超弹性气囊桥墩防护装置

技术领域

本发明涉及一种结构工程防护技术领域，特别是桥梁桥墩的防撞击缓冲装置。

背景技术

随着市场经济的发展，公路铁路交通四通八达，在山区、峡谷中由于伴随各种各样的地质灾害，在这些地区桥梁墩台防护一直没有受到重视，以致于桥梁抵抗不良地质灾害的能力远远不足，对桥梁的安全带来了严峻的考验；在当今城市建设过程中的市政路网日渐密集，各种市政高架立交桥梁错综复杂，且随着交通量的大幅增长，车辆撞击桥墩的风险大大增加。在严重的桥墩撞击事故中，除了人员伤亡和巨大的直接经济损失外，由于交通线被阻断所带来的间接经济损失和社会影响更是难以估量的。

目前，针对各种存在撞击风险的桥墩部位大都没有进行特别的防护设计，仅有个别桥墩根据需要设置了简单的防护措施。这些简易的措施虽然能够在一定程度上减缓撞击物与桥墩的撞击损害，但因缺乏系统的研究因而存在诸多缺点和不足，不能满足市场需求。

文献一公开了“一种公路桥梁防撞装置”(CN201922124869.8)：防撞击立柱安装在架高垫板上，该立柱顶端有顶盖，立柱两侧安装有固定套，该立柱内部有钢筋和钢圈，立柱内侧壁安装有橡胶层，立柱之间安装有防撞击挡板。

文献二公开有“一种桥墩防撞单元、防撞护圈以及防撞装置”(CN201720110311.2)：防撞单元由橡胶成型的L型防撞主体，该主体内侧开有凹槽、外侧面有与凹槽嵌合的凸块A。

文献三公开有“缓冲吸能型防撞块”(CN201420485532.4)：由聚氨酯壳体内填充若干平板状聚苯乙烯泡沫块组成，相邻两个泡沫块之间填充聚氨酯填料。当发生碰撞时，聚氨酯壳体发生变形，内部的聚苯乙烯泡沫材料受到挤压而变形，变形过程中吸收碰撞势能，减少船舶与桥梁碰撞的伤害。

文献一属于刚性防撞装置，仅适用于低能量撞击场合，且安装维护成本高。文献二属于柔性防撞装置，该装置采用橡胶凸块嵌合在L型橡胶主体上构成，其吸能缓冲作用仅通过橡胶有限的形变来达成，因此，面对高能量的撞击时，大部分能量仍由桥墩承受，桥墩仍然受到较大撞击力，该类型的防护不能有效的减小桥墩受到的撞击力，从而不能对桥墩起到应有的防护。

文献三属于柔性防撞体，它存在以下不足之处，其一，在结构上有待进一步改进；其二，缓冲吸能作用有待进一步提高；其三，制作成本有待降低。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单、每个防撞单元中六个面具有完全相同的应力应变性能，吸能缓冲性更强的超弹性气囊桥墩防护装置。

本发明的目的是这样实现的：一种超弹性气囊桥墩防护装置，由若干个防撞单元堆砌组成，每个防撞单元结构为：正方体的外壳内腔由两个水平隔板和两个竖向隔板分隔为27个相同的密闭空腔，且27个密闭空腔内均填充有聚氨酯弹性发泡材料，上述外壳和两个水平隔板以及两个竖向隔板的材质为聚氨酯或者玻纤增强聚氨酯材料。

所述玻纤增强聚氨酯材料的邵氏硬度为85～96度；所述聚氨酯弹性发泡材料的密度为0.10～0.3克/cm

所述外壳的长×宽×高分别为1000mm×1000mm×1000mm，外壳的厚度为50mm，两个水平隔板和两个竖向隔板的厚度均为30mm。玻纤增强聚氨酯材料的邵氏硬度为96度；所述聚氨酯弹性发泡材料的密度为0.12克/cm

所述外壳和两个水平滑板以及两个竖向隔板由一体化制作或者为粘接固定为一体。

所述玻纤增强聚氨酯材料中聚氨酯与玻璃纤维的质量比3:1。

通过调整所述玻纤增强聚氨酯材料的硬度以及聚氨酯弹性发泡材料的密度，以制成不同能量等级的防撞单元。

所述玻纤增强聚氨酯材料由玻璃纤维或玻璃纤维布与聚氨酯相复合而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)结构简单、制作成本低、现场组装方便。

正方体的外壳内由水平隔板和竖向隔板分隔成3×3×3相同大小的密闭空间，每个密闭空间内填充聚氨酯发泡材料。

2)每个防撞单元的六个面对来自前后左右上下等六个方向的冲击力具有完全相同的应力应变性能，即在受到相同冲击力情况下，每个防撞单元的六个方向上的应变都是完全相同的。而文献三中，参见文献三图1，图2，其防撞块对来自左右方向的冲击与对来自上下方向的冲击所表现出的吸能缓冲作用大不相同。即该防撞块对来自左右方向的冲击与来自前后方向同样大小的冲击力，所表现出的应变是不相同的。

