一种具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置
阅读说明：本技术 一种具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置 (Pier anti-collision device with grading and multi-defense-line protection functions ) 是由 周宏元 周后湛 王小娟 崔浩儒 于 2020-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置,属于桥梁撞击防护技术领域。该装置具体包括内层防撞钢板、橡胶泡沫混凝土填充缓冲吸能夹芯层、外层预制橡胶再生混凝土板、连接件以及高强螺栓。该装置综合了传统刚性防撞装置和柔性三明治防撞装置的优点,解决了传统刚性防撞装置吸能和防护效果差,以及柔性三明治结构夹芯层利用率低的技术问题。该装置优点是能够对撞击实现分级,实现多道防线防护。此外,该装置大量使用废弃橡胶和再生混凝土等固废材料,采用预制装配式施工安装方法,是一种兼顾防护、经济和环保等优点的桥墩防撞装置,具有很好的使用前景和经济效益。(The invention discloses a pier anti-collision device with classification and multi-defense line protection, and belongs to the technical field of bridge collision protection. The device specifically comprises an inner-layer anti-collision steel plate, a rubber foam concrete filled buffering energy-absorbing sandwich layer, an outer-layer prefabricated rubber recycled concrete plate, a connecting piece and a high-strength bolt. The device has synthesized traditional rigidity buffer stop and flexible sandwich buffer stop's advantage, and it is poor to have solved traditional rigidity buffer stop energy-absorbing and protecting effect to and the technical problem that flexible sandwich structure sandwich layer utilization ratio is low. The device advantage can realize grading to the striking, realizes multichannel defence line protection. In addition, the device uses solid waste materials such as waste rubber and recycled concrete in a large number, adopts the prefabricated assembly type construction installation method, is a pier anti-collision device which has the advantages of protection, economy, environmental protection and the like, and has good use prospect and economic benefit.)
技术领域
本发明属于桥梁撞击防护技术领域，具体说来是一种由内层防撞钢板、橡胶泡沫混凝土填充缓冲吸能夹芯层、外层预制橡胶再生混凝土板、连接件以及高强螺栓构成的具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置。
背景技术
