一种保护水中桥墩被撞的装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及桥墩保护领域，具体涉及一种保护水中桥墩被撞的装置及其制作方法。

背景技术

随着科学技术及社会经济的发展，大中小型桥梁正大规模的建设，其中不乏有很多跨越河流的桥梁，在这些桥梁当中，部分桥梁存在通航要求，作为通航孔边界的构筑物——桥墩起着重要的作用，一方面桥墩作为支撑桥梁上部结构的构造物需承受着上部结构的作用力，另一方面考虑到通航船只的防撞要求，为确保结构稳定，桥墩应能够承受船只的撞击力。

船只撞击水中桥墩不仅容易造成船只损毁的事故，而且在一定程度上对桥墩造成结构性的受损，影响桥墩的耐久性及承载力，若桥墩损毁程度较大时，还会引起上部结构的安全性，因此水中桥墩的防护是非常有必要的。

目前，对于水中桥墩的防护，一般较为常见的处理方法是桥墩上设置防撞护弦及相关消能设施，但由于防撞装置被船只撞毁坏后，通常都只能更换，不能重复使用，且相关设施结构不够稳固，整体刚度也不够，在承受较大撞击力时容易损坏，使得较大的冲击力还是由桥墩承受，导致防撞效果达不到预期效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种保护水中桥墩被撞的装置及其制作方法，利用UHPC作为防撞骨架，以非牛顿流体阻尼效应的性质，既实现了非牛顿流体的防撞装置的防撞性能，又可有效缓冲船只的冲击力，且当船只移离后，相关装置恢复原状，可多次重复使用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种保护水中桥墩被撞的装置，包括环形防撞体、用于固定环形防撞体的钢绞线以及多个带滑轮的阻尼器；所述环形防撞体包括环形UHPC防撞骨架和气囊，UHPC防撞骨架的上部固定设置有高性能防腐防水材料囊体，该囊体内注入非牛顿流体填充物，该囊体从UHPC防撞骨架的上部向下延伸以覆盖UHPC防撞骨架的侧面，可以实现环形UHPC防撞骨架和高性能防腐防水材料囊体共同上下浮动；

所述UHPC防撞骨架为多段拼装的环形中空封闭结构；所述气囊设置于中空的UHPC防撞骨架内；UHPC防撞骨架是由超高性能混凝土材料制造，骨架根据需保护桥墩的外型分段预制，最终拼装成环形结构，每段骨架的竖向高度根据通航航道等级、水下深度综合考虑，相关长度必须满足船只能正常撞击到骨架及满足骨架随潮汐能上下自由浮动的要求。骨架采用囊内中空结构，骨架根据自重、需要承受外部重力、浮力及撞击力综合考虑囊内空间及骨架壁厚。

所述高性能防腐防水材料囊体上、下端口分别设置流体入口阀、流体出口阀，非牛顿流体从上部流体入口阀流入，当需要更换非牛顿流体物质时，从高性能防腐防水材料囊体下部流体出口阀排走所述流体；高性能防腐防水材料囊体迎撞侧设置橡胶条；

UHPC防撞骨架外侧设有预留钢丝孔洞，钢绞线穿过多段UHPC防撞骨架的预留钢丝孔洞，待多段UHPC防撞骨架拼装好，张拉钢绞线，使之形成一个整体。

进一步的，环形UHPC防撞骨架内侧设置多个带滑轮的阻尼器，水中桥墩外围固定设置有带凹槽的钢板或带导轨的钢板，阻尼器一端的滑轮嵌入凹槽内或滑轮在导轨上下自由移动，阻尼器的另一端与UHPC防撞骨架连接。

进一步的，阻尼器的另一端安装在UHPC防撞骨架内侧，UHPC防撞骨架内部预埋螺纹套筒，阻尼器的另一端连接到螺纹套筒中，当有外力撞击到UHPC防撞骨架上时，各个阻尼器共同作用，抵消部分撞击力；阻尼器与桥墩接触部分设有滑轮，目的是让UHPC防撞骨架随着潮汐涨退，UHPC防撞骨架跟随水位上下浮动的过程中，减少摩擦阻力。

