本發(fā)明屬于冰撞擊防護領(lǐng)域，具體指一種彈性自斜坡式流冰防護裝置。

背景技術(shù)：

我國是受冰災(zāi)害影響嚴重的國家，渤海海域多次發(fā)生海冰推倒海上平臺的事故，同時我國的黃河、松花江、黑龍江等都是流冰嚴重的河流，均發(fā)生過橋墩被流冰、冰排撞擊擠壓而發(fā)生的整體傾覆或局部破壞事故。針對冰撞擊的問題，100多年以來，人們進行了系統(tǒng)的研究，先后提出了防撞樁、防撞套箱等獨立式的防撞裝置，這類結(jié)構(gòu)一般規(guī)模龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高昂，同時該類結(jié)構(gòu)以自我犧牲的防護形式，阻擋流冰的撞擊，非常容易發(fā)生破壞；還有各類安裝于臨冰結(jié)構(gòu)上的破冰體，最常見的是錐形破冰體，其雖然可以減小冰荷載作用，但并不能有效避免結(jié)構(gòu)發(fā)生冰激振動；此外，斜坡式的臨冰結(jié)構(gòu)表面設(shè)計也是常用防冰手段，其原理是將冰排的直接擠壓撞擊過程，轉(zhuǎn)化成冰排爬坡自身發(fā)生彎曲破壞，這既可大幅降低水平冰荷載也可將大面積冰排進行破碎，防止其堆積阻塞，但該種防護方法和結(jié)構(gòu)形式，仍是一種冰排和結(jié)構(gòu)直接作用的硬碰硬式撞擊破壞過程，同樣會因為冰激動荷載而引起被防護結(jié)構(gòu)的強烈晃動。

現(xiàn)實中，冰激振動會引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞或上部設(shè)施的損壞，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，如何有效地減少冰荷載對結(jié)構(gòu)的擠壓、激振作用對于流冰嚴重水域的結(jié)構(gòu)安全防護十分必要。

本發(fā)明就是要解決以上問題，提供一種造價低、規(guī)模小的彈性防撞裝置，既適用于小塊流冰的撞擊防護，保證被防護結(jié)構(gòu)不發(fā)生劇烈晃動進而引起冰激振動破壞，還適用于大面積冰排擠壓防護，提供一種傾斜角度可控的斜坡式防護裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種流冰防護裝置，目的是提供一種適用于流冰和冰排防護、適應(yīng)水位變化、傾斜角度可控、避免結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈冰激振動的撞擊防護裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的彈性自斜坡式流冰防護裝置由面板、底板、橫梁、上橫桿、下橫桿、上橫桿彈簧、下橫桿彈簧、連接螺母、空心螺栓、限位螺母、面板滑槽、鉸接頭、桁架組成。

在不受外部荷載作用情況即初始狀態(tài)下，所述彈性自斜坡式流冰防護裝置的上/下橫桿彈簧均處于自由狀態(tài)，面板與底板平行且呈垂直狀態(tài)，上/下橫桿及橫梁呈水平狀態(tài)。

本發(fā)明所述面板為垂直布置的剛性板，其下端與水平布置的橫梁鉸接，上部通過面板滑槽和鉸接頭從下至下依次與水平布置的上橫桿和下橫桿相連。

所述橫梁為水平布置的剛性梁，一端與面板底部鉸接，另一端垂直固定于底板，橫梁長度保證不受外荷載作用下面板處于垂直狀態(tài)。

所述上橫桿和下橫桿均為圓截面剛性桿，一端通過鉸接頭與面板上的面板滑槽相連，另一端插入空心螺栓中。

所述空心螺栓套在上橫桿/下橫桿上，通過預(yù)留孔貫穿底板并固定于底板上，空心螺栓靠近面板的一端與上橫桿彈簧/下橫桿彈簧相連。

所述上橫桿彈簧/下橫桿彈簧套在上橫桿/下橫桿上，前端固定于連接螺母，后端固定于空心螺栓，上橫桿彈簧/下橫桿彈簧為均值彈簧，設(shè)計最大冰荷載作用時均處于彈性變形范圍內(nèi)，初始狀態(tài)下上橫桿彈簧/下橫桿彈簧均處于自由狀態(tài)。

所述連接螺母緊固在上橫桿/下橫桿前端，與上橫桿彈簧/下橫桿彈簧相連。

所述限位螺母緊固在上橫桿/下橫桿穿過底板的一側(cè)端部，用于限制上/下橫桿不從空心螺栓拔出，初始狀態(tài)下限位螺母與空心螺栓剛好接觸。

所述底板為垂直布置的剛性板，通過桁架連接于被防護結(jié)構(gòu)外表面。

所述鉸接頭一端與上/下橫桿鉸接，另一端嵌在面板滑槽中，可沿面板滑槽滑動，但不可拔出，鉸接頭與面板滑槽表面接觸光滑；

所述面板滑槽呈凸形，以面板垂直狀態(tài)下鉸接頭所在位置為起點，沿面板豎直方向向上布置，面板滑槽長度其中h1為設(shè)計高低水位差。

本發(fā)明以大面積冰排擠壓為設(shè)計荷載環(huán)境，首先應(yīng)獲得防護水域的設(shè)計高低水位差h1、設(shè)計冰排厚度d并計算豎向冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值fv。