随着我国城镇化建设的不断推进，一方面，拆迁的建筑垃圾总量以指数型增长，这对我国的环境造成极大地的危害。为了解决该问题，建筑垃圾循环再利用成为了国内外学者们近些年来的研究热点，如将废弃的混凝土块破碎成粗骨料制成再生混凝土等循环利用方式，为我国带来巨大的经济和社会效益。另一方面，随着生活水平的提高，人均小汽车数量日益增加，城市交通拥堵严重，为解决此问题，城市道路上的跨线桥数量和高度不断增加，导致车辆撞击桥墩事故时有发生，这将对桥墩和车上的人员造成很大的伤害，同时小汽车的增加也会导致废旧轮胎增多，处理旧轮胎废弃物已经成为不容回避的问题。
对于桥墩防撞，目前主要有两类防护装置，一种是传统的刚性防护，但刚性防护吸能和防护效果差，且会对撞击物造成较大危害；另一种是三明治柔性防护装置，三明治柔性防护虽既能保护桥墩又降低车辆损伤保护车上人员安全，但是其夹芯层利用率和经济效益不高，原因在于不论撞击力的大小，都会对夹芯层造成损伤，不得不更换夹芯层，且外层钢板在撞击时易发生局部变形导致仅一小部分夹芯层起到缓冲吸能作用，夹芯层利用率低。
发明内容
本发明的目的是提出一种兼顾防护、经济和环保的桥墩防撞装置，其综合了传统刚性防撞装置和柔性三明治防撞装置的优点，对意外撞击实现分级，并采用多道防线进行防护，以解决传统刚性防撞装置未考虑车辆防护效果和柔性三明治结构夹芯层利用率低的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置，是一种由内层防撞钢板、橡胶泡沫混凝土填充缓冲吸能夹芯层、外层预制橡胶再生混凝土板、连接件以及高强螺栓构成的具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置。
上述方案中，整个防撞装置各个部件均采用工厂预制构件且施工现场简易拼装完成。在工厂预制时，先将异型三维点阵骨架脚部和内层防撞钢板通过焊接连接；再支模板将橡胶泡沫混凝土浇筑填充至异型三维点阵骨架内；待橡胶泡沫混凝土经预定龄期养护后用环氧树脂与预制好的橡胶再生混凝土板粘接成一个整体；在施工现场简易拼装，将预制好的防撞装置通过内、外层连接角钢和高强螺栓连接成一个整体并固定于桥墩外表面；最后在内层连接角钢与桥墩外表面之间填充填缝材料，该装置在受到车辆撞击后可立即更换装置。
上述方案中，橡胶泡沫混凝土填充缓冲吸能夹芯层是由异型三维点阵骨架和橡胶泡沫混凝土填充材料组成，其中异型芯体为夹芯层的骨架，由多个阵列分布的四个呈弧形的钢构件构成的胞元组成。在实际工程中，可通过调整不同密度、不同橡胶掺量的橡胶泡沫混凝土与不同高度、不同弧度的异型三维点阵骨架的组合，以适应不同工况从而发挥夹芯层的最优性能。
上述方案中，当撞击能量较小时，外层预制橡胶再生混凝土板是主要的吸能构件，主要通过橡胶再生混凝土板的抗弯刚度来抵抗撞击荷载，不会对夹芯层造成损坏，从而无需更换夹芯层，属于刚性防护；当撞击能量较大时，由外层预制橡胶再生混凝土板和橡胶泡沫混凝土材料填充异型三维点阵骨架协同抵抗撞击荷载，吸收撞击能量，属于“刚柔并济”防护。
上述方案中，预制橡胶再生混凝土板主要是由废弃橡胶和废弃混凝土试块破碎后的碎石拌合而成的橡胶再生混凝土板，实现建筑垃圾循环再利用，具有极高的经济和社会价值。在实际工程中，橡胶再生混凝土介于普通混凝土的脆性和钢板的韧性之间，可以通过调整橡胶再生混凝土板的厚度、板的形状、橡胶掺量和再生骨料取代率来改变其抗弯刚度和韧性以应对不同工况。
上述方案中，对于大型撞击，该装置能具有较好的防护效果。当荷载作用在外层橡胶再生混凝土板上时，一方面，橡胶再生混凝土具有优良的抗冲击、耗能减振的性能，能减弱碰撞时的接触刚度，从而减小撞击力峰值，同时橡胶再生混凝土材料的高阻尼特性能够吸收耗散输入夹芯层的碰撞能量；另一方面，橡胶再生混凝土变形介于普通混凝土板的脆性变形和钢板的塑性变形，且橡胶再生混凝土板抗弯刚度大，局部变形较少，传递荷载较均匀，从而使得绝大部分夹芯层都发生压缩，胞元杆件发生塑性弯曲变形吸能，橡胶泡沫混凝土材料胞壁发生断裂吸能，协同降低撞击荷载峰值，延长荷载作用持时，最后撞击力由内层防撞板传递至桥墩，撞击荷载峰值以及撞击能量大幅度减小。值得强调的是橡胶泡沫混凝土在发生撞击时发生的是塑性损伤破坏优于泡沫混凝土发生脆性破坏。
上述方案中，预制的橡胶再生混凝土板外表面和内层钢板均喷涂聚脲弹性材料，一方面可以提高整个防撞装置的耐久性、吸能能力和耐腐蚀能力；另一方面可以进一步减少对撞击物的伤害。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于：
