專利名稱：一種柔性耗能防撞裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可減小運動物體對固定建筑物撞擊時的破壞的一種防撞裝置，具
體是指一種特別適合對橋墩進行防護的柔性耗能防撞裝置。
背景技術(shù)：
固定建筑物遭到撞擊是十分常見的現(xiàn)象，例如河流或跨海大橋的橋墩常被船舶撞 擊，如長江上的一座大橋建成后就遭到七十多次的撞擊。此類橋墩被撞擊后的后果是十分 嚴重的， 一是船舶嚴重被損，甚至出現(xiàn)生命危險，二是橋墩被撞后，輕則留有重大隱患且很 難修復(fù)，嚴重的會出現(xiàn)橋墩倒塌，因此對橋墩進行防撞是必不可少的。目前使用的防撞方式 一是間接方式，如人工島方式，其是用擱淺方法將船舶阻于橋墩外一定距離，如果該人工島 離航道中線較遠，則橋、船雙方都能接受，但在水較深時，人工島的成本很大，而且堵塞天然 航道，影響環(huán)境，故實際上只用于淺水或有天然島礁的場合；沉箱和圍堰亦是常用的方式； 還有就是外加樁墩方式，其是在橋墩前方設(shè)置樁墩，常見于通航船舶較小和水較淺的場合， 如果碰撞的船較大，不但樁墩建設(shè)費用很大，而且仍然很難完全避免對橋墩的撞擊；還有一 種是浮體繩纜方式，其是在橋墩周邊設(shè)置繩纜以攔擋船舶，其對較大較快的船只效果不佳， 往往攔擋不住船只的運動，甚至還會出現(xiàn)走錨或斷纜，且設(shè)置浮體繩纜方式需看具體條件。 防撞方式二是直接方式，其主要是碰撞壓壞變形而吸收船舶的動能，如木材護舷、橡膠護 舷、可壓壞式浮箱或浮動的可壓壞式耗能裝置等。上述的間接方式或直接方式均各有優(yōu)缺 點和特定的適應(yīng)條件，且橋墩、防撞裝置和運動船舶三者很難做到碰撞后均不損壞或僅有 輕微損傷，因此如何設(shè)計使橋墩、防撞裝置和船舶在大型船舶撞擊時或撞擊能量較大時，三 者均不損壞或僅有輕微損傷的防撞裝置是十分必要的，也是需急待解決的問題。目前國內(nèi) 已有上述的研究，例如CN2848937Y和CN2806559Y的中國實用新型專利就公開了一種耗能 防護裝置，其較之前述的間接方式或直接方式已有明顯的改進，但仍有待完善的環(huán)節(jié)，以進 一步提高防撞效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是公開一種對橋墩和運動船舶均有保護作用的柔性耗能防撞 裝置，且該裝置受撞擊時不易毀壞、易修復(fù)。 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下包括外層鋼圍1和內(nèi)層鋼圍2，特別是內(nèi)外層鋼 圍(2、1)之間設(shè)有一層或多層排列的柔性復(fù)合耗能防撞圈4，外層鋼圍1有一迎撞角3，迎 撞角3的角度范圍為25°角至170°角之間，外層鋼圍1設(shè)有減小外層鋼圍1垂直位移的 定位裝置。 所述的外層鋼圍1的屈服極限大于柔性復(fù)合耗能防撞圈4的屈服極限。 所述的迎撞角3的角度范圍優(yōu)選為50。 90°之間，迎撞角3的尖端處為一圓弧過渡。 所述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4的結(jié)構(gòu)是其斷面的中間部分為多股鋼絲緊密繞成的鋼絲繩圈，鋼絲繩結(jié)構(gòu)為線接觸型的平行捻，在柔性復(fù)合耗能防撞圈4的斷面的周邊部 分包裹有橡膠，其目的是柔性復(fù)合耗能防撞圈4的柔性和保護鋼絲繩免受環(huán)境的腐蝕，柔 性復(fù)合耗能防撞圈4的斷面可為圓形、或為橢圓形、或為多邊形、或為梯形，柔性復(fù)合耗能 防撞鋼圈4與內(nèi)外層鋼圍(2、1)固定連接。 所述的外層鋼圍1為一具有一定厚度的鋼板，或外層鋼圍1的結(jié)構(gòu)是有一型鋼制 作的增加強度的框架，框架外表面為鋼板。 