本發(fā)明所述面板在上橫桿以上的部分，高度取為設(shè)計冰排的破碎長度，根據(jù)現(xiàn)有研究取為7.5d，其中d為設(shè)計冰排厚度；

上橫桿所在高度對應(yīng)于設(shè)計高水位，下橫桿所在高度對應(yīng)于設(shè)計低水位，即上橫桿與下橫桿的間距為已知的設(shè)計高低水位差h1；

根據(jù)現(xiàn)有研究為保證冰排發(fā)生彎曲破壞，減小水平冰荷載作用的同時保證冰排不發(fā)生越頂現(xiàn)象，冰排荷載作用過程中面板的傾斜角度控制在45°至60°之間最為適宜，為此本發(fā)明所述橫梁與下橫桿的間距h2取為0.5倍的設(shè)計高低水位差h1；上/下橫梁彈簧剛度均取為其中fv豎向冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

本發(fā)明各連接處摩擦作用可以忽略。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明以面板和橫梁鉸接形成可變角度的斜坡式防護結(jié)構(gòu)，以面板、彈簧、上/下橫桿及空心螺栓共同形成能量耗散系統(tǒng)，使面板與冰排的撞擊從剛性撞擊過程變成彈性撞擊過程，形成一個具有耗散碰撞能量的防護裝置，避免了冰排與被防護結(jié)構(gòu)的直接接觸，可有效減弱被防護結(jié)構(gòu)的冰激振動。

2、本發(fā)明通過防護水域冰荷載來設(shè)計橫梁與下橫桿的間距和上/下橫桿彈簧的剛度系數(shù)大小，保證了冰排作用過程中面板與水平面的夾角在45°至60°之間，進而可有效地控制冰排的破壞形式和冰荷載的組成。

3、本發(fā)明通過設(shè)計高低水位來設(shè)定上/下橫桿的間距，可以有效適應(yīng)冰期水位的變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述彈性自斜坡式流冰防護裝置初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中的a-a剖面示意圖；

圖3是圖1圓圈內(nèi)結(jié)構(gòu)的細部圖；

圖4是本發(fā)明所述彈性自斜坡式流冰防護裝置在冰荷載作用下結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明所述彈性自斜坡式流冰防護裝置在冰荷載作用下結(jié)構(gòu)受力圖。

圖中：1、面板；2、底板；3、被防護結(jié)構(gòu)表面；4、橫梁；5、下橫桿；6、上橫桿；7、下橫桿彈簧；8、上橫桿彈簧；9、鉸接頭；10、連接螺母；11、空心螺栓；12、限位螺母；13、桁架；14、冰排；15、面板滑槽。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和一個具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的彈性自斜坡式流冰防護裝置由面板1、底板2、橫梁4、下橫桿5、上橫桿6、下橫桿彈簧7、上橫桿彈簧8、鉸接頭9、連接螺母10、空心螺栓11、限位螺母12、桁架13、面板滑槽15組成。

如圖1所示，在不受外部荷載作用情況下，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，所述彈性自斜坡式流冰防護裝置的下橫桿彈簧7和上橫桿彈簧8均處于自由狀態(tài)，面板1與底板2、被防護結(jié)構(gòu)表面3平行且呈垂直狀態(tài)，下/上橫桿5、6及橫梁4呈水平狀態(tài)。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述面板1為垂直布置的剛性板，取為單位寬度1米，面板1下端與水平布置的橫梁4鉸接，上部通過面板滑槽15和鉸接頭9依次與水平布置的下橫桿5和上橫桿6相連；

如圖1所示，所述橫梁4為水平布置的剛性梁，一端與面板1底部鉸接，另一端垂直固定于底板2，橫梁4的長度l保證不受外荷載作用下面板1處于垂直狀態(tài)。

如圖1所示，所述上橫桿6和下橫桿5均為圓截面剛性桿，一端通過鉸接頭9與面板1上的面板滑槽15相連，另一端插入空心螺栓11中；

如圖1所示，所述空心螺栓11套在上橫桿6/下橫桿5上，固定于底板2上的預(yù)留孔，靠近面板1一端與上橫桿彈簧8/下橫桿彈簧7相連；

所述上橫桿彈簧8/下橫桿彈簧7分別套在上橫桿6/下橫桿5上，前端均固定于連接螺母10，后端連接于空心螺栓11；

所述連接螺母10緊固在上/下橫桿的前端，與上/下橫桿彈簧相連；

所述限位螺母12緊固在上/下橫桿穿過底板2的一側(cè)端部，用于限制上/下橫桿不從空心螺栓11拔出，當(dāng)限位螺母12與空心螺栓11接觸時，使面板1處于豎直狀態(tài)，上/下橫桿彈簧處于自由長度。

