基于圓柱橡膠密封氣墊雙箱體結(jié)構(gòu)防船撞擊裝置設(shè)計【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　基于圓柱橡膠密封氣墊雙箱體結(jié)構(gòu)防船撞擊裝置設(shè)計</p><p>　　摘要：雙箱體結(jié)構(gòu)的防船撞擊裝置是一種新的橋墩防撞裝置，正在逐漸成為橋梁防撞裝置中的主流。本文綜述了目前國內(nèi)外橋梁防撞的發(fā)展?fàn)顩r以及充氣橡膠護(hù)舷（墊）的應(yīng)用。闡

2、述了柔性耗能防撞裝置特別是雙箱體結(jié)構(gòu)防撞裝置的應(yīng)用和優(yōu)勢，分析了橡膠防撞圈在此類裝置中的應(yīng)用以及發(fā)展趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：柔性耗能；橋梁防撞；充氣橡膠護(hù)舷；雙箱體結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.橋梁防撞發(fā)展現(xiàn)狀[1][2]</p><p>　　20世紀(jì)人類明確提出防災(zāi)減災(zāi)的要求，在聯(lián)合國已組成相應(yīng)機(jī)構(gòu)，國內(nèi)的研究結(jié)果明確提出橋墩防撞裝置應(yīng)滿足下列要求：

3、</p><p>　　(1)防撞裝置能被橋梁、船舶運輸和港航管理三方</p><p><b>　　面共同接受。</b></p><p>　　(2)應(yīng)少占地方，不礙航。</p><p>　　(3)應(yīng)適應(yīng)水位變化的要求：枯水、洪水；漲潮、退潮。</p><p>　　(4)吸能能力要大，但更重要的是將船

4、的動能仍保留在船上，最新的辦法是防撞裝置將船頭撥歪，使船離開墩而不被鑲住，即不咬住船頭。</p><p>　　(5)撞后應(yīng)自行恢復(fù)，不需維修。</p><p>　　(6)該裝置應(yīng)安裝、施工方便，成本低，便于橋梁方在建橋時同時建設(shè)，現(xiàn)在一般可做到只占橋梁建設(shè)費用的5％左右。</p><p>　　(7)不因設(shè)置防撞裝置而增加新的問題，如回流沉積、妨礙捕撈養(yǎng)殖等。<

5、/p><p>　　歷史上使用過的防撞設(shè)施</p><p>　　80年代日本巖井·聰提出橋墩防護(hù)設(shè)施按設(shè)置地點(力的承受點)可分為直接構(gòu)造和間接構(gòu)造兩大類，直接構(gòu)造指其直接設(shè)置于橋墩上而言。每大類內(nèi)再按吸收船舶碰撞能量的方式分為彈性變形型、壓壞(彈塑性)變形型和變位(重力和阻力)型，其中有兩種可分為二型，故共8種型式如下表：</p><p>　　1991．年國際

6、橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(IABSE)將通常使用的橋墩保護(hù)結(jié)構(gòu)分為5類：</p><p><b>　　●防護(hù)板系統(tǒng)</b></p><p><b>　　●支撐樁系統(tǒng)</b></p><p><b>　　●系纜樁系統(tǒng)</b></p><p><b>　　●人工島或暗礁保護(hù)&l

7、t;/b></p><p><b>　　●浮動保護(hù)系統(tǒng)</b></p><p>　　按照橋、船和防撞設(shè)施三者損壞與不損壞來區(qū)分，可將防撞設(shè)施分為3類：</p><p>　　●保護(hù)橋墩，防撞設(shè)施也不會撞壞。例如加大的承臺、拋石人工島等，它的剛性很大，不變形，因而也不吸收能量，撞上去的船必須吸收全部的碰撞動能，這樣對船損壞最大。</p&

8、gt;<p>　　●保護(hù)橋墩的同時防撞設(shè)施會損壞。例如歐洲內(nèi)陸河流使用較多的木板圍欄、木樁圍欄、壓壞沉箱、浮動吸能結(jié)構(gòu)等。壓壞變形就是吸能過程，防撞設(shè)施吸收了一部分船的動能，船的壓壞變形便相應(yīng)少一些。</p><p>　　●保護(hù)橋墩、保護(hù)船的同時防撞設(shè)施也不壞。例如1995年提出的三不壞吸能防撞裝置(以前有雛形)</p><p>　　2.雙箱體結(jié)構(gòu)柔性防撞裝置</p&g