所述的內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間的環(huán)狀間隔基本是等距設(shè)置，或上述的環(huán)狀間隔為 不等距設(shè)置。 所述的外層鋼圍1的鋼板內(nèi)側(cè)還設(shè)有橫縱方向設(shè)置的加強筋，以加強外層鋼圍1 的強度。 所述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4在內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間的分布為至少一層設(shè)置， 且在垂直方向為至少一環(huán)繞設(shè)置，在一環(huán)繞內(nèi)柔性復(fù)合耗能防撞圈可以是等距或是不等距 設(shè)置，為了增加裝置的穩(wěn)定性，在受到撞擊時柔性復(fù)合耗能防撞圈4不會失穩(wěn)，通常該裝置 由多個柔性復(fù)合耗能防撞圈4構(gòu)成至少兩個環(huán)繞設(shè)置成的環(huán)型結(jié)構(gòu)，并且通常采用相鄰的 柔性復(fù)合耗能防撞圈4的面相互垂直的裝設(shè)方法，即防撞圈為水平和豎直交替裝設(shè)。
所述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4在內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間可以是二層或三層設(shè)置， 層與層之間的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈4有連接件5。 所述的定位裝置是指外層鋼圍1上端設(shè)有多根鋼索6，鋼索6—端與橋墩連接或與 內(nèi)層鋼圍2的上部延伸端7連接；或在外層鋼圍1的全部或上部或下部還可設(shè)有浮箱或封 閉成浮箱。使得外層鋼圍l處于懸掛或懸浮狀態(tài)。 本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新的實質(zhì)是外層鋼圍1相對于與橋墩9固定連接的內(nèi)層鋼圍2為 一具有多維可運動位移的柔性懸掛裝置，內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間設(shè)置的多個排列的柔性復(fù) 合耗能防撞圈4還對外層鋼圍1起水平方向上的定位作用，當運動的船舶撞擊外層鋼圍1 后，外層鋼圍1的剛度足夠強而柔性復(fù)合耗能防撞圈4的剛度相對弱，保證外層鋼圍1按 受力方向整體運動位移，從而帶動所有的柔性復(fù)合耗能防撞圈4幾乎同時運動和變形，靠 近撞擊點附近的柔性復(fù)合耗能防撞圈4受到壓力而變形，且相對面的柔性復(fù)合耗能防撞圈 4受到拉力變形，柔性復(fù)合耗能防撞圈4因受力變形而消耗撞擊能量；上述柔性復(fù)合耗能防 撞圈4為特殊設(shè)計，柔性復(fù)合耗能防撞圈4的斷面為多股鋼絲構(gòu)成，且多鋼絲為平行捻結(jié) 構(gòu)，使柔性復(fù)合耗能撞圈4的斷面為多股鋼絲構(gòu)成，且多鋼絲為平行捻結(jié)構(gòu)，使柔性復(fù)合耗 能防撞圈4在整體變形過程中多股鋼絲之間的摩擦消耗的能量為最大，按力學理論計算與 試驗，可認為上述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4為粘彈性體，其耗能效果優(yōu)于彈性體的緩沖作 用和粘性材料的單獨使用，而且它也不同于彈塑性體，它在吸收和消耗了撞擊能量之后，形 狀能夠基本上恢復(fù)；撞擊發(fā)生后，只有當撞擊力超過外層鋼圍1的鋼板的屈服極限時，外層 鋼圍1才會在持續(xù)的撞擊力的作用下產(chǎn)生塑性變形或被損壞，但一般在設(shè)計時會考慮到河 流的流速、船舶的最大航速和船舶噸位、臺風或汛期的流量等諸多因素，通過數(shù)字模擬計算 來決定外層鋼圍1的剛度和迎撞角的大小，以及柔性復(fù)合耗能防撞圈4的剛度和在內(nèi)外層 鋼圍(2， 1)之間的排布方式和數(shù)量。