一种自恢复桥墩防护装置
阅读说明：本技术 一种自恢复桥墩防护装置 (Self-recovery pier protection device ) 是由 周宏元 吴洁好 王小娟 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自恢复柔性桥墩防护装置,属于建筑结构防护领域。该装置包括玄武岩柔性纤维层、自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层、外部玄武岩纤维型材迎撞层。桥墩外侧玄武岩柔性纤维层包裹,自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层连接在其外侧,最外部用玄武岩纤维型材封装。本发明实现了柔性桥墩防撞,既保证了桥墩在受到冲击荷载作用时的防护,又保证了撞击车辆的安全；并且实现了在冲击荷载作用后的防护装置的自然恢复,重复使用,大大降低了加固修复的时间和经济成本。同时吸能层内的颗粒散体来源于建筑固废,实现绿色建筑、可持续发展的理念。(The invention discloses a self-recovery flexible pier protection device, and belongs to the field of building structure protection. The device comprises a basalt flexible fiber layer, a self-recovery flexible fiber particle energy absorption layer and an external basalt fiber profile collision layer. The outer side of the pier is wrapped by a basalt flexible fiber layer, the self-recovery flexible fiber particle energy absorption layer is connected to the outer side of the pier, and the outermost part of the pier is packaged by a basalt fiber section. The invention realizes the anti-collision of the flexible bridge pier, not only ensures the protection of the bridge pier when the bridge pier is under the action of impact load, but also ensures the safety of the collision vehicle; and the natural recovery and the repeated use of the protective device under the action of the impact load are realized, and the time for reinforcing and repairing is greatly reduced, and the economic cost is greatly reduced. Meanwhile, the granular dispersion in the energy absorption layer is derived from building solid waste, and the concepts of green building and sustainable development are realized.)
技术领域
本发明涉及建筑结构防护领域，特别是一种桥墩防撞装置。
背景技术
近年来，随着我国社会经济的快速发展，汽车的大量普及，越来越多的汽车在公路上行驶。交通事故的上升随之而来，其中车辆撞击交通公路桥所引发的灾害尤为严重。为了保护人民的生命财产安全，对于桥墩结构在车辆撞击(冲击荷载)下的防护是十分必要的。传统的桥墩结构抗撞设计，经常通过增加结构刚度的方法来提高其抗撞性能。但是对于既有结构，亟待寻求一种有效且易实现的方法来提高其抗撞(抗冲击荷载)性能。本发明专利实现了上述所需目的，通过对既有桥墩外侧缠裹玄武岩纤维层，其外侧连接柔性纤维颗粒吸能层，外部采用玄武岩纤维型材封装，作为外部迎撞层。即实现桥墩的柔性防护，减小桥墩结构在受到汽车撞击带来的破坏，保护撞击车辆内人员的生命安全。又实现了防护装置的自恢复，桥墩结构在受到撞击后，防护装置自然恢复，可以反复使用保护桥墩或对于连续撞击下的桥墩具有更好的防护效果，降低修复更换的经济成本。
发明内容