9、t;<p>　　2.1從兩不壞到三不壞的飛躍</p><p>　　最古老的橋墩防撞人工島，可以保護(hù)橋不壞，而且人工島也是撞不壞的，自古以來就是兩不壞。但船壞了總不是個事，北歐很早就用木板或原木保護(hù)橋墩，由于木材易變形，以求保護(hù)橋的同時也保護(hù)船，這就是三不壞的思想，那時船較小(直到現(xiàn)在歐洲內(nèi)河仍有使用，木板、木樁也不需頻繁修、換。</p><p>　　巖井·聰 說的壓

10、壞變形型，現(xiàn)在用得較多，它在船側(cè)撞墩時起較好的作用。如果防撞裝置和船體都變形，變形能由防撞裝置分擔(dān)了一部分，船的損壞輕了。但若船頭較小、較尖，撞上時鑲?cè)虽摻Y(jié)構(gòu)格子內(nèi)，全部的動能都由壓壞變形吸收；若船較大，防撞裝置的比例小，則需由船體變形吸收大量的動能，船的破壞就大了。</p><p>　　三不壞的原理就是分析了撞來船的能量很大，但只要能將船頭撥開(不鑲住)，能量仍保留在船上而參加交換的能量就很小。要能撥開船頭必須

11、防撞裝置后退，這樣就要求防撞系統(tǒng)的“力一變形”曲線是凹形的，即曲線的二次導(dǎo)數(shù)Y >o，這就是船撞上來時反力很小變形很大。</p><p>　　2.2 柔性防撞的物理意義[3]</p><p>　　橋墩柔性防撞的物理意義是指初撞時反力小位移大、吸能大、反力作功小．其中初撞時反力小位移大是容易實現(xiàn)的，用中空的管狀或圈狀的防撞元件便可以了，它的“力一位移”曲線(F-AL 曲線)的數(shù)學(xué)特征是

12、凹曲線， 即二階導(dǎo)數(shù)大于零(Y >0)．但要同時吸能大，就不能用橡皮管、橡皮圈，因為橡皮彈性好、吸能少，基本上沒有能量耗散．圖1(a)為橡膠廠給用戶提供的碰墊的“力一位移”曲線(只有上升段，而且是用靜載荷作出的)，凸曲線為鼓形碰墊，凹曲線為管形碰墊．可以看出中空的管狀或圈狀的防撞元件已經(jīng)實現(xiàn)初撞時反力小位移大．圖1 )是筆者研制的鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈的“力．位移”曲線，包括吸能(上升段)和放能(下降段)兩個部分．</p>

13、;<p>　　圖1 橡膠碰墊和耗能防撞圈的“力．位移”曲線</p><p>　　圖2是動態(tài)的“力．位移”曲線，圖中的曲線上升和下降段包絡(luò)的面積代表消耗的能，圖2(a)是橡膠鼓形碰墊，可以看出橡膠元件消耗的能很少．</p><p>　　于是研究出鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈，其“力一位移”曲線見圖2(b)，它上升和下降段包絡(luò)的面積很大，能消耗70％~85％左右的能．回程曲線與橫坐標(biāo)包絡(luò)

14、的面積代表回程時作用到船上的功．可以看出鼓形碰墊這部分比例很大；鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈與鼓形碰墊相反，回程作用到船上的功很少</p><p>　　圖2 動態(tài)“力．位移”曲線(圍著的面積代表耗能)</p><p>　　2.3 從單個吸能圈到防撞裝置[4]~[7]</p><p>　　現(xiàn)在生產(chǎn)的鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈，大號的每個吸能10，000J~50，000J，要成百上千

15、個才能實現(xiàn)橋墩防撞，于是在防撞圈之外作一鋼圍，一方面將船撞上來的力及時分布到各個防撞圈，另一方面將船頭滑開．因此，這一外鋼圍必須強(qiáng)度大、剛性好．圖3是一段外鋼圍連同4個和8個防撞圈組成的1：1分段的動態(tài)“力一位移”圖，4個圈的是單層，8個圈的是雙層．單層的后退400MM左右，雙層的后退800MM左右．說明4個圈在單層鋼圍的作用下得到聯(lián)動，雙層的分段在雙層鋼圍的作用下也得到聯(lián)動．</p><p>　　圖3 防撞裝置