本發(fā)明的外層鋼圍1的迎撞角3正對河流的來水方向 或主航道方向，一般船舶與外層鋼圍1發(fā)生撞擊時，均會撞擊在迎撞角3的斜面，而該斜面 與船舶運動方向或撞擊力的方向會形成一個相應(yīng)的夾角，使撞擊發(fā)生時船舶受到一個向外推的側(cè)向分力，上述側(cè)向分力會使船舶產(chǎn)生一個小的轉(zhuǎn)向運動，結(jié)合外層鋼圍1剛性和柔 性復(fù)合耗能防撞圈4的柔性使得外層鋼圍1產(chǎn)生整體位移，起到太極推手的作用，它延長撞 擊時間的同時，大幅度降低了撞擊力，使得船舶有時間和空間轉(zhuǎn)向，沿外層鋼圍1的外側(cè)滑 走。從而在撞擊結(jié)束時，船舶的航速并未明顯減小，大部分的剩余動能仍保留在船舶上，可 保證橋墩、防撞裝置和運動狀態(tài)的船舶不受損傷或最大限度地減小三者的損傷，首先是橋 墩得到最佳的保護，避免出現(xiàn)橋墩受損而導致出現(xiàn)重大事故或留下最大事故隱患，同時船 舶損傷小船舶液艙中的液體不外泄，環(huán)境便得到保護。


圖1為本發(fā)明的一個實施例的局部結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明的整體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖2的A-A位置的剖視結(jié)構(gòu)圖。 圖4為圖2的B-A位置的剖視結(jié)構(gòu)圖。 圖5為耗能防撞圈的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為圖5的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為本發(fā)明的數(shù)值模擬的模型示意圖。
具體實施例方式
請參見圖1 圖7，本發(fā)明的具體實施例如下包括外層鋼圍1和內(nèi)層鋼圍2，內(nèi)外 層鋼圍(2、1)之間設(shè)有多個排列的柔性復(fù)合耗能防撞圈4，上述的內(nèi)層鋼圍2主要是與被 保護的橋墩9固定連接，或浮動狀態(tài)的滑動連接并同時作為柔性復(fù)合耗能防撞圈4的連接 支承件。上述的外層鋼圍1為首先與運動的船舶撞擊的部件，其亦為柔性復(fù)合耗能防撞圈 4的連接支承件；上述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4與內(nèi)外層鋼圍(2、1)連接，外層鋼圍1通過 鋼索6和(或)外層鋼圍1上浮箱的浮力處于一種懸掛狀態(tài)。在撞擊發(fā)生時，外層鋼圍1 的運動主要發(fā)生在水平面方向上，其帶動柔性復(fù)合耗能防撞圈4變形運動而吸收部分撞擊 能量。由于外層鋼圍1具有較強剛度和柔性復(fù)合耗能防撞圈4的低剛度和強柔性，導致柔 性復(fù)合耗能防撞圈4的大變形和外層鋼圍1大的整體位移(和局部小變形)。外層鋼圍1 有一迎撞角3，迎撞角3的角度范圍為25。角至170°角之間，外層鋼圍l設(shè)有減小外層鋼 圍1垂直位移的定位裝置，上述的迎撞角3正對水流的來水方向或主航道的船舶運動方向， 迎撞角3的兩側(cè)壁10與水流的來水方向成一夾角，則運動的船舶撞擊時與迎撞角3的兩側(cè)
壁io有一撞擊夾角，撞擊力會產(chǎn)生斜向的反作用力作用在船舶，使船舶有一滑動和向外的
