【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及桥墩防护，尤其涉及一种应力波疏导型桥墩被动防船撞装置。
技术介绍
1、水路运输作为极具经济效益的运输方式，一直以来都是大宗商品远洋运输的首选。随着船舶的大型化、快速化进程与江海直达船的研发历程不断取得突破，不可避免地与结构体系尚未较大改变创新的跨航道、跨流域桥梁产生冲突，由此产生了诸多船桥碰撞事故。为了减少船桥碰撞导致的各类损失，在大型桥梁的桥墩处设置防船撞装置是非常必要的。
2、目前，现有的防船撞装置设计同质化严重，大多依赖于大体积的吸能材料和传统的阻尼系统予以缓冲吸能。在现有技术中，主要采用组合大型吸能箱体、装配多个预留间隙的弹性板或设置多方向的大型弹簧缓冲系统的形式。当冲击发生时，大型吸能材料通过大规模的塑性变形予以吸能，抵御冲击能量对于桥墩的破坏，弹性板与弹簧系统通过回弹力和预留间隙中水流的阻力来抵御冲击并耗散能量。也存在设置多层柔性吸能材料填充的混合圈层结构，但本质上还是以增加吸能材料质量进而加强装置通过塑性变形来耗散能量的能力，从而实现防撞吸能。
3、总体来说，现有的防船撞装置存在一些共性且难以优化解决的问题：(1)组合大型吸能箱体的装置过分依赖于吸能材料的质量，对于各类柔性材料需求很大，却忽视了结构本身的功能，并不经济，多层柔性吸能材料填充的混合圈层结构的问题亦是如此。(2)装配预留间隙的弹性板或多方向的大型弹簧系统设计初衷是利用弹性板或弹簧系统产生的回弹力来抵御冲击，但在实际设计和应用中发现，对于船舶冲击这类大质量低速冲击，需要设置超大体积和质量的弹性板或弹簧系统，有的弹性板
4、由颗粒、柱壳或球壳组成的链结构能够实现应力波的传输，并具备较好的波形操控能力，如波形的放大和衰减，因此可作为声学透镜、减震材料、声学开关等，在工程领域有广泛的应用前景。彭克锋等人在《椭圆柱壳链中的波形弥散规律研究》(固体力学学报，2023.7)、《密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究》(力学学报，2022.8)等文献中对于弹性波在一维链结构(特指向为柱壳链结构)上的传播机理进行了理论研究，尤其是弹性波的速度和一维尺度上的波形变化，与声学联系紧密，且偏重理论研究和公式推导，但还未涉及工程化应用。
技术实现思路
1、本专利技术主要目的是针对上述现有防船撞装置存在的缺陷或改进需求，提供一种基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，通过采用外层防撞圈与柱壳链结构、上部柔性吸能层、刚性内圈、格栅结构、柔性内圈的多层环式结构，在遭遇船舶冲击时能够有效地将外部冲击产生的应力波按一定路径予以疏导和定向吸收。
2、本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其为多层环式结构，包括外层防撞圈、上部柔性吸能层、柱壳链结构、刚性内圈、柔性内圈，所述上部柔性吸能层设置于外层防撞圈与刚性内圈之间的上部，所述柱壳链结构设置于外层防撞圈与刚性内圈之间且位于所述上部柔性吸能层的下方；所述柱壳链结构由在横向上具备正相对密度梯度的若干壳单胞在同一竖直面内形成单组柱壳链阵列，并由多组柱壳链阵列沿纵深方向按固定间距排布而成，用于将冲击能量疏导传递至纵向上侧的上部柔性吸能层和纵向下侧的海水中吸收；所述横向为x方向，即水平冲击方向，所述纵向为y方向，即桥墩竖向，所述纵深方向为z方向。
4、上述方案中，所述柱壳链结构采用纵横比为3/5至5/3的壳单胞；所述纵横比为壳单胞的纵向轴外壳直径与横向轴外壳直径之比。
5、上述方案中，所述柱壳链结构在横向冲击方向上具备正相对密度梯度，且壳单胞的相对密度变化范围为0.25－0.7，形式上表现为在横向上的各列壳单胞厚度依次递增，而在纵向上的各行壳单胞无相对密度梯度变化，即无厚度梯度变化。
6、上述方案中，所述外层防撞圈内侧设有第一法兰用于绑定连接柱壳链结构的外端，所述刚性内圈外侧设有第二法兰用于绑定连接柱壳链结构的内端，使得柱壳链结构作为夹芯结构，两端均得到固定。
7、上述方案中，位于同一竖直面内的单组柱壳链阵列的壳单胞之间彼此合并连接，且在纵深方向上具备一定厚度；多组柱壳链阵列沿纵深方向按与单组柱壳链阵列同等纵深厚度的固定间距进行排布。
8、上述方案中，所述柱壳链结构采用高分子轻质化材料制成；所述上部柔性吸能层由吸能材料填充而成。
9、上述方案中，所述防船撞装置还包括设置于所述刚性内圈与柔性内圈之间的格栅结构。
10、上述方案中，所述防船撞装置还包括浮托装置，所述浮托装置包括从上至下依次设置的立柱、稳定浮箱和类船型浮筒，所述立柱上端与所述刚性内圈底端固定连接。
11、上述方案中，所述防船撞装置整体外形为类船型环式结构。
12、上述方案中，所述外层防撞圈采用柔性材料制成，所述刚性内圈由钢材制成，所述柔性内圈由柔性材料制成。
13、本专利技术产生的有益效果是：
14、1、本专利技术的防船撞装置通过采用外层防撞圈与柱壳链结构、上部柔性吸能层、刚性内圈、柔性内圈的多层环式结构，在遭遇船舶冲击时能够有效地将外部冲击产生的应力波按一定路径予以疏导和定向吸收。其中，柱壳链结构作为核心构件，其具备优越的应力波疏导性能，能使横向冲击产生的应力波沿纵向偏移一定角度，从而将大部分冲击能量沿一定角度向纵向两侧传递，并使这部分能量分别传递至桥墩竖向上侧由吸能材料填充而成的上部柔性吸能层和下侧的海水中进行耗散吸收，使得横向末端的桥墩结构得到保护。这种特殊的能量疏导性能，运用了结构本身的力学特性，而非单一的利用材料特性，极大地改进了防船撞装置的能量传递特性，从而提高了吸能效率节省了吸能材料，经济实惠。同时，柱壳链结构具备优越的弹性变形能力，储存和传递弹性应变能的效果良好，在遭遇冲击时不易损坏，可持续性好。这种多功能的结构物尽其用，在有限的布置空间内就具备较好的防撞吸能效果，从而节约防船撞装置布置空间和减少对通航的影响。