进一步的，每段UHPC防撞骨架的两端均设有凹凸剪力键，使得多段UHPC防撞骨架在拼接时能够顺利对位。

进一步的，高性能防腐防水材料囊体内填充非牛顿流体物质，非牛顿流体物质填充量达到85％，待非牛顿流体物质填充85％时停止填充，通过真空泵对高性能防腐防水材料囊体抽真空后关闭流体入口阀门。

进一步的，待多段UHPC防撞骨架拼装好之后，对气囊进行充气并关闭气囊的气阀。

进一步的，非牛顿流体可以是聚已烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、PVS、尼龙6、赛璐珞、橡胶溶液、涤纶、泥浆、陶瓷浆、水煤浆、纸浆、油墨、油漆、牙膏或蚕丝再生溶液。

进一步的，UHPC骨架的竖向高度根据通航航道等级、水下深度综合考虑，竖向高度应满足船只撞击到UHPC骨架及满足UHPC骨架随潮汐能上下自由浮动的要求，UHPC骨架内部结构每隔一定长度采用加劲肋形式进行加强。

本发明还提供一种制作上面所述的保护水中桥墩的装置的方法，包括如下步骤：

步骤一，根据水中桥墩外形，采用UHPC材料预制UHPC防撞骨架，UHPC防撞骨架根据施工方便进行分节段工厂预制，UHPC防撞骨架上、下均留有开口孔，所述开口孔的设置便于气囊能够顺利塞入UHPC防撞骨架内部的中空结构，以及便于UHPC防撞骨架能够在水中随着水位的变化而上下浮动，在UHPC防撞骨架的外侧预留钢丝孔洞，UHPC防撞骨架的节段的两端均设置有凹凸剪力键，弯曲的UHPC防撞骨架节段设置为外八字的契型形状；

UHPC防撞骨架的节段与节段之间通过凹凸剪力键对齐拼接，UHPC防撞骨架在工厂内预制并预拼装；

步骤二，利用船只将UHPC防撞骨架和水上平台运输到要保护的桥墩附近，在桥墩的侧面上安装带凹槽的钢板或带导轨的钢板；

步骤三，在UHPC防撞骨架的内侧安装多个带滑轮的阻尼器，然后将多个节段的UHPC防撞骨架环绕桥墩的外侧，通过凹凸剪力键对齐拼接，同时将钢绞线穿过多段UHPC防撞骨架的预留钢丝孔洞，待多段UHPC防撞骨架拼装好之后，张拉钢绞线，使多段UHPC防撞骨架形成一个整体；

步骤四，把气囊伸入UHPC防撞骨架内部的中空结构并充气，充气的气量根据最终骨架需沉入水中的高度进行计算确定；

步骤五，在UHPC防撞骨架上部固定安装高性能防腐防水材料囊体，该囊体从UHPC防撞骨架的上部向下延伸以覆盖UHPC防撞骨架的侧面，并向囊体中填充非牛顿流体，实现环形UHPC防撞骨架和高性能防腐防水材料囊体共同上下浮动；

步骤六，撤走水上平台，保护水中桥墩被撞的装置下沉并悬浮在水中，用于保护桥墩。

本发明的有益技术效果：

1、本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置，设置有高性能防腐防水材料囊体和气囊，囊体和气囊带动整个保护水中桥墩被撞的装置可以根据潮汐自由调节高度，适应船只撞击位置，节约资源及造价。

2、本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置，通过橡胶条，高性能防腐防水材料囊体中非牛顿流体、UHPC防撞骨架、UHPC防撞骨架内部的气囊以及与UHPC防撞骨架相连的带滑轮阻尼器等5重缓冲作用，能够较好的缓冲船舶对水中桥墩的撞击力作用，能够较好的保护水中桥墩。

3、本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置由于具有5重缓冲作用，使得船舶撞击桥墩后，对本装置的破坏较少，使得本装置能重复利用，大幅减少了该装置的维护成本。

