CN111088749A - 一种铁路桥梁被动防撞装置及其设计方法 - Google Patents

一种铁路桥梁被动防撞装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁路桥梁被动防撞装置及其设计方法，属于桥梁工程安全防护技术领域，舷体由钢质外板和钢质背板组成，钢质外板的外壁涂覆有复合材料涂层；钢质隔板和波纹板均设置在舷体内部；波纹板设有若干层，均平行于钢质背板设置，相邻两层波纹板之间通过钢质隔板隔开；聚氨酯泡沫填充物填充在波纹板与钢质隔板之间的结构空隙。本发明还涉及一种基于性能的桥墩‑被动防撞装置‑船舶***协同设计方法设计铁路桥梁被动防撞装置的方法。本发明所述被动防撞装置通过将钢板与柔性吸能的复合材料结合，充分发挥各自优势，保证整体装置具有足够的刚度和缓冲耗能的能力，同时内部波纹板和聚氨酯泡沫也具有很好的缓冲吸能作用。

Description

一种铁路桥梁被动防撞装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种铁路桥梁被动防撞装置及其设计方法，属于桥梁工程安全防护技术领域。
背景技术
我国跨越江海且具有通航功能的桥梁近年来呈现快速发展的趋势，为防止桥梁在运营过程中遭受大型船舶的直接撞击作用，在通航孔桥墩位置安装防撞装置已成为普遍采用的工程措施。根据对防撞装置实际运营情况的调研来看，因防撞装置设计不合理和质量问题等导致的装置被洪水冲走、装置连接部位破断、装置因生锈导致性能退化、强烈撞击导致船舶自身首先破损等问题说明防撞装置的设计和相关结构构造还有待进一步优化。
目前，桥墩防撞装置按材料分，包括钢、混凝土、木、绳索、复合材料及其组合等种类。传统的钢护舷防撞装置采用薄钢板作为面板，抗冲击性能有限，在船舶撞击下(尤其是球艏撞击时)钢面板过早地被刺穿，使相关构件的耗能有限，导致防撞装置整体消能效率低。另一方面，钢护舷中主要耗能的水平和竖向钢板组成的结构，大多具有各向同性的刚度，竖向和水平向刚度差异不大，在船撞作用下既可能发生失稳破坏，也可能发生压弯破坏，两种破坏模式消能效率相差较大，使得钢护舷消能性能不稳定，无法预计其在实际工程中的效果。采用全复合材料的柔性防撞装置在刚度方面存在不足，船舶撞击后易碎，可能导致船舶对桥墩的二次撞击，因而其防撞效果不佳、撞后修复的难度较大。
目前在开展桥梁防撞装置设计时，往往由厂家配合设计单位直接出具方案设计图，缺少考虑不同船型撞击作用、损伤过程、长期使用性能的桥梁防撞详细设计，基于桥墩-防撞装置-船舶综合性能的防撞设计尚未出现。导致部分桥墩防撞装置出现之前提及的相关问题，未能充分发挥作用。
发明内容
针对上述提及的防撞装置在结构构造和设计方法方面存在的不足，本发明的目的在于提供一种铁路桥梁被动防撞装置——钢-波纹夹层复合材料护舷式柔性防撞装置，并提出不同超越概率船舶撞击力作用下基于性能的桥梁-防撞装置-船舶协同设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铁路桥梁被动防撞装置，为一种钢-波纹夹层复合材料护舷式柔性防撞装置，包括舷体、复合材料涂层、钢质隔板、波纹板和聚氨酯泡沫填充物；
所述舷体由钢质外板和钢质背板组成，其中所述钢质外板作为所述舷体的底板和侧壁板一体成型，所述钢质背板作为所述舷体的顶板，所述顶板与所述侧壁板焊接连接将所述舷体形成封闭结构；所述钢质背板通过螺栓结构与被防护桥墩连接；所述钢质外板的外壁涂覆有所述复合材料涂层；
