一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置的制作方法

本发明涉及桥墩防撞装置技术领域，具体涉及一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置。

背景技术：

目前中国已经成为世界上桥梁数量最多的国家，而中国桥也以高的建设难度和快的建设速度展现着中国作为一个桥梁大国的魅力。但与此同时的是，桥墩遭受船舶撞击的事故却常有发生。

根据以往的经验来看，大型桥梁大多采用人工岛、群桩、钢箱等防撞结构。运用人工岛作为防冲击设施，虽能够避免船舶的直接撞击，但其造价基本都会很高；运用群桩作为防冲击设施，同样造价高，且在发生较大撞击后难以修复，无法重复利用或更换，同时对船舶的损伤较大。

鉴于此，有必要提出一种新型防船撞装置以克服或至少缓解上述缺陷。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了结构设计合理的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其能够利用电磁切割阻尼吸收船舶撞击能量。

本发明的技术方案如下：

一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，包括沿桥梁承台外围周向设置的硬层及沿硬层外围周向设置的软层，所述硬层与软层之间设有一组防撞单元；所述防撞单元包括软体管、设置在软体管内的永磁体、绕设在永磁体外围的线圈及设置在线圈两端的连通电路；所述永磁体固定设置在软层侧部，所述线圈固定设置在硬层侧部，所述软体管一端与硬层相连，另一端与软层相连。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述硬层与软层之间的空余空间内填充减振填充物，或通过钢丝线牵引。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述硬层采用钢制环形面结构，并固定在桥梁承台周围，所述软层采用橡胶制环形面结构。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述防撞单元在硬层及软层之间呈环形密布。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述永磁体由一组的环形永磁体串联构成。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述软体管采用橡胶材料制成。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述连通电路包括导线及设置在导线上的电阻，所述导线两端与线圈两端对应连接，从而形成闭合回路。

所述的一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置，其特征在于，所述线圈采用螺旋导线。

本发明的有益效果是：

1)本发明的桥墩防船撞装置自身可以通过永磁体和线圈的相对运动产生感应电流，不需要外接电源，大大地简化了该装置的结构，减少了成本。

2)本发明的桥墩防船撞装置利用电磁切割力与冲击速度成正比的特性，在遭受较大撞击时提供较大的阻尼力，在遭受较小撞击时提供较小的阻尼力，从而可以更好地达到船桥两不坏的目的。

3)本发明的桥墩防船撞装置在遭受冲击后可以整体拆卸更换，在外部软层和内部硬层没有较大损坏时，仅更换内部的防撞单元便可以将防船撞装置恢复至原状，以应对下一次冲击。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明防撞单元结构示意图；

图3为本发明防撞单元分布示意图；

图4为本发明的设计原理图；

图5为本发明的受力图；

图6为船舶不设该防船撞装置的撞击桥墩应力云图；

图7为船舶设置该防船撞装置的撞击桥墩应力云图；

图8为船舶不设该防船撞装置的桥墩位移与时程图；

图9为船舶设置该防船撞装置的桥墩位移与时程图；

图中：1-桥墩承台，2-硬层，3-软层，4-防撞单元，401-永磁体，402-软体管，403-导线，404-电阻，405-线圈，5-减振填充物。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1-9所示，一种装配于桥梁承台的新型防船撞装置装配于桥梁承台1上，在桥梁承台1周围设置硬层2和软层3，硬层2和软层3之间则设置多个相同或类似的防撞单元4，硬层2与软层3之间的空余空间由减隔震材料填充(主要为橡胶材料，其中顶面与底面也用柔性橡胶密封)；其中，硬层2为内层，固定在桥梁承台1上，可由钢结构组成的环形面，软层3为外层，可由橡胶结构组成环形面；软层3和硬层2与防撞单元4之间固定连接；所述防撞单元4沿径向由外向内依次包括软体管402、线圈405和永磁体401；所述软体管402可由橡胶材料构成；所述线圈405则由直径为0.5m，长度为5m的螺旋导线构成，线圈405与电阻404通过导线403相连形成闭合回路。线圈405可固定在软体管402内壁上，其一端固定连接在硬层2上，另一头为自由端将永磁体401包含其中；导线403和电阻404可设置在软体管外壁上；所述永磁体401由一系列环形永磁体串联构成直径为0.45m，长度为5m的永磁体,其一端固定连接在软层3上。

设计原理分析：

如图4所示，由法拉第电磁感应定律可知，金属在磁场中相对磁场做切割磁感线运动会产生电磁切割阻尼力将动能转化为内能，因此本文考虑利用电磁切割阻尼来缓冲桥墩所受到的冲击能。