15、多层结构的其他部分作为剩余能量的缓冲吸收载体，其中，外层防撞圈可发挥初始缓冲功能；刚性内圈由钢材制成，具备较大质量，从而增大整体装置的质量，在碰撞发生时的动量交换下可较好的降低船舶速度；柔性内圈为防船撞装置与桥墩之间的碰触提供缓冲作用。还可在刚性内圈与柔性内圈之间进一步设置格栅结构，可发挥连接刚性内圈和柔性内圈的作用，并具备一定的冲击缓冲功能。
<本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，其为多层环式结构，包括外层防撞圈、上部柔性吸能层、柱壳链结构、刚性内圈、柔性内圈，所述上部柔性吸能层设置于外层防撞圈与刚性内圈之间的上部，所述柱壳链结构设置于外层防撞圈与刚性内圈之间且位于所述上部柔性吸能层的下方；所述柱壳链结构由在横向上具备正相对密度梯度的若干壳单胞在同一竖直面内形成单组柱壳链阵列，并由多组柱壳链阵列沿纵深方向按固定间距排布而成，用于将冲击能量疏导传递至纵向上侧的上部柔性吸能层和纵向下侧的海水中吸收；所述横向为X方向，即水平冲击方向，所述纵向为Y方向，即桥墩竖向，所述纵深方向为Z方向。
2.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述柱壳链结构采用纵横比为3/5至5/3的壳单胞；所述纵横比为壳单胞的纵向轴外壳直径与横向轴外壳直径之比。
3.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述柱壳链结构在横向冲击方向上具备正相对密度梯度，且壳单胞的相对密度变化范围为0.25－0.7，形式上表现为在横向上的各列壳单胞
4.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述外层防撞圈内侧设有第一法兰用于绑定连接柱壳链结构的外端，所述刚性内圈外侧设有第二法兰用于绑定连接柱壳链结构的内端，使得柱壳链结构作为夹芯结构，两端均得到固定。
5.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，位于同一竖直面内的单组柱壳链阵列的壳单胞之间彼此合并连接，且在纵深方向上具备一定厚度；多组柱壳链阵列沿纵深方向按与单组柱壳链阵列同等纵深厚度的固定间距进行排布。
6.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述柱壳链结构采用高分子轻质化材料制成；所述上部柔性吸能层由吸能材料填充而成。
7.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述防船撞装置还包括设置于所述刚性内圈与柔性内圈之间的格栅结构。
8.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述防船撞装置还包括浮托装置，所述浮托装置包括从上至下依次设置的立柱、稳定浮箱和类船型浮筒，所述立柱上端与所述刚性内圈底端固定连接。
9.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述防船撞装置整体外形为类船型环式结构。
10.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述外层防撞圈采用柔性材料制成，所述刚性内圈由钢材制成，所述柔性内圈由柔性材料制成。
...【技术特征摘要】
1.一种基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，其为多层环式结构，包括外层防撞圈、上部柔性吸能层、柱壳链结构、刚性内圈、柔性内圈，所述上部柔性吸能层设置于外层防撞圈与刚性内圈之间的上部，所述柱壳链结构设置于外层防撞圈与刚性内圈之间且位于所述上部柔性吸能层的下方；所述柱壳链结构由在横向上具备正相对密度梯度的若干壳单胞在同一竖直面内形成单组柱壳链阵列，并由多组柱壳链阵列沿纵深方向按固定间距排布而成，用于将冲击能量疏导传递至纵向上侧的上部柔性吸能层和纵向下侧的海水中吸收；所述横向为x方向，即水平冲击方向，所述纵向为y方向，即桥墩竖向，所述纵深方向为z方向。
2.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述柱壳链结构采用纵横比为3/5至5/3的壳单胞；所述纵横比为壳单胞的纵向轴外壳直径与横向轴外壳直径之比。
3.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述柱壳链结构在横向冲击方向上具备正相对密度梯度，且壳单胞的相对密度变化范围为0.25－0.7，形式上表现为在横向上的各列壳单胞厚度依次递增，而在纵向上的各行壳单胞无相对密度梯度变化，即无厚度梯度变化。
4.根据权利要求1所述的基于柱壳链的应力波疏导型桥墩被动防船撞装置，其特征在于，所述外层防撞圈内侧设有第一法兰用于绑定连接柱壳链结构的外端，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘晋，王创，陈杰，明松，刘欣雨，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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