[发明专利]一种由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计方法

说明书

一种由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计方法，属于桥墩防撞技术领域。本发明针对桥墩防撞装置目前存在的问题，通过数值模拟实现耗能复合结构的低速冲击过程，获得耗能复合结构的低速冲击响应，分析耗能复合结构的变形破坏机理；计算不同结构设计参数的耗能复合结构在不同冲击能量作用下的动态响应，获得力‑位移曲线；计算耗能复合结构的防撞性能指标；对防撞性能指标进行分析，确定适用于不同低速冲击能量作用下，钢板的最优厚度、泡沫铝的最优厚度及泡沫铝的最优密度，完成设计。本发明吸能缓冲性能更好，能够有效延长冲击波作用时间，降低冲击荷载，提高抗流冰冲击的作用，达到保护桥墩的效果。

技术领域

本发明属于桥墩防撞技术领域，具体涉及一种由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计方法。

背景技术

桥梁是交通运输的咽喉，是交通基础设施的重要组成部分。然而位于高寒地区的桥梁常常受到春季流冰的威胁，特别是冰情严重的年份，冰害时常发生，巨大而坚硬的冰排会对位于江河中的桥墩结构产生较大的撞击力和挤压力，不仅使桥墩外表面混凝土脱落钢筋外露锈蚀，还会使桥墩顶部产生较大的横向位移，从而影响到桥梁的安全运营。为了增强桥墩抵抗流冰撞击的能力，减轻桥墩本身的损伤以及流冰撞击时对桥梁上部结构的扰动，通常会在桥墩与流冰直接接触面间安装防撞装置，阻止流冰撞击力直接作用于桥墩。现有的桥墩防撞装置多采用钢套箱，钢套箱防撞装置通常安装在桥墩或承台周围，主要依靠钢材塑性变形吸收冲击能量，虽然能够提高结构的强度和抗变形能力，但由于钢套箱刚度较大，受到撞击后的刚体位移也较大，自身的动量缓冲和能量吸收性能较差，故对于撞击力的衰减作用不大，易使桥梁受到硬性撞击损伤，不能对桥梁提供较好的防撞保护效果。

发明内容

本发明针对现有的桥墩防撞装置设计停留在通过提高防护结构强度和抵抗变形能力来减轻桥墩的损伤，忽略了防撞装置的耗能缓冲性能的问题，提供一种由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计方法，所述方法如下：

（1）通过数值模拟实现耗能复合结构的低速冲击过程，获得耗能复合结构的低速冲击响应，分析耗能复合结构的变形破坏机理；

（2）通过数值模拟计算不同结构设计参数的耗能复合结构，在1150J、2300J和4600J冲击能量作用下的动态响应，由此获得耗能复合结构的力-位移曲线；

（3）利用（2）得到的力-位移曲线，计算由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的防撞性能指标；

（4）利用（1）的数值模拟分析结合（3）的防撞性能指标进行研究，确定适用于1150J、2300J和4600J低速冲击能量作用下，耗能复合结构钢板的最优厚度、泡沫铝的最优厚度以及泡沫铝的最优密度，完成由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构的设计。

本发明相对于现有技术的有益效果为：吸能缓冲性能更好，能够有效延长冲击波作用时间，大幅度降低冲击荷载，提高桥墩抗流冰冲击的作用，达到保护桥墩的效果。针对在不同的低速冲击能量作用下，分别确定了由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构中钢板的最优厚度、泡沫铝的最优厚度以及泡沫铝的最佳密度。由钢板和泡沫铝材料组成的耗能复合结构可以吸收大约75%~85%的冲击能量，能够大幅度的衰减撞击力对于桥墩结构的作用，达到保护桥墩的目的。此外，耗能复合结构还具有轻质、高强度、耗能缓冲效果优良的特点。

附图说明

图1为本发明设计的桥墩防撞装置示意图；

图2为本发明实施例提供的不同钢板厚度的耗能复合结构在1150J冲击能量作用下的防撞性能指标图；

图3为本发明实施例提供的不同钢板厚度的耗能复合结构在2300J冲击能量作用下的防撞性能指标图；