所述钢质隔板和波纹板均设置在所述舷体内部；所述波纹板设有若干层，其横截面呈波纹状，所述若干层波纹板均平行于所述钢质背板设置，相邻两层波纹板之间通过钢质隔板隔开，且所述波纹板的两端铰接连接位于所述波纹板两侧的钢质外板；所述钢质隔板与所述钢质背板平行布置，且所述钢质隔板的两端均与位于所述钢质隔板两侧的钢质外板焊接连接；
聚氨酯泡沫填充物填充在波纹板与钢质隔板之间的结构空隙。
进一步的，所述钢质外板在底板和侧壁板连接处均设置为圆角。
进一步的，所述复合材料涂层为玻璃纤维增强复合材料。
进一步的，所述波纹板与钢质隔板之间无固定连接。
进一步的，所述防撞护舷沿竖直或横向方向多排布置，相邻的防撞护舷的端部之间为接触或不接触。
进一步的，所述波纹板的两端通过铰接螺栓连接钢质外板，在波纹板受力变形时，所述波纹板的端部绕铰接螺栓旋转。
进一步的，相邻两层的波纹板其中一层波纹板的波峰顶部为另一层波纹板的波谷。
进一步的，所述波纹板设有三层，所述钢质隔板设有两层。
一种铁路桥梁被动防撞装置的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，通过船舶自动识别***获取的统计数据确定船舶计算参数，所述船舶计算参数包括船型分布、吨级分布、平均船速、不同超越概率航速和船舶撞击角度；
步骤2，采用瞬态冲击动力学分析软件模拟船舶撞击作用下的被动防撞装置、船舶和桥墩的动力响应，确定船舶撞击力的分布；
步骤3，根据船舶撞击力的分布，对桥墩-被动防撞装置-船舶***提出不同的性能需求；
步骤4，基于确定的性能目标，确定被动防撞装置钢制外板、钢制隔板和钢制背板的板厚、尺寸，以及波纹板的布置形式，通过反复调整和参数分析，达到不同超越概率船舶撞击力作用下被动防撞装置的性能要求，完成结构设计。
进一步的，步骤3中所述不同的性能需求为：在多遇船舶撞击力作用下，被动防撞装置保持弹性、连接不受损、结构整体性完好，船舶和桥墩均完好；在设计船舶撞击力作用下，被动防撞装置局部允许出现轻微损伤，不影响使用，损伤部位为某个单独模块，易于更换，船舶和桥墩均完好；在罕遇船舶撞击力作用下，被动防撞装置局部出现塑性变形，仍保持整体性，损伤部位可整体更换，船舶允许出现轻微可修复的损伤，桥墩仍保持弹性，墩顶位移在规范允许限值范围内，不影响桥上行车。
本发明的有益效果为：
本发明所述钢-波纹夹层复合材料护舷式柔性防撞装置通过将钢材与波纹夹层复合材料进行合理组合，由外包钢板直接承受意外的船撞作用，同时，船舶撞击力通过钢板传递给内部波纹板，其在水平方向上发生自由形变，把面外力转换成横向变形，能够更好的将力传递和分散，不仅使防撞装置具有稳定可控的抗力-位移光滑曲线和变形模式，而且能够使整个耗能构件有了稳定的破坏模式及高效的缓冲吸能能力。外表面的玻璃纤维增强复合材料涂层以及内部填充的聚氨酯泡沫也具有很好的缓冲吸能效果，因此该防撞装置能够防止船舶撞击力过多地传递给桥墩，有效避免桥墩吸能过多发生损伤甚至倒塌，同时通过玻璃纤维增强复合材料及聚氨酯泡沫等良好的缓冲吸能作用，减少撞击对船舶产生的反作用，保护船舶以及船乘人员的安全。
本发明同时考虑撞击过程中桥墩和船舶自身的响应，提出基于性能的桥梁-防撞装置-船舶协同设计理论和方法。采用该方法设计得到的防撞装置，充分考虑了不同超越概率船舶撞击力作用下的桥墩-防撞装置-船舶的协同抗撞性能，在充分发挥防撞装置工作性能同时，可有效保护桥墩和船舶免遭撞击而破坏，且通过模数化设计主动适应各种形式和尺寸的水中大型桥墩。本发明所述基于性能的桥墩-防撞装置-船舶***协同设计方法是目前在桥梁船撞学科领域尚未被提及的新方法，通过分级制定不同超越概率船撞力作用下的桥墩、防撞装置和船舶性能需求，实现对防撞装置的优化设计。
附图说明
图1为本发明所述铁路桥梁被动防撞装置的截面结构示意图；
