一种泡沫金属加强桥梁防撞挡块的制作方法

2021-01-18 14:01:44|

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本实用新型涉及减震隔震领域，具体涉及一种泡沫金属加强桥梁防撞挡块，可广泛的应用于建筑房屋，生命线工程，医疗设备等减震防护领域。

背景技术：

我国大陆大部分地区位于地震烈度vii度以上区域，在我国经济高速发展对安全的需求与我国广大城市所面临的严重地震灾害威胁产生了鲜明的矛盾，尤其是最近几次我国大地震（汶川地震、玉树地震、鲁甸地震）更是造成了巨大的人员伤亡和财产损失使这种矛盾更加激化。在大地震中，医疗建筑等设施也发生了巨大的破坏，更进一步加剧了伤亡，造成巨大的社会影响。我国生命线工程防震减灾的主要任务包括：加强国家重大生命线工程沿线地区地震监测设施建设，保障生命线工程地震安全、有重点地提高大中城市、重大生命线工程的地震灾害防御能力。居安思危，基于桥梁挡块的地震震害以及地震安全隐患，本实用新型着重从新材料及结构形式设计上对混凝土挡块进行加强来抵抗地震作用。

该材料的研究尚未发现应用于桥梁混凝土挡块，因此，很有必要进行探索性研究，本项目的泡沫金属挡块实用技术将产生重大的经济效益，一则促进泡沫金属的大量应用，另外，对其他地震重点监测防御区来说，本技术将大大增加桥梁的安全性，间接经济效率显著，可为一般中小桥梁的抗震设计甚至其他类型桥梁的设计的科学依据，为防灾减灾任务的顺利实施和防灾减灾事业添砖加瓦。

汶川大地震后，国内外众多学者对桥梁结构震害经过调研发现，抗震挡块破坏非常普遍，而且非常严重。在汶川地震中，位于都江堰市虹口乡高原村的高原大桥，由于简支梁桥各跨是通过桥墩台简支相连，其抵御横向地震力的方式仅是在桥墩处设置横向挡块将其约束，其挡块已出现严重挤压破坏，完全无法抵御更大的横向地震力作用。岷江大桥位于映秀镇213国道跨越岷江处，地震中桥梁发生顺时针方向的转动，上部结构在两岸的位移方向正好相反，混凝土挡块碰撞破坏。庙子坪大桥、百花大桥的挡块都遭受严重破坏等等。

国内学者通过防落梁装置对隔震桥梁动力特性影响的分析认为，挡块类型、刚度、挡块间距等参数的选择对挡块在桥梁中发挥的作用及对隔震桥梁动力响应的影响十分明显，并以一座三跨连续梁为例进行了验证。总结了国外8种pc桥防落梁构造，认为挡块对横向防落梁效果较好，对纵向防落梁效果较差。经过对海城地震和唐山地震的调查统计分析发现有纵横向防震挡块的桥梁易损性低，同样可以看出挡块的作用。利用杆单元梁端两节点分别与墩梁主从的方法，建立了计算用的挡块单元，并与胡世德一并设计了钉型和碗型橡胶挡块。虽然国内学者开展了这么多的研究，但中国规范对于挡块的设计仍然处在一个凭经验的盲区。

国外关于挡块的研究开展的较早，对挡块的破坏机理研究相对较透彻，因此规范相对完善。研究内容集中在挡块与桥台的连接方式。推荐采用钢筋连接挡块和桥台，并在接触面上加润滑剂的连接方式，让其形成一个薄弱面，破坏就发生在这个薄弱面上，限位主要靠摩擦力和连接钢筋，达到限位和保护桥台的目的。报告中给出了挡块约束力的计算公式和挡块内竖向钢筋和横向钢筋的配筋面积计算公式。