将磁体6作为定子，将导棒7作为动子，可以产生一个与运动方向相反的电磁切割力。当导棒7以一定的速度v切割磁体6产生的磁感线时，导棒中的磁通量会发生变化，会产生感应电动势，由法拉第电磁感应定律公式感应电动势与磁通量通过电路的时间变化率成正比：

其中通过任意形状表面的磁通量为

其中是通过导体表面的磁感应强度；是面积矢量；

磁场下长度为dl的小段导线上的力为：

假设导棒和导轨(设置在导棒上下端位置)的电阻为0的条件下，通过电路的磁通量为：

φ＝blx

其中l为杆长；x是杆的位移距离；则lx为所包含的面积。当导棒以v的速度运动时，产生的感应电动势为：

基于电路中电阻仅为电阻r，由欧姆定律可得电流大小为：

而该导棒7恰好又是在磁体6产生的磁场下，通电导棒7还受到一个力的作用，该力即为电磁切割力，阻碍撞击的发展，其大小为：

通过公式可得：

1)电磁切割力的大小和速度成正比，因此当冲击速度较小时其电磁切割力也较小，当冲击速度较大时其电磁切割力也较大。

2)当电磁切割力阻尼器各参数一定时，其阻尼系数c便如下所示为常数。

因此当速度v较大时，所受的电磁切割力也就较大；当速度v较小时，所受的电磁切割力也就较小。设置桥梁承台电磁切割力防船撞装置后，增加了撞击缓冲时间和撞击缓冲距离，可以减小对船桥两者的损伤，尤其是在在较小的冲击速度下，有f＝cv，船舶所受的反力也小，对船舶的损伤也更小。

由上述原理，在图5中本发明反过来将线圈405作为定子，将永磁体401作为动子，利用运动的永磁体401使得线圈405切割永磁体401的磁感线，同样可以产生感应电流。线圈405中的感应电流在磁场中受到一个由永磁体401作用的感应力，根据作用力与反作用力，永磁体401也会受到一个大小相等、方向相反的电磁切割力的作用，阻碍运动的进行，将动能转化为电能和内能。

由之前推导的公式可得电磁切割阻尼力大小f与速度v成正比：

其中b为永磁体周围的磁感应强度大小；n1为螺旋线圈匝数；l为单圈线圈长度；v为船舶冲击速度；r为设置的电阻大小。本实施例中线圈3的直径为0.5m，因此单圈线圈长度可得为0.196m，线圈匝数选择为1800匝。永磁体4的直径为略小于线圈直径为0.45m，目的是为了在撞击发生时永磁体能够顺利穿过感应线圈3内部，永磁体周围的磁感应强度b的大小由滑铁卢大学提出的公式与实验可得，其磁感应强度最大值可以达到0.6t-0.8t，在此以0.8t取值。

工作过程分析：

在冲击发生时，冲击物以一速度接触到装置外的软层3，随后带动软层3发生变形，而硬层2紧紧结合在承台1上，二者之间发生相对位移，带动数个软层3与硬层2之间的防撞单元4同时发生挤压变形。防撞单元4沿径向从外到内由软体管402、线圈405、永磁体401、电阻404及导线403组成，其中防撞单元4中的永磁体401一头固定连接在软层3上，另一头为自由端放置于线圈405之中；线圈405一头固定连接在硬层2上，另一头为自由端将永磁体401包含其中。软层3需要满足的条件是当撞击发生时，要保证软层3可以与船舶一起发生位移。永磁体401通过固定连接固定在软层3上，被软层3带动使得线圈405切割永磁体401的磁感线。硬层2需要满足的条件是当撞击发生时，要保证硬层2与承台1紧密结合。线圈405通过固定连接固定在承台1外的硬层2上，在永磁体401运动时保持静止，以使得永磁体401相对线圈405保持相对运动状态。线圈405两端与导线403通过接线端子相连，与电阻404形成的一个闭合回路，通过这个电流回路对永磁体401产生一个电磁切割阻尼力用来抵抗船舶的撞击。防撞单元4外侧的软体管402则作为保护套，平时起到一个防腐蚀和防尘的保护作用，当受到冲击时软体管402可以被压缩。软层3与硬层2之间的空余空间由减隔振填充物填充或钢丝线牵引，保证当发生撞击时，桥墩电磁切割阻尼防冲击装置总体上不会发生大的偏移，能够更好地发挥对桥墩的保护作用。

