桥墩柔性防撞装置及其安装方法

本发明涉及桥墩防护，尤其涉及一种桥墩柔性防撞装置及其安装方法。

背景技术：

1、桥墩是桥梁结构的重要组成构件，桥墩的破坏将导致桥梁结构的功能不能正常发挥。对于存在落石撞击安全风险的山区桥梁和车辆撞击安全风险的城市跨线桥梁，一般都需要采取相应的防护措施，以保证桥梁结构在极端冲击荷载下的安全性。

2、在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

3、目前的桥墩防撞方案和方法，根据其工作机理可以分为以下三类：

4、第一种是抗，即通过对原有结构的加固增强，提高结构的抗撞能力；

5、第二种是拦，即通过设置非附着式的混凝土防撞墩、钢管、钢索等，拦截撞击物，避免结构直接承受冲击作用；

6、第三种是消，即通过采用单一的阻尼器、金属材料、复合材料、泡沫材料或者几种消能材料(构件)的组合，吸收外界碰撞能力，起到结构防护的作用。

7、1.对结构进行加固增强提高抗撞能力的技术方案：

8、发明专利《抗冲击式防撞桥墩》(申请号：201510514955.3)公开了一种在桥墩外包裹有护筒，且在护筒外设置有防撞装置的抗冲击防撞桥墩，桥墩抗冲击能力的提升主要是因为其增大了墩柱的截面，设置的防撞结构增加了结构的耗能能力。

9、实用新型专利《一种山区涉河段桥墩加固结构》(申请号：202123121088.7)公开了一种可以提高桥墩抗冲击能力的技术方案，通过在原有桥梁墩柱外设置钢护筒，并在墩柱和钢护筒之间灌注混凝土，提高了桥墩的抗冲击能力。

10、2.对碰撞物进行拦截的技术方案：

11、实用新型专利《一种多级耗能缓冲拦截装置及其阻尼器》(申请号：202120610562.3)公开了一种适用于船撞桥防护的防撞装置，通过多级耗能缓冲装置自身的大变形缓冲吸能，将船舶拦停于桥墩之外。此发明构造复杂，尺寸大，实际安装和功能的发挥需要较大的空间，并不太适合于车撞、落石撞桥墩的防护；另外，此专利虽然也使用了钢索，但是只是将其作为基本的拦截构件，防撞装置耗能作用的发挥主要还是靠阻尼器的耗能。

12、发明专利《一种带阻尼装置的转筒式拦截所柔性防撞装置》(申请号：201810223849.3)公开了一种基于阻尼元件耗能、采用钢索拦截的柔性防撞装置。此专利与上述实用新型专利《一种多级耗能缓冲拦截装置及其阻尼器》原理较为类似，防撞功能的发挥主要取决于阻尼器的耗能机制，且适用于船-桥碰撞领域，对于车辆、落石冲击桥墩并不适用。

13、3.基于吸能构造或者吸能材料的防撞技术方案：

14、发明专利《一种桥墩用钢桁架与复合材料混合防撞保护系统》(申请号：201610191661.6)通过对钢桁架和复合材料防撞圈进行组合，可以显著吸收冲击能量，改善墩柱抗撞能力弱的缺点。此专利确实可以一定程度上提高桥墩抗撞能力，但是由于复杂构造的设置使得加工、安装和维护也较为困难。

15、实用新型专利《一种基于复合材料的固定式桥墩防撞装置》(申请号：202122284761.2)通过在防撞圈内部设置聚氨酯发泡棉，并在防撞圈外部设置防撞块，提高桥墩的抗撞能力。

16、实用新型专利《一种单元化的桥墩防撞装置》(申请号：20220321920.3)通过设置外层钢组件、内层钢组件以及位于中间层的塑性吸能组件，实现碰撞时的吸能防护功能。

17、上述只是部分与本技术相近的方案，需要指出的是，现在市面上的防撞、抗撞方案多样，采用不同的构造、不同的材料都可以实现一定程度上桥墩的防撞和抗撞，但是总体的工作原理都可以归于以上三类。从既有方案的回顾来看，目前的技术方案在防护性能、制造加工成本和结构复杂程度、可维护和可更换性上面无法取得平衡，这也是制约目前防撞技术方案继续向前发展的一个重要原因。

18、因此需要一种桥墩柔性防撞装置及其安装方法，以至少部分地解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种桥墩柔性防撞装置及其安装方法，施工简单，装置构造简单，成本低，易获得，易修复。

