專利名稱：一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種橋梁或碼頭防撞結構，尤其是一種利用復合材料制造的低成本綠色防撞裝置，具體地說是一種適用于各類橋梁的橋墩、橋塔、承臺、碼頭、水上建筑、海洋建筑以及航船用以減輕船舶、浮冰或車輛等撞擊災害的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置。
背景技術：
眾所周知，船(車)撞橋事故在世界各地一直在不斷地發生，船撞橋事故的頻率遠比我們想象的更高。由船撞橋事故所導致的人員傷亡、財產損失以及環境破壞是驚人的。很多船撞橋事故輕則損失數萬元，重則人員傷亡、損失以數百萬、數千萬甚至數十億美元計， 大量的間接損失更是難以計算。因此對橋梁采取防撞措施尤為必要，其根本目的是防止橋梁因船舶(車輛)撞擊力而發生結構毀壞，同時盡可能地保護船舶(車輛)，將損失減小到最低程度。經過多年的研究應用，國內外出現了多種針對船橋碰撞的橋墩防撞設施，但其基本原理是基于能量吸收、動量緩沖而設計的，每種防撞設施都有其特點和使用條件。具體來說防撞設施可分為兩大類一為間接式，其特點為在橋墩之外另設防撞設施，橋墩不直接受力，讓橋墩徹底回避船舶撞擊的問題。如樁群方式、薄殼筑沙圍堰方式、人工島方式等， 一般適用于水淺、地質情況較好的場合。間接式防撞方法雖然一勞永逸，但會影響航道，且常常因為造價太高或者條件不具備而放棄。二為直接式，其特點為力經過緩沖后直接作用在橋墩上，如護弦方式、繩索變形方式、緩沖材料設施方式、緩沖設施工程方式及固定或浮式套箱防撞設施等。一般使用在航道較窄、水較深的場合，通常建造費用較省，土建工程量不大。如珠江特大橋、上海長江大橋采用鋼箱型防撞裝置，該消能設施利用鋼材塑性變形破損消能，當船舶撞擊鋼套箱防撞裝置時，防撞結構外層非連續(間斷的)結構鋼板發生大的變形，吸收了部分碰撞能量，并且延長了接觸時間，使撞擊力峰值得以降低，同時由于結構變形和相互作用，從而撥動船頭方向，減少了船舶與結構間的能量交換。但鋼套箱通常承受單次撞擊，撞損后維修較困難；同時碰撞時船體易受損傷；另外鋼材常年在水中易銹蝕， 維護費用較高，故采用新材料設計開發新型防撞系統迫在眉睫。
發明內容
本發明的目的是針對現有的橋梁防撞裝置存在的防撞效果差、成本高或修復難度大的問題，提供的一種能充分吸收撞擊能量、成本低、應用范圍廣且綠色環保的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置。本發明的目的是通過以下技術方案解決的
一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，它包括防撞單元，防撞單元包括殼體和位于殼體內的填充材料體，所述的殼體為復合材料面層構成的實心殼體或者為內部填充有夾芯材料的復合材料面層與夾心材料構成的夾層殼體；所述的填充材料體包括空間格構體和耗能材料，空間格構體由纖維腹板呈單層單向、單層雙向、多層單向或多層多向布置在殼體內構成，耗能材料位于纖維腹板之間和/或纖維腹板與殼體的內壁之間。所述的相鄰且相互連接的任兩個防撞單元之間通過連接件相連。所述的連接件為索、不銹鋼鏈、纜繩、鋼絞線、螺栓、尼龍棒或銷釘中的ー種或幾種的組合。所述防撞単元的側部設有防撞緩沖設施，所述的防撞緩沖設施通過緊固件間隔設置在防撞單元的內側，防撞緩沖設施采用橡膠護舷或內設填充材料體的防撞袋制成。所述的復合材料面層采用纖維與樹脂制成，所述的纖維為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、混雜纖維中的至少ー種；所述的樹脂為不飽和聚酷、鄰苯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、無機樹脂或熱塑性樹脂材料中的至少ー種。所述的夾芯材料為聚氨酷泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、 Balsa木、泡桐木、杉木或強芯氈中的至少ー種。所述的耗能材料為聚氨酷泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa 木、泡桐木、杉木、泡沫鋁、泡沫砂、蜂窩、圓管、毛竹、橡膠輪胎、橡膠粒、橡膠塊、聚氨酯彈性體、砂、泡沫顆粒與砂的混合料、聚苯砂漿、空心管、空心塑料球中的至少ー種。所述的防撞單元呈條形、塊形、圓形、橢圓形、弧形、“7”字形、環形、箱形。本發明相比現有技術有如下優點
