层(2)夹装在复合材料面层(1)中并形成壳壁(14)，填充材料体(3)装填在壳壁(14)形成的空间中；所述的喷水耗能部分(13)由装满水(10)的帆布水袋(6)、沿帆布水袋(6)的横向每隔一定距离布置一圈的横向骨架(8)和沿水袋的纵向布置的纵向骨架(9)组成，在帆布水袋(6)上规则布置有排水孔(7)；在所述的壳体部分(12)上还安装有栏杆(11)。
2. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的壳体部分(12)的壳壁(14)为完整的整体结构或由通过法兰结构(4)连接的分体式结构，其断面形状呈D形、箱形或其结合。
3. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的壳体部分(12)由两个或两个以上相同部分通过法兰结构(5)相连成圆环状或椭圆环状结构。
4. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的夹芯材料层(2)为泡桐木、聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或强芯毡夹芯材料层。
5. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的夹芯材料层(2)为树脂基纤维复合材料格构体。
6. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的填充材料体(3)为毛竹、聚氨酯泡沫、泡沫铝或橡胶粒。
7. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的填充材料体(3)为整体式复合材料空腹格构结构。
8. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的复合材料面层(1)由玻璃纤维布与树脂固化而成，玻璃纤维布为双轴向布、多轴向布、网格布、纤维毡或碳纤维布、玄武岩纤维布、芳纶纤维布中的一种，树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或无机树脂。
9. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的帆布水袋(6)为PVC帆布、PVDF帆布或Teflon帆布袋；帆布水袋(6)上开的排水孔(7)为圆形、矩形、正方形或椭圆形，排水孔(7)在位于帆布水袋(6)的顶部、底部或侧部；排水孔(7)上加装有圆形帆布盖并通过尼龙毡扣或塑料封口封住，在遭受船撞时，帆布盖自动被水冲开。
10. 根据权利要求1所述的自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是所述的横向骨架(8)为柔性聚氨酯树脂骨架、竹藤骨架或钢绞线骨架；横向骨架(8)沿水袋的横向间隔，且呈圆形或椭圆形；所述的纵向骨架(9)为柔性聚氨酯树脂骨架、竹藤骨架或钢绞线骨架；它沿纵向布置。
全文摘要
一种自浮式复合材料桥梁压水防撞装置，其特征是它由壳体部分(12)和喷水耗能部分(13)组成，喷水耗能部分(13)紧贴桥梁安装，壳体部分(12)安装在喷水耗能部分(13)的外侧，所述的壳体部分(12)由复合材料面层(1)、夹芯材料层(2)和填充材料体(3)组成，夹芯材料层(2)夹装在复合材料面层(1)中并形成壳壁(14)，填充材料体(3)装填在壳壁(14)形成的空间中；所述的喷水耗能部分(13)由装满水(10)的帆布水袋(6)、沿帆布水袋(6)的横向每隔一定距离布置一圈的横向骨架(8)和沿水袋的纵向布置的纵向骨架(9)组成，在帆布水袋(6)上规则布置有排水孔(7)；在所述的壳体部分(12)上还安装有栏杆(11)。本发明结构简单，制造、安装、维护方便，成本低，绿色环保。
文档编号E01F15/14GK101709574SQ20091021308
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者刘伟庆, 庄勇, 张广, 方海, 王应良, 陆伟东 申请人:南京工业大学;中铁大桥勘测设计院有限公司