一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置和系统

1.本发明涉及建筑防护领域，尤其涉及一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置和系统。


背景技术：

2.随着我国城市化的不断发展，城市交通负担日益繁重，构建城市的立体交通系统成为解决这一问题的重要途径。为此，我国各大城市开展了大规模的城市桥梁建设。然而，车-桥墩碰撞已对城市桥梁的安全构成严重威胁。因此，开发能够在车撞过程中吸收大量冲击能量的耗能防护装置，对桥墩进行有效保护引起了很多国内外学者的研究兴趣。然而，现有耗能防护装置多采用价格偏昂贵的新型复合材料，橡胶等，所以往往面临制造费用高的问题。同时，在受到车撞冲击力作用后防护结构往往会发生大面积的结构损伤，导致受损后维修不方便。此外，许多防护结构往往还面临防护效果有限等相关问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中耗能防护装置在车辆撞击损坏后维修不便且防护效果有限的缺陷，本发明提出了一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置，在受到车辆冲击荷载后能够通过形成大量的塑性铰从而吸收大量冲击能量，对桥墩形成有效防护，而塑性铰被控制在缩减截面梁段，避免了塑性形变损伤的扩散，对耗能部在缩减截面梁以外的部分进行了保护，方便对耗能部进行维修。
4.本发明提出的一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置包括：第一支撑板、第二支撑板和耗能部；
5.第一支撑板和第二支撑板均竖直设置且彼此相对，第二支撑板在水平方向上滑动设置；耗能部的两端分别连接第一支撑板和第二支撑板，第二支撑板的滑动方向与耗能部的耗能方向一致；
6.耗能部位于耗能方向上设有至少一段缩减截面梁，所述缩减截面梁在耗能方向上中部截面面积小于两端的截面面积。
7.优选的，耗能部包括u型件、第一连接件和第二连接件，u型件的一端通过第一连接件连接第一支撑板，u型件的另一端通过第二连接件连接第二支撑板， u型件的中间梁为缩减截面梁。
8.优选的，第一连接件的轴线、第二连接件的轴线和缩减截面梁的轴线均平行于水平面设置；缩减截面梁由腹板位于竖直方向上的工字梁拼接组成。
9.优选的，第一连接件和第一支撑板铰接，第二连接件和第二支撑板铰接。
10.优选的，所述缩减截面梁在耗能方向上端部至中部截面面积逐渐减小；或者，所述缩减截面梁在耗能方向上分割为端部、中部和变径过渡部；中部位于两个端部之间，中部截面面积小于端部截面面积，中部和端部之间通过变径过渡部连接；所述变径过渡部从端部连接位置至中部连接位置截面面积逐渐减小。
11.优选的，耗能部每个拐角位置的内角设有加强筋板，将u型件位于中间梁两端的部
位记作臂梁，臂梁、第一连接件和第二连接件均由工字梁拼接组成，臂梁的腹板与缩减截面梁的腹板、第一连接件的腹板、第二连接件的腹板均位于同一平面上。
12.优选的，第一支撑板和第二支撑板之间设有多个耗能部，且多个耗能部呈矩阵排列；同一水平位置上的耗能部之间设有限位件，使得耗能部之间相对位置不变。
13.优选的，还包括基板，第一支撑板和第二支撑板均竖直设置在基板上，且第二支撑板通过滑动支座滑动设置在基板上。
14.优选的，第一支撑板和第二支撑板均由钢板和设置在钢板背离耗能部一侧的uhpfrc板组成，耗能部为钢梁结构。
15.本发明还提出了一种公路桥梁桥墩用耗能防撞系统，其采用上述的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置，所述系统包括多个耗能防撞装置，所述耗能防撞装置采用所述的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置；多个耗能防撞装置分散在桥墩外周，第二支撑板位于第一支撑板背离桥墩的一侧；当桥墩为圆形桥墩，耗能部的耗能方向与桥墩的截面圆直径方向一致。
16.本发明的优点在于：
17.(1)本发明中的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置中的耗能部包括缩减截面梁，在桥梁受到车辆撞击时，该耗能防撞装置将车撞过程中结构产生的塑形变形有效控制在缩减截面梁段，而缩减截面梁段之外的其他结构构件仅发生弹性变形，车撞发生后仅需将产生塑性变形的缩减截面梁段进行替换即可，从而极大的方便了结构维修工作，节约材料，实现节能减排的目标。