2、第一方面，本发明提供一种桥墩柔性防撞装置，所述装置包括：

3、固定至桥墩的呈张紧状态的钢丝绳，所述钢丝绳构造为沿竖直方向从所述桥墩的底部延伸至所述桥墩的顶部环绕所述桥墩，且与所述桥墩的周面间隔一定距离；

4、转向支撑装置，所述转向支撑装置间隔设置至所述桥墩；所述转向支撑装置包括用于固定至所述桥墩的连接部和用于支撑所述钢丝绳的支撑部；以及

5、预紧装置，所述预紧装置连接至所述转向支撑装置，所述预紧装置用于固定所述钢丝绳和调整所述钢丝绳的预应力。

6、根据本发明的桥墩柔性防撞装置，结构简单，通过预紧钢丝绳在碰撞作用下的非线性弹性变形来分散碰撞物对被撞物的局部冲击作用，同时钢丝绳的弹性回缩会改变碰撞物的运动路径，进一步降低对桥墩的损伤。

7、可选地，所述连接部构造为与所述桥墩的周面形状适配的弧面板，所述弧面板通过紧固件固定至所述桥墩。

8、可选地，所述支撑部构造为可容纳所述钢丝绳的弧形槽，其槽口朝向背离所述连接部的一侧。

9、可选地，所述转向支撑装置还包括中间部，所述中间部构造为拱形桥结构，其开口的一侧连接至所述连接部，其背离所述开口的一侧连接至所述支撑部。

10、可选地，所述装置包括至少两组分布在所述钢丝绳的两末端处的所述转向支撑装置上的所述预紧装置，所述预紧装置包括固定至所述支撑部的固定块，所述固定块内设置螺纹孔，所述螺纹孔内螺接调整螺杆，所述调整螺杆连接所述钢丝绳。

11、可选地，所述钢丝绳构造为螺旋环绕所述桥墩布置，且同一竖直位置处的任意相邻钢丝绳之间的间距相等。和/或所述连接部、所述支撑部和所述中间部采用焊接方式制成为一体结构。

12、可选地，所述转向支撑装置采用塑性材质制成，这样在较大的冲击能量下，钢丝绳转向支撑装置会发生塑性变形以进一步吸收碰撞能量。和/或所述装置的外侧还设置防护筒。

13、第二方面，本发明还提供一种桥墩柔性防撞装置安装方法，基于上述技术方案的桥墩柔性防撞装置，所述方法包括以下步骤：

14、将所述转向支撑装置间隔固定至所述桥墩；

15、至少在沿竖直方向上的所述桥墩的底端和顶端处的所述转向支撑装置上固定所述预紧装置，同时将所述钢丝绳放置在所述转向支撑装置上；

16、通过调整预紧装置，将所述钢丝绳拉紧直至达到预定预应力。

17、可选地，所述通过调整预紧装置，将所述钢丝绳拉紧直至达到预定预应力，具体包括：

18、获得碰撞物冲击质量、冲击速度在内的初始冲击参数；

19、初步建立冲击碰撞有限元模型，获取设计碰撞力；

20、根据设计碰撞力确定转向支撑装置尺寸和钢丝绳的数量、直径、竖直间距参数；

21、根据上述钢丝绳的布置参数及撞击变形要求，将设计碰撞力作为钢丝绳在垂直方向上达到设计变形时的最大拦截力，获得钢丝绳初始预应力；

22、根据钢丝绳初始预应力布置钢丝绳，并通过冲击碰撞有限元模型验证钢丝绳防护效果，如果冲击力降低50％以上，则满足要求，否则继续调整钢丝绳布置参数直至满足要求。

23、可选地，所述通过调整预紧装置，将所述钢丝绳拉紧直至达到预定预应力，具体包括：

24、确定碰撞物质量为m，速度为v，通过对碰撞物冲击桥墩有限元模型仿真联合公式计算确定碰撞物与墩柱冲击力fc，其中

25、

26、δt为冲击过程持续时间，h为缓冲厚度；

27、以n根钢丝绳拦截碰撞物为例进行计算，单根钢丝绳对碰撞物冲击方向的最大拦截力fc/n；

28、取钢丝绳沿冲击方向最大变形为a，初始长度l0，变形后长度为l1，通过钢丝绳变形几何关系，可得

29、由钢丝绳的应力应变关系可得

30、f0＝ε0eas，

31、f1＝ε1eas，δl1＝l1-l0+δl0，             (2)

32、由公式(1)和(2)联立可得：

33、式中：△l0为初始钢丝绳伸长量，△l1为变形后钢丝绳的总伸长量，l0表示初始钢丝绳长度，l1为变形后总长度，f0为钢丝绳初始内力，f1为伸长后钢丝绳内力，e为钢丝绳弹性模量，as为单股钢丝绳截面积，

34、此时，单根钢丝绳所提供的水平拉力

35、只需即拉力便可满足冲击力降低50％的要求；

36、可以由满足要求的f1值代入式(3)中求出f0，由可以计算出所需要对钢丝绳施加初始预应力σ0。

37、根据本发明的方法，其操作简单，并且钢丝绳的直径、布置密度、预紧度等都可以根据防护需要，在理论分析的支撑下合理选择，灵活性较好。

38、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

39、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。