把带挡块的简支梁桥简化成一个弹簧-质量模型，把桥的自振周期、挡块刚度（采用的是钢板及在板后加加劲肋的挡块）、初始间隙作为参数进行了分析，选择了三条地震波e1centro、northridge和farlcfield三条地震波进行了分析并建议间隙为3mm。对跨越地震带的桥梁挡块的作用进行了分析，研究了三种情形：没有挡块、线弹性挡块和非线性挡块。认为挡块的存在改变了受力，有挡块和无挡块时，桥台和桥墩的变位和受力情况是不一样的，忽略挡块的作用未必是安全的，建议分别对线弹性挡块和无挡块两种情况进行分析，得出的结果可为非线性挡块的情况提供上下界限。

国内外的学者对混凝土挡块进行了大量的研究，但是绝大部分的研究都是集中在挡块自身抗震设计，即利用混凝土挡块自身的配筋、刚度等抵抗梁的碰撞力，也就部分研究填加橡胶垫片的形式来减轻挡块的震害，但是橡胶垫片不能耗能，只能起来降低碰撞刚度，增加碰撞动能的转化效率，其本质还是需要挡块来耗能。

而泡沫金属铝的出现将彻底改变这一切。泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过其独特的结构特点，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点。泡沫金属的气孔率更高，孔径尺寸较大。缓冲保护也是泡沫金属的主要用途之一，它必须具有吸收能量的能力，同时将作用于被保护物体上的最大作用力控制在引起损害的极限之下。多孔泡沫金属材料可很好地适合于这种应用场合。通过控制其相对密度，泡沫金属的强度可在很宽的范围内调节。此外，该材料几乎可在恒定的应力作用下承受很大的压缩应变，故大量的能量被吸收而不致产生高的应力。

泡沫金属铝目前已经运用到汽车、船舱、机床等等相关领域，但是目前运用到建筑结构等土木工程领域尚未有研究，而本实用新型从桥梁挡块为出发点，真正做到完全防护和保护混凝土挡块的装置。

技术实现要素：

本实用新型要解决传统桥梁防撞挡块在地震中无法额外耗能，混凝土挡块无法抵抗冲击荷载耗能效果，阻尼分布不均匀，自恢复能力差，从而导致混凝土挡块在地震中发生严重破坏，进而导致桥梁上部结构发生严重破坏的问题，为此，本实用新型提供了一种泡沫金属加强桥梁防撞挡块，本实用新型具有环保，稳定性强，阻尼分布均匀，耗能明显，自恢复能力强的特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种泡沫金属加强桥梁防撞挡块，包括置于挡块1内部的耗能体a、置于挡块1内侧的耗能体b。

其中，耗能体a包括有耗能螺栓2、螺栓锚固板8、耗能软钢筋9和螺母10；耗能螺栓2竖直插入挡块1的内部，螺栓锚固板8套接于耗能螺栓2的底部并通过螺母10进行固定，加强锚固及耗能；螺栓锚固板8的内侧设置有呈横向的耗能软钢筋9；耗能软钢筋9的内侧与普通钢筋相连。

其中，耗能体b包括有薄橡胶垫层3、固定螺栓4、泡沫金属层5、薄钢板6和形状记忆合金弹簧体7；薄橡胶垫层3和薄钢板6竖直成对设置、且薄钢板6位于薄橡胶垫层3的内侧，薄钢板6之间的间隙处填充设置有泡沫金属层5；泡沫金属层5的内部穿插有形状记忆合金弹簧体7；固定螺栓4横向贯穿于薄橡胶垫层3和薄钢板6后旋入挡块1内侧；泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7用来进行耗能，且形状记忆合金弹簧体7还用来恢复泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7的形状，薄钢板6用来固定泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7，薄橡胶垫层3用来防腐作用；薄橡胶垫层3和薄钢板6之间通过工业用胶水进行粘合。

本实用新型还具有以下附加技术特征：

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：耗能螺栓2为细长螺栓，其上部为方形螺母头，均布分布于挡块的中间部位，耗能螺栓2的直径和个数根据桥梁的大小而决定，一般直径不小于25mm，耗能螺栓2的长度要超过挡块1内侧底面，超过的距离为至少12倍耗能螺栓2的直径。