轉(zhuǎn)向作用；上述的外層鋼圍l具有相當?shù)淖灾兀虼藭a(chǎn)生一定的垂直位移，而該垂直位移 會使柔性復(fù)合耗能防撞圈4產(chǎn)生一定的變形與內(nèi)應(yīng)力，而對吸收撞擊能量不利，故上述的 定位裝置可將垂直位移減小或基本消除。 —個柔性復(fù)合耗能防撞圈的力-位移曲線為在位移較小時，力隨位移的增加基 本上是線性增大，當位移達到一定數(shù)值后，隨位移的增大力的增加十分緩慢，曲線出現(xiàn)一平 臺(對應(yīng)的力稱為平臺力)，當位移增加到足夠大(稱為平臺位移極限)之后，隨位移的增 大力急劇增大。體現(xiàn)外層鋼圍1剛度的的屈服極限遠大于柔性復(fù)合耗能防撞圈4的平臺力。 撞擊發(fā)生時，首先外層鋼圍1受到撞擊，在外層鋼圍1塑性變形前撞擊力通過應(yīng)力波傳到柔性復(fù)合耗能防撞圈4上，因柔性復(fù)合耗能防撞圈4的平臺力遠小于外層鋼圍1的屈服極限， 柔性復(fù)合耗能防撞圈4在撞擊力的作用方向上首先大變形，并整個外層鋼圍1隨著柔性復(fù) 合耗能防撞圈4的變形而運動(整體位移)，并使所有的柔性復(fù)合耗能防撞圈4變形和耗 能，消耗部分撞擊能量。當撞擊力足夠大，柔性復(fù)合耗能防撞圈4的變形達到平臺位移極限 后，仍有大于外層鋼圍1的屈服極限的撞擊力時，外層鋼圍1發(fā)生塑性變形；然后才是內(nèi)層 鋼圍2的變形和最終才是橋墩9的受損；為最佳實現(xiàn)上述的變形耗能過程，內(nèi)層鋼圍2的屈 服極限也應(yīng)遠大于柔性復(fù)合耗能防撞圈4的屈服極限，并與外層鋼圍1的屈服極限相當。
由于前述的外層鋼圍1的迎撞角3的最尖端點區(qū)域非常小，船舶與外層鋼圍1的 迎撞角3的最尖端點撞擊的可能性較小(理論上為無限小)，因此迎撞角3的尖端處可設(shè)計 為一圓弧過渡段(圖2所示)，其優(yōu)點是一可減小迎撞角前伸的長度，減小橫向撞擊的概率 和水流對橋墩的作用力，二是可減小制造的難度，尤為是外層鋼圍1的鋼板較厚時圓弧過 渡段的優(yōu)點則更為突出。圖2中的箭頭a表示來水方向，實際船舶航行方向與來水方向基 本平行，或順水或逆水運動，因此與船舶與防撞裝置的撞擊絕大部分均發(fā)生在迎撞角3的 兩側(cè)壁IO上，迎撞角3的角度越小，撞擊的船舶和橋墩受到的撞擊力越小，且船舶越容易沿 著外層鋼圍1的外側(cè)滑走。但相應(yīng)迎撞角3的長度也加長，增加了制造成本，因此優(yōu)選迎撞 角3的角度為50。 90° ，例如50°角或60°角或70°角或90°角，則可基本保證迎撞 角3的制造成本、剛度要求和大幅降低撞擊力的要求。 在前述的防撞裝置撥轉(zhuǎn)船頭的過程中，柔性復(fù)合耗能防撞圈4起到至關(guān)重要的作 用，其整體形狀類似與面包圈，其斷面為多股鋼絲構(gòu)成的線接觸型的平行捻，即鋼絲相互之 間呈線接觸狀態(tài)，使柔性復(fù)合耗能防撞圈在變形過程中鋼絲之間的摩擦力最大，則消耗的 撞擊能量最大，上述的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈的斷面可為圓形、或為橢圓形、或為多邊形、 或為梯形，上述的各種斷面形狀的選用可依據(jù)內(nèi)外層鋼圍2、1與柔性復(fù)合耗能防撞圈4連 接部位的形狀而定，具體選用要求應(yīng)滿足柔性復(fù)合耗能防撞圈4具有優(yōu)良的粘彈性能、柔 性復(fù)合耗能防撞圈4與內(nèi)外層鋼圍2、1的表面適于相配合和安裝定位；由于線接觸狀態(tài)的 平行捻結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合耗能防撞圈4具有相當好的吸能效果和相當高的抗壓和拉伸性能， 從力學的角度可視為一種粘彈性體，其綜合效果優(yōu)于彈性體、彈塑性體和粘性材料的性能。 上述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4可通過U型結(jié)構(gòu)的扣箍通過螺紋連接或其它機械連接方式與 內(nèi)外層鋼圍2、1固定連接，圖5給出了連接方式的一種具體實例結(jié)構(gòu)。