1、本發明的各個獨立的防撞單元可通過連接件快速相連成ー個整體，并且單個單元損壞更換方便快速。2、本發明的填充材料體采用在空間格構體內填充耗能材料來防撞耗能，縱橫交錯的纖維腹板具有較高的抗剪強度和一定的緩沖彈性變形能力，可保護復合材料殼體不發生較大的剪切變形，纖維腹板之間的耗能材料可增強纖維腹板的局部抗失穩能力，從而由纖維腹板與耗能材料形成的空間網格狀耗能結構發揮作用，降低船舶或車輛撞擊橋梁造成的損失；同時所采用的耗能材料為可壓縮緩沖吸能的緑色再生材料，因此其整體吸能效果好， 且造價低廉。3、本發明防撞單元的殼體采用樹脂基纖維增強復合材料，其耐腐蝕性能極其優越，使用年限可達50年以上，能長時間耐受江水、海水等各種惡劣環境的腐蝕；并且采用的纖維為可有效將接觸面積較大的撞擊荷載迅速分散的長纖維。4、本發明的防撞裝置弾性性能好，既可以為自浮式的也可以為固定式的，它可廣泛適用于各類橋梁的橋墩、橋塔、承臺、碼頭、水上建筑、海洋建筑以及船舶用以減輕船舶、 浮冰或車輛的撞擊災害領域；當船舶、浮冰或車輛撞擊發生后，通過緩沖消能延長船舶、浮冰或車輛撞擊時間、減小船舶撞擊力，使受保護的結構不發生局部損傷，并可有效保護船舶、車輛以及人員安全。5、本發明的防撞裝置尺寸外形不受限制，可設計性強，制造成本適中，防撞功能可靠、完善，使用壽命長，便于維護和修理。
附圖1為本發明的結構示意附圖2為本發明的防撞單元內部結構示意圖；附圖3為本發明的空間格構體的組合形式示意圖，其中圖3 (a)為格構腹板單層單向設置的結構示意圖，圖3 (b)為格構腹板單層雙向設置的結構示意圖，圖3 (c)為格構腹板雙層單向布置的結構示意圖，圖3 (d)為格構腹板多層多向布置的結構示意圖； 附圖4為本發明的防撞裝置布置在橋梁承臺外側的結構示意圖之一； 附圖5為本發明的防撞裝置布置在橋梁承臺外側的結構示意圖之二； 附圖6為本發明的防撞裝置布置在橋梁承臺外側的結構示意圖之三； 附圖7為本發明的防撞裝置布置在橋梁承臺外側的結構示意圖之四； 附圖8為附圖7設置防撞單元位置處的結構俯視圖； 附圖9為本發明的防撞裝置布置在港口碼頭時的結構示意圖； 附圖10為本發明的防撞裝置布置在城市跨線橋橫梁上的結構示意圖； 附圖11為本發明的防撞裝置布置在橋墩上的結構示意圖； 附圖12為附圖10的俯視圖。其中1 一防撞單元；2—殼體；3—填充材料體；4一復合材料面層；5—夾芯材料； 6—空間格構體；7—耗能材料；8—纖維腹板；9一連接件；10—防撞緩沖設施；11 一緊固件。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。如圖1-3所示一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，它包括防撞單元1， 防撞單元1包括殼體2和位于殼體2內的填充材料體3，其中殼體2為復合材料面層4構成的實心殼體或者為內部填充有夾芯材料5的復合材料面層4與夾心材料5構成的夾層殼體，復合材料面層4采用纖維與樹脂制成，該纖維選用碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、混雜纖維中的至少一種，樹脂選用不飽和聚酯、鄰苯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、 無機樹脂或熱塑性樹脂材料中的至少一種；夾芯材料5為聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或強芯氈中的至少一種。填充材料體3包括空間格構體6和耗能材料7，空間格構體6由纖維腹板8呈單層單向、單層雙向、多層單向或多層多向布置在殼體2內構成，纖維腹板8相交的角度任選，但優選為縱橫正交布置；耗能材料7位于纖維腹板8之間和/或纖維腹板8與殼體2的內壁之間，且耗能材料7選用聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、泡沫鋁、泡沫砂、蜂窩、圓管、毛竹、橡膠輪胎、橡膠粒、橡膠塊、聚氨酯彈性體、砂、泡沫顆粒與砂的混合料、聚苯砂漿、空心管、空心塑料球中的至少一種，耗能材料7的尺寸、數量、位置可根據結構實際受力靈活采用。填充材料體3既可以預先采用纖維腹板8形成空間格構體6后再填充耗能材料7的方式成型，也可以采用纖維腹板8、耗能材料7與殼體2同時成型的方式。 另外為進一步加強該防撞單元1的性能，可在防撞單元1的側部設置防撞緩沖設施10，防撞緩沖設施10通過緊固件11間隔設置在防撞單元1的內側，防撞緩沖設施11可采用橡膠護舷或內設填充材料體3的防撞袋制成。防撞單元1呈條形、塊形、圓形、橢圓形、弧形、“7” 字形、環形、箱形或其它與防撞目標體外形相匹配的形狀。相鄰且相互連接的任兩個防撞單元1之間可通過連接件9相連，連接件9為索、不銹鋼鏈、纜繩、鋼絞線、螺栓、尼龍棒或銷釘中的一種或幾種的組合；還可將防撞單元1直接使用螺栓等緊固連接件固定在防撞物體的表面。另外為保證防撞單元1的穩定性，還可將防撞單元1使用緊固件11固定在防撞目標體上。實施例1
如圖4所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置呈與橋梁承臺外形相配的環狀漂浮式可轉動結構，該環狀結構由若干個防撞単元1及其內側設置的防撞緩沖設施10組成，橡膠護舷制成的防撞緩沖設施10通過螺栓制成的緊固件11間隔設置在防撞單元1的內側。防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，殼體2 為玻璃纖維與乙烯基樹脂固化而成的復合材料面層4構成的實心殼體；殼體2內的耗能材料7選用聚氨酯泡沫，在聚氨酯泡沫的外側包裹雙軸向玻璃纖維布后沿多層多向鋪設構成纖維腹板8形成的空間格構體6，再采用真空導入エ藝一體成型防撞單元1。在エ廠制備好防撞單元1后，在安裝現場采用螺栓作為緊固件11在防撞單元1的內側安裝防撞緩沖設施 10，再采用螺栓作為連接件9固定連接相鄰的防撞單元1，使其形成與橋墩外圍相匹配的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置。實施例2