本发明的防船撞装置设计装配于承台1之上，在撞击发生时，由于承台1相较于桥墩会有突出的一部分，因此不论水位的高低，船艏先撞到的一定是承台1。因此将防船撞装置整体装配于承台1之上，可以保证在船舶是先撞击防船撞装置减速缓冲之后才撞击的桥墩，确保了桥墩和桩基础的安全。在本实施例中，承台1的高度为3m，承台半径为9.5m，承台圆弧长度可得为14.92m。相邻的防撞单元4间隔设置为10cm，一共可以布置5层的防撞单元4，每层可布置24个防撞单元4。因此从横桥向撞击桥墩时，防撞单元中的电磁切割阻尼器的总数可以达到24×5共120个，但考虑撞击时不一定所有的电磁切割阻尼器都充分发挥作用，将阻尼器总个数乘以0.5的折减系数予以考虑，因此计算时考虑60个电磁切割阻尼器发挥作用。

本发明所述的防船撞装置中，当线圈405切割永磁体401产生的磁感线时，不考虑摩阻力的作用时仅受电磁切割阻尼力一个力作用，解此一阶微分方程可以得到公式：

f＝ma＝n2cv

其中n2是电磁切割阻尼器的个数120，考虑0.5折减系数后为60。带入初始值，当t＝0时v＝v0，可得c1＝v0，解此一阶微分方程有下式：

带入初始值，当t＝0时x＝0，可得c2＝-mv0/n2c，有下式：

将式(a)与式(b)结合消去t，可得船舶以一个初速度v0撞击防船撞装置，受一个与实时速度成正比的阻尼力作用下的位移速度关系式，即本发明所述的船舶撞击防船撞装置过程中位移x与末速度v的关系式：

式中的v0表示初速度，v为船舶末速度即船舶撞击承台时的速度。

由美国国家公路与运输协会(aashto)给出的公式：

式中dwt为船舶载重吨位，v为船舶撞击速度。

可以看到船只冲击力在船舶吨位一定的条件下，仅与船舶撞击速度有关。防船撞装置的目的就是使船舶由一个较大的撞击速度减小为一个较小的撞击速度，从而达到减小船舶撞击力，保护桥墩的目的。因此设置防冲击装置与不设防冲击装置对桥墩的影响可以体现在船舶以不同的撞击速度撞击桥墩。

对比实施例：

本实施例中选取dwt为10000吨的海轮以3m/s速度撞击为例，结合ansys软件模拟的方式进行船桥相撞过程全过程分析，观察本发明所述的装配于桥梁承台的新型防船撞装置其缓冲效果。

本实施例中，在不设该防船撞装置时以初始原速度3m/s直接撞击桥墩，而在设置该防船撞装置之后，经过5m的缓冲，通过将具体数值带入式c的计算，可以得到船舶的撞击速度由于防船撞装置的缓冲作用将由原本的3m/s减小到了0.6m/s。以下将从桥墩的应力和桥墩的位移方面比较不设该防船撞装置与设置该防船撞装置的区别。如图6、图7所示，对比之下可以看到不设该防船撞装置的情况下，桥墩应力最大值超过了8.495×10⁷帕；而设置该防船撞装置的情况下，桥墩应力最大值仅为1.626×10⁷帕。可以看到设置该装置后桥墩的最大应力大大减小，仅为未设置防冲击设计的19.1％，减小幅度达到了80.9％。

本实施例中桥墩的位移又可分为桥墩的最大位移和桥墩的最终位移。其中桥墩的最大位移可以展示桥墩所承受的最大船撞影响，而桥墩的最终位移则影响了桥墩在遭受撞击后继续工作的能力大小。如图8、图9所示，相比之下不设该防船撞装置的情况下，造成的桥墩最大位移为16.3mm；而设置该防船撞装置的情况下，造成的桥墩最大位移仅为2.5mm。可以看到设置防冲击结构后桥墩的最大位移大大减小，仅为未设置防冲击设计的15.3％，减小幅度达到了84.7％。桥墩的最终位移则观察两图振荡的中心线，该线的纵坐标即为桥墩的最终位移。桥墩的最终位移在设置该防船撞装置之后可以看到有显著的减小，不设该防船撞装置的情况下，造成的桥墩最终位移约为2.5mm；而设置该防船撞装置的情况下，造成的桥墩最终位移仅约为1.5mm。可以看到设置防冲击结构后桥墩的最终位移大大减小，为未设置防冲击设计的60.0％，减小幅度达到了40.0％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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