附图说明

图1为本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置平面图；

图2为本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置A-A截面示意图；

图3为本发明所述的UHPC防撞骨架凹凸剪力键示意图；

图4为本发明所述的带混轮阻尼器示意图；

图5为本发明所述的一种保护水中桥墩被撞的装置在潮汐作用下上下浮动的示意图。

附图标记：

1、气囊，2、橡胶条，3、UHPC防撞骨架，4、高性能防腐防水材料囊体，5、带滑轮阻尼器，6、节段分缝，7、预留钢丝孔洞，8、水中桥墩，9、凸键，10、凹键，11、钢绞线，12-带凹槽钢板，13、滑轮，14、螺纹套筒，15、可伸缩的阻尼器。

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1-5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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种保护水中桥墩被撞的装置，包括环形防撞体、用于固定环形防撞体的钢绞线11以及多个带滑轮的阻尼器5；所述环形防撞体包括环形UHPC防撞骨架3和气囊1，UHPC防撞骨架3的上部固定设置有高性能防腐防水材料囊体4，该囊体4内注入非牛顿流体填充物，该囊体4从UHPC防撞骨架3的上部向下延伸以覆盖UHPC防撞骨架3的外侧面，可以实现环形UHPC防撞骨架3和高性能防腐防水材料囊体4共同上下浮动；

所述UHPC防撞骨架3为多节段拼装的环形中空封闭结构；所述气囊1设置于中空的UHPC防撞骨架3内；UHPC防撞骨架3是由超高性能混凝土材料制造，内部分布有钢纤维或复合有机纤维，结构可以做到较薄，抗压强度达到120-180MPa，其力学性能接近钢结构。

UHPC防撞骨架3根据需要保护的水中桥墩8的外型分段预制，最终拼装成环形结构，每段UHPC防撞骨架3的竖向高度根据通航航道等级、水下深度综合考虑，相关高度必须满足船只能正常撞击到骨架及满足骨架随潮汐能上下自由浮动的要求。UHPC防撞骨架3采用中空结构，UHPC防撞骨架3根据自重、需要承受外部重力、浮力及撞击力综合考虑骨架3内部空间及骨架壁厚。

所述高性能防腐防水材料囊体4上、下端口分别设置流体入口阀、流体出口阀，非牛顿流体从上部流体入口阀流入，当需要更换非牛顿流体物质时，从高性能防腐防水材料囊体下部流体出口阀排走所述流体；高性能防腐防水材料囊体迎撞侧设置橡胶条2；

UHPC防撞骨架3外侧设有预留钢丝孔洞7，钢绞线11穿过多段UHPC防撞骨架3的预留钢丝孔洞7，待多段UHPC防撞骨架拼装好，张拉钢绞线11，使之形成一个整体。

进一步的，环形UHPC防撞骨架3内侧设置多个带滑轮的阻尼器5，水中桥墩8外围固定设置有带凹槽的钢板12或带导轨的钢板12，阻尼器5一端的滑轮13嵌入凹槽内或滑轮在导轨上下自由移动，阻尼器5的另一端与UHPC防撞骨架3连接。

进一步的，阻尼器5的另一端安装在UHPC防撞骨架3内侧，UHPC防撞骨架3内部预埋螺纹套筒14，阻尼器5的另一端连接到螺纹套筒14中，当有外力撞击到UHPC防撞骨架3上时，各个阻尼器5共同作用，抵消部分撞击力；阻尼器5与桥墩接触部分设有滑轮13，目的是让UHPC防撞骨架3随着潮汐涨退时，UHPC防撞骨架3跟随水位上下浮动的过程中，减少摩擦阻力。

进一步的，每节段UHPC防撞骨架3的两端均设有凹凸剪力键，使得多节段UHPC防撞骨架3在拼接时能够顺利对位。

进一步的，高性能防腐防水材料囊体4内填充非牛顿流体物质，非牛顿流体物质填充量达到85％，待非牛顿流体物质填充85％时停止填充，通过真空泵对高性能防腐防水材料囊体4抽真空后关闭流体入口阀门。