16、分段的“力一位移”圖(有外鋼圍)</p><p>　　3.柔性耗能防撞裝置應(yīng)用實例[8]~[11]</p><p>　　橋梁的橋墩和其他水中柱樁防船撞的裝置從力學(xué)和吸能的角度可分為：彈性防撞元件、彈塑性防撞元件和粘性防撞元件三種。上海民生路渡口裝設(shè)的兩船進(jìn)出航道當(dāng)中的分隔樁，樁外有較大的鋼圍，樁與鋼圍之間裝設(shè)橡膠管，這橡膠管就是彈性的防撞元件；上海奉浦大橋主航道兩邊橋墩承臺周圍裝設(shè)的鋼管浮

17、式防撞裝置，其中的鋼管就是彈塑性的防撞元件；在這兩種元件的基礎(chǔ)上發(fā)展出粘性防撞元件，它可以有液態(tài)的、氣態(tài)的和固態(tài)的形式。湛江海灣大橋用的是固態(tài)的粘性防撞元件，是由鋼絲繩圈和橡膠復(fù)合制成的，它的性能有點像濕面團(tuán)，初受載時變形很大，這就顯示了充分的柔性，卸載時曲線陡降，這樣上升下降回線包圍的面積很大，那么消耗掉的能量就很大，占到輸入功的60％以上，受沖擊后不立刻反彈。</p><p>　　湛江海灣大橋的防撞設(shè)施一個橋

18、墩使用幾百個防撞圈(見圖2)，每個防撞圈消耗能量幾萬焦耳，外面用鋼圍使這幾百個圈同期作用，以對付幾萬噸的大船，在受撞之后實現(xiàn)船頭與防撞裝置表面的相對滑動，撥開船頭，使船的動能保留在船上而只有少部分參加交換。這樣就在世界上第一次實現(xiàn)了對5萬噸船的柔性防撞，第一次建造出一個浮式的、能降低撞擊力的高耗能防撞裝置。</p><p><b>　　橋墩柔性防撞裝置圖</b></p><

19、;p>　　4.鼓型橡膠護(hù)舷應(yīng)用</p><p>　　傳統(tǒng)橡膠護(hù)舷[12]~[16]</p><p>　　M型橡膠護(hù)舷防撞裝置</p><p>　　菠蘿廟船廠碼頭原配置M型橡膠護(hù)舷防撞裝置，現(xiàn)在碼頭從靠泊35 000 DWT船舶提升至76 000 DWT船舶，防撞裝置主體M型橡膠護(hù)舷能否滿足使用要求，通過驗算船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊力予以求證。</p>

20、<p><b>　　1) 船舶撞擊力</b></p><p>　　船舶撞擊力按76 000 DWT船舶控制。</p><p>　　船舶靠岸時的有效撞擊能量按下式計算</p><p>　　E0=ρ／2×MVn ²</p><p>　　式中：E0——船舶的有效撞擊能量(kJ)</p>

21、<p>　　P— — 有效動量系數(shù)，取0．8</p><p>　　M——空載船舶質(zhì)量(t)，按76 000 DWT船舶計算M =16410t</p><p>　　Vn—— 船舶靠岸時的法向速度(m／s)，取0．08 m／s</p><p><b>　　E0=42.0KJ</b></p><p>　　從計算結(jié)

22、果得知76 000 DWT船舶靠泊時產(chǎn)生的撞擊動能是42．0 kJ。</p><p>　　2)M型橡膠護(hù)舷力學(xué)性能</p><p>　　碼頭目前使用的是M型600H×1 500L橡膠護(hù)舷，標(biāo)準(zhǔn)反力為R=637．5 kN，標(biāo)準(zhǔn)變形下吸能量為150 kJ， 能滿足76 000 DWT船舶靠泊的使用要求。</p><p>　　3)M型橡膠護(hù)舷的結(jié)構(gòu)</p&