如圖5所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置呈與橋梁承臺外形相配的環狀固定結構，該環狀結構由若干個防撞単元1組成，防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，截面呈弧形的殼體2由玄武巖纖維與環氧樹脂固化而成的復合材料面層4及填充在復合材料面層4內由泡桐木制成的夾芯材料5組成；殼體2 內的耗能材料7選用圓管，圓管填充在空間格構體6構成的空腔內。在エ廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，采用鋼絞線作為連接件9將防撞単元1連接起來后，在采用螺栓將相連的防撞單元1固定在橋梁承臺外側，防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。實施例3
如圖6所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置呈與橋梁承臺外形相配的環狀固定結構，該環狀結構由若干個防撞単元1組成，防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，截面呈“7”字形的殼體2為玻璃纖維與乙烯基樹脂固化而成的復合材料面層4構成的實心殼體；殼體2內的耗能材料7選用聚氨酯泡沫，在聚氨酷泡沫的外側包裹士45°向玻璃纖維布后沿多層多向鋪設構成纖維腹板8形成的空間格構體6，再采用真空導入エ藝一體成型防撞單元1。在エ廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，將防撞單元1掛置在混凝土橋梁承臺上，并用螺栓將防撞單元1與橋梁承臺的外側固定相連。防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。實施例4
如圖7和圖8所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置呈與橋梁承臺外形相配的半環狀固定結構，該半環狀結構由若干個防撞単元1組成，防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，殼體2的截面呈箱型并設置有倒角，該殼體2 由玄武巖纖維與環氧樹脂固化而成的復合材料面層4及填充在復合材料面層4內由balsa 木制成的夾芯材料5組成；殼體2內的耗能材料7選用橫向布置的毛竹，橫向布置的毛竹填充在空間格構體6構成的空腔內。在エ廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，用螺栓作為連接件9將防撞単元1沿橋梁承臺的被撞區域固定在橋梁承臺的外側即可。防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。
實施例5
如圖9所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置布置在港口碼頭上，該防撞裝置由若干個防撞單元1組成，防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，截面呈圓筒形的殼體2由玻璃纖維與乙烯基樹脂固化而成的復合材料面層 4及填充在復合材料面層4內由泡桐木制成的夾芯材料5組成，并預留局部灌料孔；在殼體 2內事先布置空間格構體6，采用真空導入工藝一體成型復合材料殼體2后再向殼體2內灌注泡沫砂作為耗能材料7，在手糊玻璃鋼密封灌料孔，從而形成圓筒形防撞單元1。在工廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，用螺栓將防撞單元1沿港口碼頭的被撞區域固定在港口碼頭的外側即可。防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。實施例6
如圖10所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置布置在城市跨線橋的橫梁上，從而防止城市超高車輛撞擊橋梁主梁造成車輛損壞、人員傷亡、橋梁落梁乃至倒塌。該防撞單元1由殼體2和填充在殼體2內的填充材料體3構成，殼體2的截面呈塊狀，殼體2為玻璃纖維與乙烯基樹脂固化而成的復合材料面層4構成的實心殼體；殼體2 內的耗能材料7選用聚氨酯泡沫，再采用真空導入工藝一體成型防撞單元1。在工廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，用螺栓將防撞單元1沿城市跨線橋的橫梁橫向布置即可。防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。實施例7