本发明针对上述既有桥墩结构的撞击防护，提出一种自恢复柔性桥墩防护装置。一种自恢复柔性桥墩防护装置包裹在桥墩外部，当受到车辆撞击(冲击荷载)时，最外部玄武岩纤维型材迎撞层作为受载介面，将撞击荷载均匀传递至自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层。自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层受到荷载作用，将发生变形。就是通过变形增加荷载作用时间，降低荷载峰值。在吸能层变形的过程中一部分能量转变为内能以热的形式消耗，剩余的能量继续传递至桥墩结构。桥墩结构外侧包裹玄武岩柔性纤维层，通过提供环向约束从而提高桥墩结构的整体刚度和破坏后的完整性。一种自恢复柔性桥墩防护装置通过吸能层的自恢复单元和颗粒散体的组合，充分发挥柔性防护的特点，大大降低荷载峰值。在面临一些高速撞击时，通过两者的结合作用，更好的发挥吸能层的耗能作用。一次撞击结束后，吸能层的自恢复单元将防护装置还原至撞击前状态，迎对下一次撞击防护。一种自恢复柔性桥墩防护装置实现了桥墩结构和车辆的双向防护，并且在连续撞击(多次撞击)作用下具有很好的防护效果。
为了达到上述目的，本发明的基础方案为：
一种自恢复柔性桥墩防护装置，包括包裹在桥墩外侧玄武岩柔性纤维层、中部自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层、外部玄武岩纤维型材迎撞层以及防护装置中相关连接部件。
上述方案中，一种自恢复柔性桥墩防护装置，为了方便施工和环保，采用工厂预制的方式制作现场装配安装。包裹在桥墩外侧玄武岩纤维层、中部自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层、外部玄武岩纤维型材迎撞层均在在工厂预制。
首先用柔性纤维织布制作立方体单胞晶格，预留一面暂不封口，在其中放置自恢复单元，然后将立方体单胞晶格中填充满固体废弃颗粒散体，随后在对自恢复单元施加一定的预压力，最后采用缝合的方式封装预留面。立方体单胞晶格通过柔性纤维织布约束和内部自恢复装置的预应力，使立方体单胞晶格维持自稳定状态。上述自恢复单元采用两片圆形钢板，圆形钢板外轮廓和立方体单胞晶格面内切，在两片圆形钢板间圆心对称的位置安装可压缩弹簧。根据桥墩防护设计，布置单胞晶格的数量和位置，并将其缝制在玄武岩柔性纤维层上，由此形成多胞晶格的自恢复柔性颗粒散体吸能层和玄武岩纤维层。玄武岩纤维型材迎撞层采用分片拼装的方式，在工厂预制成片，现场拼装中部自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层外部。
一种自恢复柔性桥墩防护装置可以根据桥墩结构尺寸不同，截面形式不同调整装置的形式。根据抗撞防护等级的要求调整玄武岩柔性纤维层厚度和编制方式、自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层的厚度和晶格形式、数量，以及玄武岩纤维型材迎撞层的厚度和材料类型。根据撞击荷载的速率调整自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层中自恢复单元和颗粒散体组合形式。
上述方案中，柔性纤维缠裹层建议采用玄武岩纤维。其缠裹在桥墩结构外侧，对桥墩结构提供环向约束，提高结构整体的抗冲击能力。当受到较大冲击荷载作用，即使桥墩结构发生破坏，由于柔性纤维缠裹层的约束，结构仍有较好的参与承载能力。
上述方案中，自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层，作为主要的耗能部件，连接在柔性纤维缠裹层外侧。当受到撞击，自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层变形和运动，一方面通过将撞击荷载作用时间变长，换取低荷载作用峰值。另一方面通过颗粒散体运动将机械能装变为内能消耗掉部分能量。由此降低车辆撞击带来的破坏，保护桥墩结构。在撞击结束后，通过自恢复单元可以有效减小甚至消除结构撞击后的残余变形，使之能够快速地恢复正常使用功能，有效保护桥墩结构应对下一次车辆撞击，大大降低防护结构维修重建的时间和经济成本。
上述方案中，玄武岩纤维型材迎撞层，通过预制分片，施工现场拼装。连接在自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层外部，封装。作为一种自恢复柔性桥墩防护装置的迎撞层，收到车辆撞击后，将冲击荷载均匀作用于内部自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层。并且可以有效保护吸能层的自恢复单元受到剪切变形。
上述方案中，玄武岩柔性纤维层的编制方式和缠裹层数，自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层中自恢复单元的刚度，固废颗粒散体的粒径范围、密实程度，以及玄武岩纤维型材迎撞层厚度，可根据桥墩结构形式和抗撞能力调整。
本发明专利具有以下优点：
(1)本发明装置主要用于桥墩结构防撞，通过对既有桥墩结构的安装，其中自恢复单元和颗粒散体颗粒相结合，组成柔性吸能层。将柔性防护的思想引入防护结构中，在冲击荷载作用下，将牺牲荷载与桥墩结构的作用时间，换取较低的荷载作用峰值。并且对于桥墩结构和撞击车辆实现了双向保护。