18.(2)通过本发明中的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置能够将车撞过程中桥墩受到的峰值冲击力和峰值位移响应降低80％以上，防护性能较现有的相关防护结构体系提升显著。
19.(3)缩减截面梁作为u型件的中间梁，进一步降低了缩减截面梁的长度，方便了缩减截面梁的更换，降低了耗能部的维修成本。u型件中缩减截面梁由腹板位于竖直方向上的工字梁拼接组成，以方便缩减截面梁在水平方向上提供足够的塑性形变量，从而保证耗能部对振动伤害的充分吸收。
20.(4)第一连接件的轴线、第二连接件的轴线和缩减截面梁的轴线相互平行，以方便撞击力从支撑件传递到u型件尤其是缩减截面梁上，降低第一连接件和第二连接件的耗能损伤。
21.(5)臂梁的腹板与缩减截面梁的腹板、连接件的腹板位于同一平面上，保证了第一连接件、第二连接件与臂梁之间的振动波传导效率，以及臂梁与缩减截面梁之间的振动波传导效率，方便缩减截面梁吸收振动波和塑性形变。
22.(6)第一连接件的轴线、第二连接件的轴线和缩减截面梁的轴线均平行于水平面设置。如此，方便了第二支撑板受到的撞击力通过第一连接件、耗能部和第二连接件传递到第一支撑板，实现快速高效耗能，降低振动伤害的传递。
23.(7)连接件和支撑板铰接，进一步降低了铰接位置的振动传递效率，也方便了对耗能部的更换。
附图说明
24.图1为一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置立体示意图；
25.图2为一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置正视图；
26.图3为耗能部结构图；
27.图4为缩减截面梁结构图；
28.图5为一种公路桥梁桥墩用耗能防撞系统俯视图；
29.图6为一种新型防护结构耗能连接示意图。
30.图示：1、第一支撑板；2、第二支撑板；3、耗能部；31、缩减截面梁；32、臂梁；33、第一连接件；34、第二连接件；35、加强筋板；36、波纹管；4、基板；5、滑动支座；6、限位件；7、桥墩。
具体实施方式
31.耗能部
32.参照图3、图4，本实施例提出的耗能部包括u型件，u型件的中间梁为缩减截面梁31，即中间梁长度方向为耗能部的耗能方向，且中间梁在长度方向上中部截面面积小于两端的截面面积。
33.如此，当该耗能部在耗能方向上受到撞击时，缩减截面梁31吸收塑性形变，从而实现了将撞击导致的塑性形变束缚在一小段梁上，避免耗能部的大面积损坏。
34.中间梁在长度方向上中部截面面积小于两端的截面面积的实现方式，具体可设置中间梁在长度方向上端部至中部截面面积逐渐减小；或者中间梁的端部和中部均截面面积固定，中部截面面积小于端部截面面积，且中部和端部之间通过变径过渡部连接；所述变径过渡部从端部连接位置至中部连接位置截面面积逐渐减小。
35.本实施例中，耗能部还包括第一连接件33和第二连接件34，u型件的一端通过第一连接件33连接支撑件，u型件的另一端通过第二连接件34连接支撑件。当耗能部3受到撞击后，由于塑性形变被缩减截面梁31吸收束缚，从而可保证第一连接件33、第二连接件34和支撑件的完好，即使发生过度撞击，也只会损坏缩减截面梁31，以便通过更换缩减截面梁修复耗能部。且本实施例中，缩减截面梁31作为u型件的中间梁，进一步降低了缩减截面梁31的长度，方便了缩减截面梁31的更换，降低了耗能部3的维修成本。
36.本实施例中，第一连接件33的轴线、第二连接件34的轴线和缩减截面梁 31的轴线相互平行，以方便撞击力从支撑件传递到u型件尤其是缩减截面梁31 上，降低第一连接件33和第二连接件34的耗能损伤。
37.本实施例中，耗能部3为钢梁结构。将u型件位于中间梁两端的部位记作臂梁32，缩减截面梁31、臂梁32、第一连接件33和第二连接件34均由工字梁拼接组成，臂梁32的腹板与缩减截面梁31的腹板、第一连接件33的腹板、第二连接件34的腹板位于同一平面上。如此，保证了第一连接件33、第二连接件 34与臂梁32之间的振动波传导效率，以及臂梁32与缩减截面梁31之间的振动波传导效率，方便缩减截面梁31吸收振动波和塑性形变。
38.本实施例中，耗能部每一个拐角的内角设有加强筋板35，进一步提高耗能部3的结构稳定性。
39.一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置
40.参照图1、图2，本实施例提出的一种公路桥梁桥墩用耗能防撞装置，包括：第一支撑板1、第二支撑板2和耗能部3。
41.第一支撑板1和第二支撑板2均竖直设置且彼此相对，第二支撑板2在水平方向上