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：螺栓锚固板8和耗能软钢筋9内置于盖梁11内部、挡块1的下部，主要用来锚固耗能螺栓2；螺栓锚固板8的厚度为螺栓直径的1/2，长度与挡块1的长度相同，宽度为挡块1宽度的1/2~2/3；螺栓锚固板8内置于盖梁11中，保持水平方向；耗能软钢筋9的直径与耗能螺栓2相同，长度为25倍耗能螺栓2的直径；耗能软钢筋9左端焊接于螺栓锚固板上，右端与其他普通钢筋进行绑接。

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：薄橡胶垫层3为厚度为2mm的橡胶垫层，薄橡胶垫层3的内层橡胶垫通过工业用胶水粘附于挡块1内侧，然后上覆2mm的薄钢板6，薄钢板6的四角设置有4个螺栓孔，固定螺栓4通过螺栓孔将薄橡胶垫层3和薄钢板6固定于挡块1上；固定螺栓4直径为14~25mm，其螺母属于2mm厚的薄螺母，以便不影响泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7的变形。

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：泡沫金属层5覆盖整个挡块1的侧面，其厚度为10~50mm，实际的厚度需要根据桥梁的具体大小及挡块1的大小确定，其孔隙率一般选择小孔隙率，以及具有更大的刚度和耗能能力。

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：泡沫金属层5包括有外层薄钢板和内层薄橡胶垫，外层薄钢板和内层薄橡胶垫的厚度相同。

作为本实用新型技术方案进一步具体优化的：形状记忆合金弹簧体7是具有记忆合金螺旋体，为记忆合金丝烧制而成、且两端具有固定板的组合装置；记忆合金螺旋体通过蓄能点焊的方式与固定板连接；形状记忆合金弹簧体7的厚度与泡沫金属层5相同，其两端再通过胶粘的方式固定于两端的薄钢板6，形状记忆合金弹簧体7的直径为3~10mm，需要与泡沫金属层5的厚度搭配协调；形状记忆合金弹簧体7的数量根据桥梁及挡块1的大小设置为9、16或25，且均匀分布。

本实用新型和现有技术相比，其优点在于：

优点1：本实用新型具有多级耗能效果，地震来临时，梁体可通过压缩泡沫金属层和形状记忆合金弹簧体，进行第一级耗能，当振动或荷载过大时，已经无法压缩记忆合金弹簧体时，锚固于结构内部的耗能软钢筋通过变形进行第二节段耗能，荷载再大时，耗能螺栓也将进行第三部分耗能。

优点2：本实用新型具有抵抗冲击荷载的效果，在强震过程中，因泡沫金属层和形状记忆合金弹簧体，可以通过变形吸收大量的能量，抵抗来自梁端传来的冲击荷载，避免因结构受冲击荷载振动过大而造成结构的损坏。

优点3：本实用新型具有自恢复效果，本实用新型泡沫金属层和形状记忆合金弹簧体，在隔震层和形状记忆合金弹簧体吸收能量后，形状记忆合金弹簧体可以自由恢复到初始阶段，同时也会通过钢板带动泡沫金属层恢复一定的形状，相对于传统隔震挡块具有了较强的耐久性。

优点4：本实用新型具有阻尼分布均匀特点，形状记忆合金弹簧体处于均匀分布于泡沫金属层中，可有效地提供支撑和吸收振动产生的能量。

优点5：本实用新型具有易更换特点，在不引起挡块内部软钢和螺栓破坏的大地震中，仅外部隔震体发生无法恢复的变形下，通过更换部件进行更换。

优点6：本实用新型可直接安装在桥梁挡块，安装简便、材料环保、具有多级减震耗能效果。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的剖视结构示意图；