(2)自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层中的自恢复单元实现了在车辆撞击后桥墩防护装置的自复位，从而有效消除车辆撞击后带来的变形，使桥墩防护装置能够快速的恢复正常使用功能。在面对连环撞击等极端情况下，更加有效的提供对桥墩结构的保护。并且大大降低了抽检和维修的成本。
(3)柔性纤维层采用玄武岩纤维，具有耐高温，耐腐蚀，绿色无污染，价格低廉的优势。颗粒散体采用固体废料(废弃混凝土颗粒、废弃砖渣)，充分发挥固废利用，绿色环保建筑的思想，实现建筑结构的可持续发展。
附图说明
图1一种自恢复柔性桥墩防护装置示意图。
图2自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层示意图。
图3一种自恢复柔性桥墩防护装置俯视图。
在所有附图中，相同的部件标号表示相同的构件或材料，其中1为玄武岩柔性纤维层，2为自恢复柔纤维性颗粒散体吸能层，3为玄武岩纤维型材迎撞层，21为下部固定钢片，22为中部弹簧，23为颗粒散体填充材料，24为纤维包裹材料，31为管片型号1，32为管片型号2，33为管片型号3，34为管片型号4。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
如图1所示，一种自恢复柔性桥墩防护装置。
以城市立交桥桥墩结构为例，桥墩直径1500mm，根据道路交通统计，该路段行驶车辆多为轿车无货运客车，因此桥墩防护装置布设高度1.5米，形式如图1所示。一种自恢复柔性桥墩防护装置，包括玄武岩柔性纤维层1、自恢复柔纤维性颗粒散体吸能层2以及玄武岩纤维型材迎撞层3。其中自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层包含自恢复单元，颗粒散体填充材料23以及纤维包裹材料24。自恢复单元由上、下部的固定钢片21和中部弹簧22组成。
具体实施步骤：
玄武岩柔性纤维层1、自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层2以及玄武岩纤维型材迎撞层3均采用工厂预制构件现场装配的形式进行。
工厂预支构件：
玄武岩柔性纤维层1，为双向编制玄武岩纤维布，重量200g/m^2，宽为750mm。
自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层2，其中自恢复单元上、下部固定钢片采用Q233钢材制作，钢片直径100mm，厚度5mm。中部弹簧刚度为k，长度为110mm，将弹簧安装在上、下钢片之间圆心对称。将纤维包裹材料采用双向编制玄武岩纤维布，制作成正六面体结构，尺寸为100*100*100mm，上部暂不封口。将自恢复单元放入其中，并用固废颗粒散体材料填充满六面体结构。固废颗粒散体填充密实度为0.7，粒径范围从0.3mm到4.75mm。对自恢复单元施加一定的预压力，使其压缩至上部钢片顶面与纤维包裹六面体结构上口齐平，后通过缝制的方式封装纤维包裹六面体结构，使其成为封闭状态，并形成自稳定结构。将制作完成的单胞晶格结构缝制在玄武岩纤维布上，自恢复单元变形方向垂直于纤维布面。
玄武岩纤维型材迎撞层3，采用玄武岩纤维制成管片结构，管片厚100mm，宽750mm。管片形式有4种，通过结构形式的拼接，形成自封闭环壳。
现场装配施工：
首先，桥墩结构从地面起1.5米高度范围内进行表面清洁处理，后均匀涂抹环氧树脂粘接剂，并用玄武岩纤维层1缓慢且均匀的包裹在桥墩结构4的外侧，缠裹一圈。接下来如法炮制，用环氧树脂粘接剂均匀涂抹在玄武岩柔性纤维层1外侧，再包裹一圈玄武岩柔性纤维层1，注意两圈玄武岩纤维层的接缝应做错缝处理，错缝距离大于1倍宽度(750mm)。上下玄武岩柔性纤维层搭接宽度大于0.5米。玄武岩纤维层应均匀缠裹在桥墩结构外侧，无凸起，无缺陷。
然后，用相同的粘接方法将自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层2缠裹于玄武岩纤维层外部，包裹一圈。
最后，将玄武岩纤维型材迎撞层3管片拼装在自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层2外部，管片拼装顺序按照31、32、33最后34(其中32和33的顺序可互换)，形成封闭环壳。自恢复柔性纤维颗粒散体吸能层2的自恢复单元在制作过程中受到预压作用，当包裹纤维封装结束，自恢复单元引其自身特性会提供向外的膨胀力，使玄武岩纤维型材迎撞层3的特殊结构形式形成自稳定体系。上下玄武岩型材迎撞层进行拼接时，应注意错缝处理。玄武岩纤维型材迎撞层3由不同切面的管片型号组成，管片型号1为直边、管片型号2为一直边和一斜边，管片型号3为一直边和一斜边，管片型号4为两斜边，通过不同边的配合安装实现玄武岩纤维型材迎撞层3的结构契合撞击力，即形成自稳，又形成耗能。
以上所述结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的实施方式，上述实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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