在前述的防撞裝置撥轉(zhuǎn)船頭的過程中，首先要考慮外層鋼圍1自身的結(jié)構(gòu)剛度， 使得在受到撞擊過程中，具有足夠的剛度使得所有的防撞裝置中的柔性復(fù)合耗能防撞圈4 共同受力，即撞擊過程中，外鋼圍雖然有很大的位移，但其整體變形很小。同時，外層鋼圍1 還需要一定的支撐，即外層鋼圍1抗整體位移的能力，使得在受到撞擊過程中，對撞擊體施 加一定的作用力，以期改變撞擊體的運動方向；由于這種施加在撞擊體的作用力，也一定將 傳遞到所要設(shè)防的橋墩上，所以這一作用力不能太大。為此，使用許多防撞圈并聯(lián)支撐于外 鋼圍的內(nèi)側(cè)，以達到產(chǎn)生適當?shù)淖饔昧ψ饔糜谧矒趔w上。并聯(lián)多少個防撞圈以及外鋼圍剛 度的設(shè)計取決于撞擊船舶的動能量級。所述的外層鋼圍1為一箱梁結(jié)構(gòu)，外層鋼圍1的外 層是具有一定厚度的鋼板，具體厚度要求可視具體橋墩所處于河流的最大流速、航速上限 和船舶噸位限制上限而定，具體而言上述鋼板的厚度一般為5 30mm，特定環(huán)境還可更小 或更大，或鋼板厚度與特定環(huán)境中可航行船舶船頭的鋼板的厚度相當即可；為進一步提高外層鋼圍1的結(jié)構(gòu)強度，外層鋼圍l可由型鋼(如工字型或H型鋼)制作的一增加強度的 框架，框架外表面為鋼板而構(gòu)成，其不僅增加了外層鋼圍1的強度，又可增加外層鋼圍1自 身變形時的允許變形量，以進一步減小橋墩受損的可能；在上述的鋼板內(nèi)側(cè)還可設(shè)有橫縱 方向設(shè)置的加強筋，以進一步加強外層鋼圍1的強度。但外層鋼圍1的剛度也不能太強，否 則將不能夠有效地大幅降低撞擊力，同時也不能有效保護撞擊船舶。為減小外層鋼圍1重 力對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，外層鋼圍1還可設(shè)計為全密閉箱梁和部分密閉箱梁。
當船舶撞到防撞設(shè)施時，防撞設(shè)施需要有很好的柔性，這種柔性由柔性復(fù)合耗能 防撞圈4提供。在受到撞擊過程中，由于外層鋼圍1后面的柔性復(fù)合耗能防撞圈4表現(xiàn)出 足夠的柔性，船舶推著外層鋼圍1運動。由柔性復(fù)合耗能防撞圈4的力學行為所決定，在外 層鋼圍l后退的初期，產(chǎn)生的力很小，后退一定距離后，作用力逐漸加大。撞擊船舶在這一 作用力下，有時間和空間改變其運動方向，這樣大部分動能保留在撞擊船舶上，繼續(xù)向斜前 方運動，大部分能量在撞擊過程中不參加交換。這樣既降低了橋墩所受到的撞擊力，有效保 護橋墩，又保護撞擊船舶。上述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4設(shè)置于內(nèi)外層鋼圍2、1之間，即內(nèi) 外層鋼圍2、1均為封閉環(huán)狀，封閉環(huán)狀具體呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)可以是近似圓形、棗核形或中間為 平行段兩端有凸出部(或迎撞角)結(jié)構(gòu)，具體選型視被保護的橋墩的結(jié)構(gòu)形式；內(nèi)外層鋼圍 2、1之間形成一封閉狀的環(huán)狀間隔，柔性復(fù)合耗能防撞圈4設(shè)置在上述的環(huán)狀間隔，上述的 環(huán)狀間隔可以是基本等距設(shè)置，這有利于使用相同規(guī)格的柔性復(fù)合耗能防撞圈4。