图2为本发明所述钢质背板的结构示意图；
图3为本发明所述铁路桥梁被动防撞装置的侧立面结构示意图；
图4为本发明所述铁路桥梁被动防撞装置设计方法的流程示意图；
其中，1-钢制外板；2-复合材料涂层；3-钢制隔板；4-钢制背板；5-波纹板；6-聚氨酯泡沫填充物；7-螺栓孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明从兼具刚度和吸能减振的角度提出一种铁路桥梁被动防撞装置，为一种钢-波纹夹层复合材料护舷式柔性防撞装置，如图1～图3所示，包括舷体、复合材料涂层2、钢质隔板3、波纹板5和聚氨酯泡沫填充物6。
所述舷体由钢质外板1和钢质背板4组成。其中所述钢质外板1作为所述舷体的底板和侧壁板一体成型，且由薄壁钢板制造，为避免碰撞时连接角刺破或损伤船舶，所述钢质外板1在底板和侧壁板连接处均设置为圆角。所述钢质背板4作为所述舷体的顶板，所述顶板与所述侧壁板焊接连接将所述舷体形成封闭结构。所述钢质背板4通过螺栓结构与被防护桥墩连接，如图2所示，沿所述钢质背板4一周均匀的设有8个螺栓孔7，本实施例中，所述钢质背板4竖直固定在所述被防护桥墩上，如图3所示。
所述钢质外板1的外壁涂覆有复合材料涂层2，形成钢-复合材料组合结构，所述复合材料涂层2可选为玻璃纤维增强复合材料。玻璃纤维增强复合材料有较高的比强度，但在碰撞中容易出现基体分层开裂、纤维断裂等脆性不稳定失效模式，而钢材具有较高的塑性和稳定的变形模式，且具有较好的耐撞性，钢-复合材料组合结构可以发挥材料各自的力学优点，使得碰撞中的抵抗变形能力和比吸能都得到明显提高。因此，涂覆了玻璃纤维增强复合材料的钢质外板在碰撞初期就能吸收事故船舶的部分动能，有效降低防撞护舷的损坏程度以及船舶接触桥墩的概率。
所述钢质隔板3和波纹板5均设置在所述舷体内部。所述波纹板5设有若干层，本实施例中设置三层波纹板5，所述波纹板5的横截面呈波纹状，三层波纹板5均平行于所述钢质背板4设置即竖直布置，相邻两层波纹板5之间通过钢质隔板3隔开，所述钢质隔板3的设置层数通常比波纹板5层数少一层，本实施例中设置有两层钢质隔板3。所述钢质隔板3与所述钢质背板4平行布置，也竖直布置，且所述钢质隔板3的两端均与位于所述钢质隔板3两侧的钢质外板1焊接连接。所述波纹板5与前、后钢质隔板3之间不设固定连接，从而使波纹板在受到面外力时，能够产生更充分的横向形变，更多的消耗撞击能量。所述波纹板5的两端通过铰接螺栓铰接连接位于所述波纹板5两侧的钢质外板1，波纹板5在受力变形时，所述波纹板5的端部绕铰接螺栓旋转，使得在具备必要约束的前提下，能够尽可能的保证波纹板形变的自由，使波纹板的形变更加充分，更好地发挥出波纹结构突出的缓冲吸能作用。相邻两层的波纹板5其中一层波纹板5的波峰顶部为另一层波纹板5的波谷，如图1所示，采用这种对齐方式，各层波纹弯板之间可以形成良好的支撑效果，从而提高防撞装置整体结构的抗撞性能。通过设置多层波纹板5，相邻两层波纹板5之间通过钢质隔板3隔开，且钢质隔板和波纹板的两端均固定的方式，可在保证波纹板缓冲吸能作用的前提下，同时保证整个被动防撞装置的结构稳固性，且所述防撞装置外部受的撞击力经多层结构缓冲吸能，从而有效保护防撞装置内部的桥墩。
聚氨酯泡沫填充物6填充在波纹板5与钢质隔板3之间的结构空隙，使舷体内部形成致密的吸能结构，大量吸收撞击产生的能量；同时，聚氨酯泡沫填充物包覆在波纹板和钢质隔板的外部，能够很好的将集中力均匀地分散到波纹板上，使撞击点的受力相比传统的加筋板结构，应力分布更为均匀，从而减小局部结构的失效破坏，使整个耗能构件有了稳定的破坏模式及高效的吸能能力。