进一步的，待多段UHPC防撞骨架3拼装好之后，对气囊1进行充气，待充足气后关闭气囊的气阀。

进一步的，非牛顿流体可以是聚已烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰胺、PVS、尼龙6、赛璐珞、橡胶溶液、涤纶、泥浆、陶瓷浆、水煤浆、纸浆、油墨、油漆、牙膏或蚕丝再生溶液。

进一步的，UHPC骨架3的竖向高度根据通航航道等级、水下深度综合考虑，竖向高度应满足船只撞击到UHPC骨架及满足UHPC骨架随潮汐能上下自由浮动的要求，UHPC骨架内部结构每隔一定长度采用加劲肋形式进行加强。

本发明还提供一种制作上面所述的保护水中桥墩的装置的方法，包括如下步骤：

步骤一，根据水中桥墩8外形，采用UHPC材料预制UHPC防撞骨架3，UHPC防撞骨架3根据施工方便进行分节段工厂预制，UHPC防撞骨架3上、下均留有开口孔，所述开口孔的设置便于气囊能够顺利塞入UHPC防撞骨架内部的中空结构，以及便于UHPC防撞骨架3能够在水中随着水位的变化而上下浮动，在UHPC防撞骨架的外侧预留钢丝孔洞7，UHPC防撞骨架3的节段的两端均设置有凹凸剪力键，弯曲的UHPC防撞骨架3节段设置为外八字的契型形状；

UHPC防撞骨架3的节段与节段之间通过凹凸剪力键对齐拼接，UHPC防撞骨架在工厂内预制并预拼装；

步骤二，利用船只将UHPC防撞骨架3和水上平台运输到要保护的桥墩8附近，将水上平台环绕在要保护的桥墩8周围，利用水上平台在桥墩的侧面上安装带凹槽的钢板12或带导轨的钢板12；

步骤三，通过水上平台，在UHPC防撞骨架3的内侧安装多个带滑轮的阻尼器5，然后将多个节段的UHPC防撞骨架3环绕桥墩8的外侧，通过凹凸剪力键对齐拼接，同时将钢绞线11穿过多段UHPC防撞骨架3的预留钢丝孔洞7，待多段UHPC防撞骨架3拼装好之后，张拉钢绞线11，使多段UHPC防撞骨架3形成一个整体；

步骤四，把气囊1伸入UHPC防撞骨架3内部的中空结构并充气，充气的气量根据最终骨架3需沉入水中的高度进行计算确定；

步骤五，在UHPC防撞骨架3上部固定安装高性能防腐防水材料囊体4，该囊体4从UHPC防撞骨架3的上部向下延伸以覆盖UHPC防撞骨架的外侧面，并向囊体中填充非牛顿流体，实现环形UHPC防撞骨架和高性能防腐防水材料囊体共同上下浮动；

步骤六，撤走水上平台，保护水中桥墩8被撞的装置下沉并悬浮在水中，用于保护桥墩。

本发明的工作原理如下：

当船只撞向水中桥墩8的防撞装置时，若撞击力较小，高性能防腐防水材料囊体4外的橡胶条2进行吸能，使骨架3与桥墩8形成整体，对桥墩8影响较小；若撞击力较大时，首先是高性能防腐防水材料囊体4外的橡胶条2吸收部分撞击能量，当橡胶条2变形完成后，利用非牛顿流体阻尼效应，当瞬间猛烈撞击时，由于非牛顿流体填充物的粘滞性瞬时增加特性，非牛顿流体填充物会瞬时变硬化状态，形成如钢板一样的刚度结构，且非牛顿流体与骨架3结构联合在一起，相关瞬间刚度更大，对于抵抗外撞击力有较好的保护能力；且骨架内部有多个阻尼器5，对撞击冲量的时间大大延迟，使得对桥墩8的冲击力大大减少，同时也有效缓冲船自身的撞击力，对船只也有较好的保护。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例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。