環(huán)狀間 隔還可以是不等距設(shè)置，這需要使用不同規(guī)格的柔性復(fù)合耗能防撞圈4或增加墊層材料或 增加柔性復(fù)合耗能防撞圈4，這會使防撞裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但亦會根據(jù)需要改變某些局部強 度或增強抗撞擊功能，更有利于對橋墩的保護。上述的柔性復(fù)合耗能防撞圈4在內(nèi)外層鋼 圍2、1之間的分布為至少一層設(shè)置，且在垂直方向為至少一環(huán)繞設(shè)置，可適應(yīng)較小的橋墩， 如有較大的橋墩或防護要求高，如跨海大橋的橋墩(海輪的噸位較大)，所述的柔性復(fù)合耗 能防撞圈4在內(nèi)外層鋼圍2、1之間可以是二層或三層設(shè)置，層與層之間的柔性復(fù)合耗能防 撞圈4有連接件5，內(nèi)外層鋼圍2、1之間的環(huán)狀間隔之間設(shè)置若干個防撞圈，如圖1、2所示， 甚至可多達數(shù)百個，如二層，且多個環(huán)繞設(shè)置，具體數(shù)量視強度設(shè)計選定即可。從靜態(tài)看，外 層鋼圍1通過柔性復(fù)合耗能防撞圈4與內(nèi)層鋼圍2連接為一體；但在大撞擊力作用下動態(tài) 看，外層鋼圍1的整體位移將使所有的柔性復(fù)合耗能防撞圈4首先變形，即部分柔性復(fù)合耗 能防撞圈4受壓變形，其余部分則受拉變形，通過外層鋼圍1將撞擊力傳遞、分布到所有的 柔性復(fù)合耗能防撞圈4上。 上述的內(nèi)、外層鋼圍(2、1)剛度、迎撞角3、柔性復(fù)合耗能防撞圈4的大小以及其 在防撞裝置中的組構(gòu)(如層數(shù)和環(huán)繞數(shù)目)等是該裝置的關(guān)鍵設(shè)計參量，它們都需要根據(jù) 橋墩的許可橫向撞擊力和形貌，撞擊船舶的噸位、航速和結(jié)構(gòu)形貌，以及橋墩地基的地質(zhì)結(jié) 構(gòu)，采用有限元數(shù)值計算方法確定。 由于在一個防撞裝置中含有數(shù)百個柔性復(fù)合耗能防撞圈，并且柔性復(fù)合耗能防撞 圈內(nèi)部具有復(fù)雜的鋼絲_橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得這一重要的結(jié)構(gòu)部件難以通過劃分網(wǎng)格、輸 入對應(yīng)的材料參量的有限元計算方法模擬柔性復(fù)合耗能防撞圈的響應(yīng)和結(jié)構(gòu)中的作用。考 慮到內(nèi)外層鋼圍(2、1)具有很強的剛度以及相鄰的柔性復(fù)合耗能防撞圈的面裝設(shè)成相互 垂直，使得柔性復(fù)合耗能防撞圈在內(nèi)外層鋼圍之間不會倒塌、失穩(wěn)。為了模擬柔性復(fù)合耗能 防撞圈在結(jié)構(gòu)受荷載時不會失穩(wěn)，在有限元數(shù)值模擬中，一個柔性復(fù)合耗能防撞圈被模型
7化為4個一維非線性彈簧單元11和1個一維粘壺單元12的組合，在模型中的排列方式為 在內(nèi)外層鋼圍的田字型單元的中心連接一個粘壺單元12，在內(nèi)外層鋼圍的田字型單元的四 邊交點上，分別由4個非線性彈簧單元11交叉連接，如圖7所示。非線性彈簧單元和一維 粘壺單元的材料參量由沖擊實驗數(shù)據(jù)擬合確定。即采用大型落錘沖擊試驗裝置測量柔性復(fù) 合耗能防撞圈的力 位移關(guān)系曲線，實驗結(jié)果表明，柔性復(fù)合耗能防撞圈可被模擬為非線 性粘彈性體 g^/;(s) + A》exp(—^)fi r +五2 fexp(-^^r, (1) 此處o表示應(yīng)力，e應(yīng)變，g應(yīng)變率，t時間；fe( e) = a e+P e 2+A e 3描述非 線性彈性平衡響應(yīng)(a ， 13 ， A是彈性參數(shù))?；蛘哒f，由非線性彈簧單元fe ( O和粘性粘 壺單元(公式1中的兩個積分)表示。