[发明专利]一种具有负泊松比效应的桥墩防撞设施及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的桥墩防撞设施及其设计方法，包括负泊松比反手性内凹结构框架、复合材料外壳、泡沫填充核心。由于负泊松比孔洞结构拉胀压缩的变形特性，使设施具有良好的吸能特性。负泊松比反手性内凹结构在反手性结构的基础上创造性的引入内凹角，使其在承受荷载时负泊松比效应更明显。在承受船舶撞击时，负泊松比结构框架在受压时发生横向收缩。由于泡沫填充核心对负泊松比框架收缩变形的缓冲作用，使防撞设施具有更长的应力平台段，相比正泊松比材料传统防撞设施，本发明的抗冲击耗能性能更好。此外，由于纤维增强复合材料轻质且耐腐蚀的特点，防撞设施可以漂浮在水面。

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比反手性内凹混合结构来设计具有负泊松比效应的桥墩防撞设施，使用玻璃纤维增强复合材料作为防撞外壳和内部负泊松比反手性内凹结构框架的基础材料，属于新材料新结构与复合材料的交叉领域。

背景技术

船-桥碰撞事故往往会导致桥墩受损、船舶破坏、人员伤亡、水上路上交通堵塞等，造成大量的经济损失，该问题受到国内外学者的广泛关注。具有材质软、质量轻、强度高、耐腐蚀等特点的纤维增强复合材料被用来制造自浮式桥墩防撞设施，目前已广泛应用于桥梁设计中。

负泊松比结构本身具有特殊的力学性能，在单轴压缩(拉伸)时发生横向收缩(膨胀)。在抗剪切、抗压痕、吸声和能量吸收等方面都有优异的表现。本发明创新性的将反手性结构与内凹六边形结构相结合，首次设计出一种新型的反手性内凹混合结构。该结构经有限元模拟发现具有较强的能量吸收能力。

本发明将负泊松比结构与复合材料相结合，利用负泊松比结构突出的能量吸收能力与纤维增强复合材料的高强轻质性能，设计出首个以纤维增强复合材料为基材的负泊松比自浮式桥墩防撞设施。

发明内容

本发明的目的是对现有桥墩防撞设施进行结构优化，以提高其对桥墩的保护，亦可拓展成任意类似的防撞吸能设施，并且提出了一种具有负泊松比效应的桥墩防撞设施及其设计方法。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的桥墩防撞设施，该桥墩防撞设施为围绕桥墩设置的环形装置，包括防撞外壳、内部框架和填充核心；

所述防撞外壳和内部框架的基材为玻璃纤维增强复合材料，所述填充核心为PU泡沫；

所述内部框架为反手性内凹结构框架，采用负泊松比反手性内凹单元的周期性排列；

所述防撞外壳长L和宽W的尺寸与所防护的桥墩大小相适配；

所述反手性内凹结构框架的肋凹角满足：90°≤θ≤180°；所述反手性内凹结构框架的胞元圆心距D与外壳长L的关系应满足：15≤L/D≤30；所述反手性内凹结构框架的胞元圆心距D与厚度t的关系应满足：5≤D/t≤10。

上述一种具有负泊松比效应的桥墩防撞设施的设计方法，包括以下步骤：

1)根据实际的桥墩尺寸来设计防撞外壳、反手性内凹结构框架和填充核心的尺寸，其中反手性内凹结构框架应满足θ角度的限制；

2)选用玻璃纤维增强复合材料作为防撞外壳和内部框架的基础材料，均为手糊法一次成型；

3)将预先切割好的PU泡沫填充到防撞外壳和内部框架中，制成具有负泊松比效应的自浮式桥墩防撞设施。

4)将该桥墩防撞设施包裹在桥墩周围，当桥墩承受船舶撞击时，首先由纤维增强复合材料防撞外壳首先承担荷载，再传递给内部结构，由于反手性内凹结构的负泊松比效应，内部框架受压收缩与泡沫核心相互挤压，起到了缓冲的作用，从而较大削弱了撞击力。