所述波纹板5的材质也为钢板。可见，所述舷体内部由波纹板5、钢质隔板3和聚氨酯泡沫填充物6组成了钢-波纹夹层复合材料结构。
所述防撞护舷沿竖直或横向方向多排布置，相邻的防撞护舷的端部之间为接触或不接触，起到更好的联合防撞吸能作用，保护桥梁、船舶及人员安全。
本发明所述防撞装置通过将钢板与柔性吸能的复合材料结合，充分发挥各自优势，保证整体装置具有足够的刚度和缓冲耗能的能力，所述钢-复合材料柔性防撞护舷以其大变形吸能、耐久性好的特点有效保护船舶。同时本发明充分考虑了防撞装置安装的便利性、后期运营维护的易更换性。
在确定铁路桥梁被动防撞装置的基本结构形式后，进一步通过基于性能的桥墩-防撞装置-船舶******协同设计方法实现对防撞装置结构的具体设计，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，在桥墩防撞装置的全生命周期服役过程中，可能会遭遇大小不同的船舶撞击力作用。通过船舶自动识别***(AIS,Automatic Identification System)获取的统计数据确定船舶计算参数，所述船舶计算参数包括船型分布、吨级分布、平均船速、不同超越概率航速(主要为95％超越概率航速)和船舶撞击角度。
步骤2，采用瞬态冲击动力学分析软件(如ANSYS LS-DYNA等)模拟船舶撞击作用下的被动防撞装置、船舶和桥墩的动力响应，所述动力响应主要包括力和位移，从而确定船舶撞击力的分布。
步骤3，根据船舶撞击力的分布，对桥墩-被动防撞装置-船舶***提出不同的性能需求：在多遇船舶撞击力作用下(60％超越概率)，被动防撞装置须保持弹性、连接不受损、结构整体性完好，船舶和桥墩均完好；在设计船舶撞击力作用下(95％超越概率)，被动防撞装置局部可出现轻微损伤，不影响使用，损伤部位为某个单独模块，易于更换，船舶和桥墩均完好；在罕遇船舶撞击力作用下(99％超越概率)，被动防撞装置局部出现塑性变形，仍保持整体性，损伤部位可整体更换，船舶允许出现轻微可修复的损伤，桥墩仍保持弹性，墩顶位移在规范允许限值范围内，不影响桥上行车。由于铁路桥梁特别是高速铁路桥梁对桥上行车要求很高，不允许出现船舶撞击后出现桥墩偏位等影响桥上行车安全的问题出现。
步骤4，基于确定的性能目标，确定被动防撞装置钢制外板、钢制隔板和钢制背板的板厚、尺寸，以及波纹板的布置形式，通过反复调整和参数分析，达到不同超越概率船舶撞击力作用下被动防撞装置的性能要求，完成结构设计。
以上在不同超越概率船舶撞击力作用下，针对桥墩-防撞装置-船舶***提出的各自性能要求，即为基于性能的防撞装置设计方法。本发明在考虑不同超越概率船舶撞击力作用时，通过不同的性能目标对防撞装置进行多水准设计，从而实现对桥墩、船舶和防撞装置的基于性能的设计。所提出的基于性能的桥墩-防撞装置-船舶***协同设计方法同样也可适用于其他类型被动防撞装置的设计。所述的基于性能的桥墩-防撞装置-船舶***协同设计方法代表了未来桥梁防撞装置设计的新方向，通过明确不同船撞力水准下的桥墩-防撞装置-船舶***的性能需求，开展精细化的基于性能设计，实现在不同船撞力作用下对防撞装置性能的精准调控，同时保证桥墩和船舶自身的结构安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种铁路桥梁被动防撞装置，为一种钢-波纹夹层复合材料护舷式柔性防撞装置，其特征在于，包括舷体、复合材料涂层(2)、钢质隔板(3)、波纹板(5)和聚氨酯泡沫填充物(6)；