23、gt;<p>　　M型橡膠護(hù)舷屬拱型結(jié)構(gòu)見圖l，其頂部比較寬，頂部的中間還設(shè)有一個U型溝， 使護(hù)舷的頂部有較大的表面積， 當(dāng)船舶靠泊碼頭時，護(hù)舷施加船體的面壓較低，對船體有較好的保護(hù)。</p><p>　　但是受到船舶的撞擊時，會產(chǎn)生較大的不規(guī)則的變形，容易與沖壓過來的船體發(fā)生局部貼服， 在較大的摩擦力作用下，受船的拉動被撕裂，出現(xiàn)早期破壞。M6OOH×1 500L橡膠護(hù)舷只需6根固定螺栓

24、，所以安裝較方便。由于護(hù)舷本體重量達(dá)800 kg，連同安裝配件的總價格偏高。</p><p>　　5.充氣護(hù)舷的應(yīng)用[17]~[22]</p><p>　　隨著運輸船舶日趨大型化，對海上靠泊安全性的關(guān)注也提高到一個新的高度。原先使用的壓縮型橡膠護(hù)舷已不能滿足高沖撞能量吸收的需要，于是充氣護(hù)舷應(yīng)運而生。</p><p>　　充氣護(hù)舷利用壓縮空氣作緩沖介質(zhì)。當(dāng)船舶沖撞擠

25、壓時，它會柔和地變形，不僅吸收能量大，而且作用于船舶的反壓力很均勻，不會損傷船體及其涂層。所以它比起單純依靠壓縮彈性的橡膠護(hù)舷來說具有顯著的優(yōu)點。</p><p><b>　?。?） 高吸收能量</b></p><p>　　吸收能量的大小是護(hù)舷器具的主要技術(shù)性能指標(biāo)。隨著船舶噸位的增長，靠泊作業(yè)時，船舶接觸岸壁或其它船只的沖撞能量也成倍地增長。巨大的沖撞能量必須依賴于

26、護(hù)舷的充分變形及足夠的接觸面積來吸收。充氣護(hù)舷的壓縮變形量可達(dá)到60 以上，而且接觸面積隨著變形而迅速擴(kuò)大，其吸收能量的能力遠(yuǎn)較其它護(hù)舷大得多。</p><p><b>　?。?） 超低反壓力</b></p><p>　　充氣護(hù)舷中充的是低壓氣體，在壓縮變形中內(nèi)壓的提高很有限。由于接觸面積大，作用于船體表面的單位壓力很低．每平方米只有120kN，與其它護(hù)舷器具相比較，

27、就不是一般的低反壓力了。</p><p>　?。?） 傾斜接觸的適應(yīng)性好</p><p>　　對船舶來說，必須要有一定角度接岸、接舷的可能性。充氣護(hù)舷對傾斜接觸來說，其適應(yīng)性要比其它護(hù)舷高得多。</p><p>　?。?） 浮于水面，船舶搖擺都能適用充氣護(hù)舷浮于水面，隨著海潮漲落相對于船舷的位置不會改變。尤其是船舶隨著海浪起伏搖擺時，圓筒形的充氣護(hù)舷隨著滾動，磨擦力

28、很小。因而不會傷船體表面的涂層，而且還能起到減搖減振的作用。</p><p>　　6．結(jié)語[23][24]</p><p>　　鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈能達(dá)到柔性和高吸能；在眾多防撞圈的外面包絡(luò)強(qiáng)的外鋼圍能使這些防撞圈達(dá)到高的受力同期性；外鋼圍尖形，能滑開船頭，使大部分動能保留在船上而不參與交換．實現(xiàn)了橋墩柔性防撞．</p><p>　　我要研究的課題是基于圓柱橡膠密封

29、氣墊雙箱體結(jié)構(gòu)防船撞擊裝置設(shè)計。該課題主要研究方向就是用圓柱橡膠密封氣墊來代替鋼絲繩復(fù)合耗能防撞圈。由于大型船舶的撞擊能量非常大，而充氣氣墊最大的特點就是可以吸收巨大的能量，同時對船舶的反壓力均勻。因此，圓柱橡膠密封氣墊在橋梁防撞裝置的設(shè)計中會有不錯的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]陳國虞.防御船撞橋的新裝置及其機(jī)理

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