如圖11和圖12所示，一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，該防撞裝置呈與橋墩外形相配的環狀固定結構，該環狀結構由若干個防撞單元1組成，防撞單元1由殼體2 和填充在殼體2內的填充材料體3構成，截面與橋墩外形相匹配的殼體2為玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂固化而成的復合材料面層4構成的實心殼體；殼體2內填充PEI泡沫構成的耗能材料7和玻璃纖維布構成的空間格構體6，再采用真空導入工藝一體成型防撞單元1。 在工廠制備好防撞單元1后，在安裝現場，將防撞單元1用螺栓固定在橋墩的外側以防止車撞。防撞單元1的數量及布置方式根據功能需要進行設計。以上為本發明的復合材料防撞裝置的幾個實例，但本發明的保護不限于這些實例。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，它包括防撞單元(1 )，防撞單元(1)包括殼體(2)和位于殼體(2)內的填充材料體(3)，其特征在于所述的殼體(2)為復合材料面層(4)構成的實心殼體或者為內部填充有夾芯材料(5)的復合材料面層(4)與夾心材料(5) 構成的夾層殼體；所述的填充材料體(3)包括空間格構體(6)和耗能材料(7)，空間格構體 (6)由纖維腹板(8)呈單層單向、單層雙向、多層單向或多層多向布置在殼體(2)內構成，耗能材料(7)位于纖維腹板(8)之間和/或纖維腹板(8)與殼體(2)的內壁之間。
2.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的相鄰且相互連接的任兩個防撞單元(1)之間通過連接件(9)相連。
3.根據權利要求2所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的連接件(9)為索、不銹鋼鏈、纜繩、鋼絞線、螺栓、尼龍棒或銷釘中的一種或幾種的組合。
4.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述防撞單元(1)的側部設有防撞緩沖設施(10)，所述的防撞緩沖設施(10)通過緊固件(11)間隔設置在防撞單元(1)的內側，防撞緩沖設施(11)采用橡膠護舷或內設填充材料體(3)的防撞袋制成。
5.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的復合材料面層(4)采用纖維與樹脂制成，所述的纖維為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、混雜纖維中的至少ー種；所述的樹脂為不飽和聚酷、鄰苯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、無機樹脂或熱塑性樹脂材料中的至少ー種。
6.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的夾芯材料(5)為聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木或強芯氈中的至少ー種。
7.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的耗能材料(7)為聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、Balsa木、泡桐木、 杉木、泡沫鋁、泡沫砂、蜂窩、圓管、毛竹、橡膠輪胎、橡膠粒、橡膠塊、聚氨酷弾性體、砂、泡沫顆粒與砂的混合料、聚苯砂漿、空心管、空心塑料球中的至少ー種。
8.根據權利要求1所述的緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，其特征在于所述的防撞單元(1)呈條形、塊形、圓形、橢圓形、弧形、“7”字形、環形、箱形。
全文摘要
本發明公開了一種緩沖吸能型腹板增強復合材料防撞裝置，它包括防撞單元(1)，防撞單元(1)包括殼體(2)和位于殼體(2)內的填充材料體(3)，所述的殼體(2)為復合材料面層(4)構成的實心殼體或者為內部填充有夾芯材料(5)的復合材料面層(4)與夾心材料(5)構成的夾層殼體；所述的填充材料體(3)包括空間格構體(6)和耗能材料(7)，空間格構體(6)由纖維腹板(8)呈單層單向、單層雙向、多層單向或多層多向布置在殼體(2)內構成，耗能材料(7)位于纖維腹板(8)之間和/或纖維腹板(8)與殼體(2)的內壁之間。本發明的防撞裝置具有成本低、防撞性強、壽命長，易組裝更換的特點，適宜推廣使用。
文檔編號E01F15/14GK102561230SQ201110452209
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者劉偉慶, 方海, 祝露, 陸偉東 申請人:上海博泓低碳節能科技股份有限公司, 南京工業大學