根據(jù)柔性復(fù)合耗能防撞圈的沖擊實驗數(shù)據(jù)，擬合確 定其彈性和粘性參數(shù)。在根據(jù)圖7所示的幾何關(guān)系，可確定由四個非線性彈簧和一個粘壺 模擬的柔性復(fù)合耗能防撞圈時彈簧和粘壺的材料參量。這樣，既可以大大節(jié)省計算時間，又 可以更真實模擬柔性復(fù)合耗能防撞圈的響應(yīng)和作用。 該防撞裝置主要參數(shù)的設(shè)計，如外層鋼圍的剛度、迎撞角、柔性復(fù)合耗能防撞圈的 大小和其在內(nèi)外層鋼圍中的組構(gòu)等，需要結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法來確定。即采取如下 的設(shè)計過程騰撞裝置總圖設(shè)計=> 數(shù)值仿
真計算^優(yōu)化設(shè)計(修改，再計算......)^數(shù)值仿真計算驗證3設(shè)
計防撞裝置施工圖。也就是完成"柔性耗能防撞裝置"設(shè)計后，對其進行數(shù)值仿真分析 研究，為修正該防撞裝置主要設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。數(shù)值仿真分析內(nèi)容包括在船撞過程中， 橋墩所受到的撞擊力，船舶受到的撞擊力，船舶在撞擊過程中的能量轉(zhuǎn)換等。對修改后的設(shè) 計方案重新進行數(shù)值仿真分析研究，驗證防撞裝置是否達到設(shè)防要求。若未能達到要求，繼 續(xù)改進設(shè)計，重復(fù)優(yōu)化設(shè)計=> 仿真驗證之過程,直到防撞裝置達到設(shè)防要求。
由于外層鋼圍1自身具有相當?shù)闹亓浚灾貢е氯嵝詮?fù)合耗能防撞圈4受到一 個向下的拉力，柔性復(fù)合耗能防撞圈4會有一斜下方向的變形并產(chǎn)生一內(nèi)應(yīng)力，為消除上 述的斜下方向的變形，在外層鋼圍1上端設(shè)有多根鋼索6，鋼索6 —端與橋墩9連接或與內(nèi) 層鋼圍2的上部延伸端7連接，以鋼索6的拉力使外層鋼圍1不因自重而向下位移；或在外 層鋼圍1的下部還可設(shè)有底部浮箱(或外層鋼圍1由全密閉浮箱組成)，以阻止外層鋼圍1 的向下位移。 所述的內(nèi)層鋼圍2為可與橋墩9固定的鋼板，或為由型材制作的框架或是框架與 鋼板的組合結(jié)構(gòu)；由于橋墩9的斷面形狀的多樣性，在橋墩9的局部與內(nèi)層鋼圍2之間還可 設(shè)有支撐框架，以保證防撞裝置的整體性；為降低涌浪對耗能裝置的沖擊力，所述的外層鋼 圍1的表面設(shè)有多個可使水涌入的通孔8，這些通孔在河海中會大大降低涌浪對耗能裝置 的沖擊力。
8
權(quán)利要求
一種柔性耗能防撞裝置，包括外層鋼圍(1)和內(nèi)層鋼圍(2)，其特征在于內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間設(shè)有多個排列的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈(4)，外層鋼圍(1)有一迎撞角(3)，迎撞角(3)的角度范圍為25°角至170°角之間，外層鋼圍(1)設(shè)有減小外層鋼圍(1)垂直位移的定位裝置。
2. 按權(quán)利要求l所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的外層鋼圍(1)的屈服極 限大于柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈(4)的屈服極限。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的迎撞角(3)的角度 范圍優(yōu)選為50。 90°之間，迎撞角(3)的尖端處為一圓弧過渡。