所述舷体由钢质外板(1)和钢质背板(4)组成，其中所述钢质外板(1)作为所述舷体的底板和侧壁板一体成型，所述钢质背板(4)作为所述舷体的顶板，所述顶板与所述侧壁板焊接连接将所述舷体形成封闭结构；所述钢质背板(4)通过螺栓结构与被防护桥墩连接；所述钢质外板(1)的外壁涂覆有所述复合材料涂层(2)；
所述钢质隔板(3)和波纹板(5)均设置在所述舷体内部；所述波纹板(5)设有若干层，其横截面呈波纹状，所述若干层波纹板(5)均平行于所述钢质背板(4)设置，相邻两层波纹板(5)之间通过钢质隔板(3)隔开，且所述波纹板(5)的两端铰接连接位于所述波纹板(5)两侧的钢质外板(1)；所述钢质隔板(3)与所述钢质背板(4)平行布置，且所述钢质隔板(3)的两端均与位于所述钢质隔板(3)两侧的钢质外板(1)焊接连接；
聚氨酯泡沫填充物(6)填充在波纹板(5)与钢质隔板(3)之间的结构空隙。
2.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述钢质外板(1)在底板和侧壁板连接处均设置为圆角。
3.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述复合材料涂层(2)为玻璃纤维增强复合材料。
4.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述波纹板(5)与钢质隔板(3)之间无固定连接。
5.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述防撞护舷沿竖直或横向方向多排布置，相邻的防撞护舷的端部之间为接触或不接触。
6.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述波纹板(5)的两端通过铰接螺栓连接钢质外板(1)，在波纹板(5)受力变形时，所述波纹板(5)的端部绕铰接螺栓旋转。
7.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，相邻两层的波纹板(5)其中一层波纹板(5)的波峰顶部为另一层波纹板(5)的波谷。
8.根据权利要求1所述的铁路桥梁被动防撞装置，其特征在于，所述波纹板(5)设有三层，所述钢质隔板(3)设有两层。
9.一种铁路桥梁被动防撞装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过船舶自动识别***获取的统计数据确定船舶计算参数，所述船舶计算参数包括船型分布、吨级分布、平均船速、不同超越概率航速和船舶撞击角度；
步骤2，采用瞬态冲击动力学分析软件模拟船舶撞击作用下的被动防撞装置、船舶和桥墩的动力响应，确定船舶撞击力的分布；
步骤3，根据船舶撞击力的分布，对桥墩-被动防撞装置-船舶***提出不同的性能需求；
步骤4，基于确定的性能目标，确定被动防撞装置钢制外板、钢制隔板和钢制背板的板厚、尺寸，以及波纹板的布置形式，通过反复调整和参数分析，达到不同超越概率船舶撞击力作用下被动防撞装置的性能要求，完成结构设计。
10.根据权利要求9所述的铁路桥梁被动防撞装置的设计方法，其特征在于，步骤3中所述不同的性能需求为：在多遇船舶撞击力作用下，被动防撞装置保持弹性、连接不受损、结构整体性完好，船舶和桥墩均完好；在设计船舶撞击力作用下，被动防撞装置局部允许出现轻微损伤，不影响使用，损伤部位为某个单独模块，易于更换，船舶和桥墩均完好；在罕遇船舶撞击力作用下，被动防撞装置局部出现塑性变形，仍保持整体性，损伤部位可整体更换，船舶允许出现轻微可修复的损伤，桥墩仍保持弹性，墩顶位移在规范允许限值范围内，不影响桥上行车。
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