3)能制作成不同能量等级的系统防撞单元，满足不同场合的应用要求。通过调整外壳及两个水平隔板以及两个竖向隔板的材料硬度，调整填充的聚氨酯泡沫材料的密度，可方便地制成不同能量等级的防撞单元。

4)采用具有不同能量等级以及不同尺寸大小的本防撞单元可以根据防护现场实际情况，堆砌各种形状的防护体作为防撞装置。

5)经实验测试，本防撞单元抗冲击力强，在碰撞撞击下，具有良好的减力效果，且反力时程曲线平稳稳定。

附图说明

图1为本防撞单元即聚氨酯气囊外形图。

图2、图3分别为图1沿A-A线和B-B线的剖面图(单位：mm)。

图4为聚氨酯纯材料拉伸应力应变图。

图5为玻纤增强聚氨酯材料的拉伸应力应变图。

图6为防撞单元冲击试验过程图(照片)。

图7为防撞单元块内部缓冲材料冲击试验过程图。

图8为防撞单元冲击时程曲线图。

具体实施方式

图1、图2、图3示出，一种超弹性气囊桥墩防护装置，由若干个防撞单元堆砌组成，每个防撞单元结构为：正方体的外壳1a内腔由两个水平隔板1b和两个竖向隔板1c分隔为27个相同的密闭空腔，且27个密闭空腔内均填充有聚氨酯弹性发泡材料，上述外壳1a和两个水平隔板1b以及两个竖向隔板1c的材质为聚氨酯或者玻纤增强聚氨酯材料。(玻璃纤维增强聚氨酯：ISSN：1005-6262年：2009卷：000期：002页码43-46，生产厂家：东莞市立根化学贸易公司，德国巴斯夫公司，东莞市融泰得新材料有限公司，江苏源盛复合材料技术公司，大东树脂化学股份有限公司)

玻纤增强聚氨酯材料的邵氏硬度为85～96度；所述聚氨酯弹性发泡材料的密度为0.10～0.3克/cm

实施例1：外壳1a的长×宽×高分别为1000mm×1000mm×1000mm，外壳的厚度为50mm，两个水平隔板1b和两个竖向隔板1c的厚度均为30mm。玻纤增强聚氨酯材料的邵氏硬度为96度；所述聚氨酯弹性发泡材料的密度为0.12克/cm

外壳1a和两个水平滑板1b以及两个竖向隔板1c由一体化制作或者为粘接固定为一体。

玻纤增强聚氨酯材料中聚氨酯与玻璃纤维的质量比3:1。

通过调整所述玻纤增强聚氨酯材料的硬度以及聚氨酯弹性发泡材料的密度，以制成不同能量等级的防撞单元。

玻纤增强聚氨酯材料由玻璃纤维或玻璃纤维布与聚氨酯相复合而成。

通过调节聚氨酯硬度、玻璃纤维布复合层数，或者调节玻纤增强聚氨酯的硬度以及填充聚氨酯发泡材料密度来改变防护装置的刚度，从而适应不同能量等级防护需求。

本发明将聚氨酯与玻璃纤维进行复合，其复合质量比按照3:1方式，通过该方式制备出的结构，具有撕裂强度高，拉伸变形适中等性能；本防护装置结构由图1所示，防护装置外形可由桥墩实际尺寸进行调节；其尺寸大小需根据防护等级要求，并经有限元碰撞分析与实际冲击试验设定。

聚氨酯纯材料的应力应变见图4所示(最大应变为4，对应应力4.0MPa)；将聚氨酯纯材料与玻璃纤维按照质量比3:1进行复合后，其应力应变见图5所示(最大应变为3.5，对应应力24MPa)。复合后的材料拉伸应力相比未复合应力提高6倍。

采用超弹性材料包裹填充材料的结构进行冲击试验，试验结构表明：1、结构整体未出现裂纹；2、冲击过后，防护装置可恢复至原始状态；冲击过程见图6所示。

模拟桥墩刚性碰撞，20kJ碰撞反力为1800kN,其反力时程曲线见图7所示；对防护装置进行500kJ能量碰撞，其防护反力为1516kN，其反力时程曲线见图8所示。在未防护情况下，考虑安全与可靠性因素，刚性冲击试验最大模拟能量为20kJ。从实验数据上分析可得：能量等级提高25倍后，防护下的反力仍低于低能量下的刚性碰撞反力，说明气囊防护装置由良好的减力效果，且反力时程曲线平稳稳定。