4. 按權(quán)利要求3所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈 (4)的結(jié)構(gòu)是其斷面為多股鋼絲構(gòu)成的線接觸型的平行捻，其表面包覆有一橡膠層，柔性復(fù) 合耗能防撞鋼圈(4)的斷面可為圓形、或為橢圓形、或為多邊形、或為梯形，柔性復(fù)合耗能 防撞鋼圈(4)與內(nèi)外層鋼圍(2、1)固定連接。
5. 按權(quán)利要求4所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的外層鋼圍(1)為一具有 一定厚度的鋼板，或外層鋼圍(1)的結(jié)構(gòu)是有一型鋼制作的增加強度的框架，框架外表面 為鋼板。
6. 按權(quán)利要求5所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間 的環(huán)狀間隔基本是等距設(shè)置，或上述的環(huán)狀間隔為不等距設(shè)置。
7. 按權(quán)利要求4或5或6所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的外層鋼圍(1) 的鋼板內(nèi)側(cè)還設(shè)有橫縱方向設(shè)置的加強筋，以加強外層鋼圍(1)的強度。
8. 按權(quán)利要求7所述的柔性耗能防撞裝置，其特征在于所述的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈 (4)在內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間的分布為至少一層設(shè)置，且在垂直方向為至少一環(huán)繞設(shè)置。
9. 按權(quán)利要求8所述的耗能防撞裝置，其特征在于所述的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈(4) 在內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間可以是二層或三層設(shè)置，層與層之間的柔性復(fù)合耗能防撞鋼圈 (4)有連接件(5)。
10. 按權(quán)利要求8或9所述的耗能防撞裝置，其特征在于所述的定位裝置是指外層鋼圍 (1)上端設(shè)有多根鋼索(6)，鋼索(6) —端與橋墩(9)連接或與內(nèi)層鋼圍(2)的上部延伸端 (7)連接；或在外層鋼圍(1)的全部或上部或下部還可設(shè)有浮箱或封閉成浮箱。 全文摘要
本發(fā)明公開了一種防護能力強，結(jié)構(gòu)合理，可對被撞物體和撞擊體均有保護作用的耗能防撞裝置。包括外層鋼圍(1)和內(nèi)層鋼圍(2)，內(nèi)外層鋼圍(2、1)之間設(shè)有多個排列的柔性復(fù)合耗能防撞圈(4)，外層鋼圍(1)有一迎撞角(3)，迎撞角(3)的角度范圍為25°角至170°角之間，外層鋼圍(1)設(shè)有減小外層鋼圍(1)垂直位移的定位裝置。本發(fā)明在撞擊作用下首先會整體位移，之后粘彈性的防撞圈吸收大量的撞擊能量，并同時產(chǎn)生一個對撞擊體的側(cè)向推力而使部分撞擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽矒趔w的轉(zhuǎn)向運動能量，保證了橋墩、防撞裝置和運動狀態(tài)的船舶不受損傷或最大限度地減小三者的損傷。
文檔編號E02B3/26GK101748706SQ200810182979
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者楊黎明, 王禮立, 陳國虞 申請人:寧波大學;上海海洋鋼結(jié)構(gòu)研究所