图2为本实用新型的俯视结构示意图；

图3为图1局部放大结构示意图；

图4为螺栓锚固板8和耗能软钢筋9的结构示意图；

图5为图3沿着a-a剖面结构示意图；

图6为构件7俯视结构示意图；

图7为构件7侧视结构示意图。

附图标记说明：挡块1、耗能螺栓2、薄橡胶垫层3、固定螺栓4、泡沫金属层5、薄钢板6、形状记忆合金弹簧体7、螺栓锚固板8、耗能软钢筋9、螺母10和盖梁11。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本实用新型公开的示例性实施例，然而应当理解，本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。

一种泡沫金属加强桥梁防撞挡块，包括置于挡块1内部的耗能体a、置于挡块1内侧的耗能体b。

其中，耗能体b包括有薄橡胶垫层3、固定螺栓4、泡沫金属层5、薄钢板6和形状记忆合金弹簧体7。

薄橡胶垫层3和薄钢板6竖直成对设置、且薄钢板6位于薄橡胶垫层3的内侧，薄钢板6之间的间隙处填充设置有泡沫金属层5；泡沫金属层5的内部穿插有形状记忆合金弹簧体7；固定螺栓4横向贯穿于薄橡胶垫层3和薄钢板6后旋入挡块1内侧。

泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7用来进行耗能，且形状记忆合金弹簧体7还用来恢复泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7的形状，薄钢板6用来固定泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7，薄橡胶垫层3用来防腐作用；薄橡胶垫层3和薄钢板6之间通过工业用胶水进行粘合；

耗能螺栓2为细长螺栓，其上部为方形螺母头，均布分布于挡块的中间部位，耗能螺栓2的直径和个数根据桥梁的大小而决定，一般直径不小于25mm，耗能螺栓2的长度要超过挡块1内侧底面，超过的距离为至少12倍耗能螺栓2的直径。

螺栓锚固板8和耗能软钢筋9内置于盖梁11内部、挡块1的下部，主要用来锚固耗能螺栓2；螺栓锚固板8的厚度为螺栓直径的1/2，长度与挡块1的长度相同，宽度为挡块1宽度的1/2~2/3；螺栓锚固板8内置于盖梁11中，保持水平方向；耗能软钢筋9的直径与耗能螺栓2相同，长度为25倍耗能螺栓2的直径；耗能软钢筋9左端焊接于螺栓锚固板上，右端与其他普通钢筋进行绑接。

薄橡胶垫层3为厚度为2mm的橡胶垫层，薄橡胶垫层3的内层橡胶垫通过工业用胶水粘附于挡块1内侧，然后上覆2mm的薄钢板6，薄钢板6的四角设置有4个螺栓孔，固定螺栓4通过螺栓孔将薄橡胶垫层3和薄钢板6固定于挡块1上；固定螺栓4直径为14~25mm，其螺母属于2mm厚的薄螺母，以便不影响泡沫金属层5和形状记忆合金弹簧体7的变形。

泡沫金属层5覆盖整个挡块1的侧面，其厚度为10~50mm，实际的厚度需要根据桥梁的具体大小及挡块1的大小确定，其孔隙率一般选择小孔隙率，以及具有更大的刚度和耗能能力。

泡沫金属层5包括有外层薄钢板和内层薄橡胶垫，外层薄钢板和内层薄橡胶垫的厚度相同。

形状记忆合金弹簧体7是具有记忆合金螺旋体，为记忆合金丝烧制而成、且两端具有固定板的组合装置；记忆合金螺旋体通过蓄能点焊的方式与固定板连接；形状记忆合金弹簧体7的厚度与泡沫金属层5相同，其两端再通过胶粘的方式固定于两端的薄钢板6，形状记忆合金弹簧体7的直径为3~10mm，需要与泡沫金属层5的厚度搭配协调；形状记忆合金弹簧体7的数量根据桥梁及挡块1的大小设置为9、16或25，且均匀分布。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

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