(1)相比于传统的刚性防护和柔性三明治防护结构，本发明可实现分级和多道防线防护，是一种兼顾防护、经济和环保等优点的桥墩防撞装置。当发生小撞时，本发明主要发挥橡胶再生混凝土板的刚性防撞功能，一方面，橡胶再生混凝土板抗弯刚度相对较大；另一方面，橡胶再生混凝土板可减弱碰撞时的接触刚度，减小撞击力峰值。故橡胶再生混凝土板能抵挡住小型撞击，且不会对芯层造成损坏，优于传统的柔性防护(柔性三明治防护结构不论撞击力的大小，芯层都需要更换)；当发生中撞时，主要发挥芯层的柔性防撞功能，但相比于钢板会发生严重的局部变形导致只压缩了局部夹芯层，橡胶再生混凝土板传递荷载较均匀，从而能够发挥了绝大部分芯层的作用，同时橡胶再生混凝土材料的高阻尼特性能够吸收耗散输入于芯层的碰撞能量，优于传统的刚性防护和柔性防护，提高了芯层的利用率；当发生大撞时，通过橡胶再生混凝土板和夹芯层的破坏耗散了大部分的撞击能量，然后最内层的带聚脲的防撞钢板进一步地削弱对桥墩的撞击力。经过三层防护，该装置综合利用橡胶混凝土板的刚性和芯层的柔性，并发挥绝大部分芯层的吸能作用，从而使得传递到桥墩的撞击力大幅度减小，能对桥墩实现更有效的保护，在遇到罕见撞击时，结构可靠度优于传统的刚性防护和柔性防护。
(2)相比于传统的刚性防护和柔性三明治防护结构，本发明外层采用预制的橡胶再生混凝土板，一方面，橡胶再生混凝土板的刚度介于普通混凝土板和钢板之间，可综合两者的优点，减小两者的缺点。具体说来，相较于普通混凝土板，橡胶再生混凝土板抗冲击能力强，韧性好，可减弱碰撞时的接触刚度，从而减小撞击力峰值，耗散输入能量同时能减小对撞击物的损害；相较于钢板，其整体抗弯刚度大，传递荷载较均匀，从而能够发挥了绝大部分芯层的作用，提高芯层的利用率。另一方面，预制的橡胶再生混凝土板由废弃橡胶和建筑垃圾再生骨料制成，具有极高的环保价值和经济价值。
(3)本发明针对不同的使用工况，可以通过调整橡胶再生混凝土板的厚度、形状、橡胶掺量和再生骨料取代率来改变其抗弯刚度和韧性，也可以通过调整橡胶泡沫混凝土密度和不同高度的异型三维点阵骨架的组合发挥夹芯层的最优性能，以适应不同的应用场景和不同等级的撞击力。
附图说明
图1为本发明中异型三维点阵结构胞元示意图。
图2为本发明中预制形成的异型三维点阵骨架结构示意图。
图3为本发明中无填充的异型三维点阵牺牲结构示意图。
图4为本发明中橡胶泡沫混凝土填充的异型三维点阵牺牲结构示意图。
图5为本发明中橡胶泡沫混凝土填充异型三维点阵防撞装置横截面示意图。
图6为本发明整体结构示意图。
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为钢筋混凝土桥墩，2为填缝材料，3为高强螺栓，4为角钢连接件，5为橡胶泡沫混凝土填充异型三维点阵骨架结构，6为橡胶再生混凝土板，41为内层连接角钢，42为外层连接角钢，51为内层迎撞面板，52为橡胶泡沫混凝土填充异型三维点阵骨架芯层结构，521为异型三维点阵结构，522为橡胶泡沫混凝土填充材料。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明中的技术方案，下面将结合具体实施例以及附图，对本说明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
上述方案中，具备分级和多道防线防护的桥墩防撞装置可根据以下步骤进行设计，制作和安装：
步骤1：根据桥墩的截面尺寸和应用工况，选择合适地橡胶再生混凝土板的厚度、橡胶掺量、再生骨料取代率；橡胶泡沫混凝土密度、橡胶掺量；内层防撞钢板的厚度以及异型三维点阵骨架的高度、弧度，确定角钢连接件尺寸、高强螺栓型号和预留孔洞的位置和大小。
步骤2：提前根据所选材料掺量和结构参数进行工厂预制，预制带螺栓孔洞的橡胶再生混凝土板，经过预定龄期的标准养护。
步骤3：根据预设的橡胶泡沫混凝土密度、橡胶掺量以及异型三维点阵骨架的高度、弧度，先预制好异型三维点阵骨架，然后通过焊接将异型三维点阵骨架与内层防撞钢板连接成一个整体，再支模板将橡胶泡沫混凝土浇筑填充至异型三维点阵骨架内，待橡胶泡沫混凝土经预定龄期养护后用环氧树脂与预制橡胶再生混凝土板粘接成一个整体，即可得到预制好的防撞装置。
步骤4：在防撞装置安装前，对桥墩外表面进行粗糙化处理。然后将预制好的防撞装置通过内、外层连接角钢和高强螺栓固定于桥墩外表面；最后在内层连接角钢与桥墩外表面之间填充填缝材料。
步骤5：在橡胶再生混凝土板外表面喷涂一层聚脲材料。
以上所述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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