所述底板2為剛性板，通過桁架13連接于被防護結(jié)構(gòu)表面3。

如圖2和圖3所示，所述鉸接頭9一端與上/下橫桿鉸接，另一端嵌在面板滑槽15中，可沿面板滑槽15在面板1表面平行滑動，但不可拔出，鉸接頭9與面板滑槽15表面接觸光滑；

如圖2和圖3所示，所述面板滑槽15呈凸形，以面板1垂直狀態(tài)下鉸接頭9所在位置為起點，沿面板1豎直方向向上布置，面板滑槽15的長度其中h1為設(shè)計高低水位差。

如圖4所示，本發(fā)明以大面積的冰排14擠壓為設(shè)計荷載環(huán)境，首先應(yīng)獲得防護水域的設(shè)計高水位、設(shè)計低水位、設(shè)計冰排厚度d。

本發(fā)明所述面板1豎向分為三部分，上橫桿以上部分高度取為設(shè)計冰排14的破碎長度，根據(jù)現(xiàn)有研究取為7.5d；

上橫桿所在高度對應(yīng)于設(shè)計高水位，下橫桿所在高度對應(yīng)于設(shè)計低水位，即上橫桿與下橫桿的間距為設(shè)計高低水位差h1；

根據(jù)現(xiàn)有研究為保證冰排發(fā)生彎曲破壞，減小水平冰荷載作用同時保證冰排不發(fā)生越頂現(xiàn)象，冰排荷載作用過程中面板的傾斜角度在45°至60°之間最為適宜，為此本發(fā)明所述橫梁4與下橫桿5的間距h2取為0.5倍的設(shè)計高低水位差h1；即h2＝0.5h1；

上/下橫梁彈簧剛度均取為k＝0.6fvh1，其中fv豎向冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

結(jié)合圖5所示的受力狀態(tài)，本發(fā)明的設(shè)計原理如下：

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》，取設(shè)計冰排14作用于面板1的荷載為：

水平冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fh＝adσftanθ

豎向冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fv＝adσf

上兩式中，a為系數(shù)取0.1倍斜面寬度，本發(fā)明分析的是單位寬度面板受力，故取為0.1；d為設(shè)計冰排厚度；σf為冰的彎曲強度標(biāo)準(zhǔn)值；θ為冰排作用下面板與水平面的夾角。

已知h1為設(shè)計高低水位差，也是上/下橫桿的間距；h2為下橫桿與橫梁的間距。

根據(jù)鉸接頭9與面板1連接方式，可得上/下橫桿對面板1的作用力為：

式中，fh1、fv1分別為上橫桿對面板的水平作用力和豎向作用力；fh2、fv2分別為下橫桿對面板的水平作用力和豎向作用力；l1為上橫桿彈簧壓縮量；l2為下橫桿彈簧壓縮量；k為上/下橫桿彈簧剛度系數(shù)；

根據(jù)面板1與橫梁4間鉸接，當(dāng)冰排14作用在面板1上時，面板1發(fā)生傾斜，與水平面的夾角為θ，分析系統(tǒng)受力，可得：

上式中，h為冰排撞擊點距離面板1和橫梁4的鉸接點的垂直距離。

將式1代入式2，可得：

根據(jù)現(xiàn)有研究為保證冰排發(fā)生彎曲破壞，減小水平冰荷載作用同時保證冰排不發(fā)生越頂現(xiàn)象，本發(fā)明在冰排作用過程中面板1與水平面的夾角θ在45°至60°之間，取冰排在設(shè)計高水位情況下作用時(即h＝h1+h2)面板1與水平面的夾角θ＝45°；在設(shè)計低水位情況下作用時(即h＝h2)面板1與水平面的夾角θ＝60°。

代入式4，可以得到：

聯(lián)立以上兩式，即可得到：

h2＝0.5h1

k＝0.6fvh1

因此，以上參數(shù)設(shè)計就可滿足面板1在冰排14作用下傾斜角度在45°至60°之間，即確保冰排14發(fā)生的是彎曲破壞，以有效減少冰排水平荷載作用。

本發(fā)明通過彈簧螺栓與鉸接的接觸面設(shè)計，將上下橫桿彈簧和面板等組成一個可控制傾斜角度的彈性防撞裝置，將原本的剛性撞擊過程變成彈性撞擊過程，有效地耗散了碰撞能量，避免了冰排與被防護結(jié)構(gòu)的直接接觸，降低被防護結(jié)構(gòu)的冰激振動。是一種造價低、規(guī)模小，既適用于小塊流冰的撞擊防護，又適用于大面積冰排的擠壓防護。