滑动设置；耗能部3的两端分别连接第一支撑板1和第二支撑板2，第二支撑板2的滑动方向与耗能部3的耗能方向一致。
42.本实施例中，耗能部3如上所述，u型件的两端分别通过第一连接件33和第二连接件34连接第一支撑板1和第二支撑板2。
43.如此，当该耗能防撞装置受到车辆撞击时，先通过第二支撑板2的滑动进行耗能，然后由耗能部3进一步耗能，以实现抗冲击保护。本实施方式中，第二支撑板2的滑动方向与耗能部3的耗能方向一致，保证了第二支撑板2受到撞击时对耗能部3施加的挤压力与耗能部3的弹性形变方向一致，避免了耗能部3由于第二支撑板2滑动受到扭转力伤害。
44.本实施方式中，第一连接件33的轴线、第二连接件34的轴线和缩减截面梁31的轴线均平行于水平面设置。如此，方便了第二支撑板2受到的撞击力通过第二连接件34、耗能部3和第二连接件34传递到和第一支撑板1，实现快速高效耗能，降低振动伤害的传递。
45.本实施方式中，第一连接件33和第一支撑板1铰接，第二连接件34和第二支撑板2铰接，进一步降低了铰接位置的振动传递效率，也方便了对耗能部3 的更换。
46.本实施方式中，u型件中缩减截面梁31由腹板位于竖直方向上的工字梁拼接组成，以方便缩减截面梁31在水平方向上提供足够的塑性形变量，从而保证耗能部3对振动伤害的充分吸收。
47.本实施方式中，第一支撑板1和第二支撑板2之间设有多个耗能部3，且多个耗能部3呈矩阵排列，以提高耗能效率。具体实施时，同一水平位置上的耗能部3之间设有限位件6，使得耗能部之间相对位置不变，限位件可采用连接在两个耗能部3之间的钢条，也可采用与耗能部箍结的箍筋，以提高结构稳定性。
48.本实施方式中的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置还包括基板4，第一支撑板1 和第二支撑板2均竖直设置在基板4上，且第二支撑板2通过滑动支座5滑动设置在基板4上。如此通过基板4的设置提高了耗能防撞装置整体的稳定性。
49.本实施方式中，第一支撑板1和第二支撑板2均由钢板和设置在钢板背离耗能部3一侧的uhpfrc板(超高性能纤维增强混凝土)组成。
50.为了验证本实施方式中的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置的防撞效果，以下实施例1结合一种用于圆形桥墩的耗能防撞系统进行验证，实施例2为实施例1 的对比例。
51.实施例1
52.本实施例中，在圆形桥墩的外周设置上述的公路桥梁桥墩用耗能防撞装置，具体设置方式如图5所示。
53.本实施例中，缩减截面梁31包括位于两端的端部和位于中间的中部，中部和端部之间通过变径连接部连接。具体的，端部、中部和变径连接部均由工字梁拼接组成。本实施例中，缩减截面梁31在耗能方向上中部截面面积小于两端的截面面积具体表现为，中部工字梁的腹板长度h1为固定值，端部工字梁的腹板长度h2为固定值，h1《h2，且由端部连接位置至中部连接位置，构成变径过渡部的工字梁的腹板长度逐渐减小。所述腹板长度即为工字梁中两个翼板的距离。
54.本实施例通过数值仿真可知，通过该耗能防撞装置的耗能，车撞过程中桥墩受到的峰值冲击力和峰值位移响应降低了80％以上。
55.值得注意的是，本实施例1中，也可设置缩减截面梁31由在耗能方向上两端至中间
位置腹板长度逐渐减小的工字梁拼接组成。
56.实施例2
57.本实施例中，在圆形桥墩的外周设置湖南大学开发的一种基于uhpfrc(超高性能纤维混凝土)的新型防护结构，其如图6所示，该新型防护结构在两块uhpfrc 之间通过波纹管36连接耗能。
58.本实施例中新型防护结构在圆形桥墩外周的设置方式参照图5。
59.本实施例通过数值仿真可知，该新型防护结构能够将桥墩受到的峰值冲击力降低40％左右，同时能够将桥墩的最大位移响应降低30％左右。
60.实施例2所采用的湖南大学开发的新型防护结构，是当前常用的桥墩桥梁用耗能防护结构，其取得的防护性能当前在相关领域已经是公认的较高水平。
61.通过以上实施例1和实施例2对比可知，本发明提供的耗能防撞装置相对于现有的防护结构，在降低冲击力和位移上均取得了突破性效果，在现有防护体系上实现了跳跃性的提升。
62.同时，实施例2中波纹管与uhpfrc之间硬连接，该防护结构在受到车辆撞击后，防护结构的波纹管状往往会发生大范围的塑形变形和结构损伤，给撞后结构维修造成了不便。而实施例1中耗能部3与支撑板之间铰接，耗能部3受损后易于更换。
63.以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。