一种桥墩滑块释能结构及计算方法与流程

1.本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种桥墩滑块释能结构及计算方法。


背景技术：

2.随着中国基础设施建设不断向山区发展，山区的桥墩是桥梁工程中的薄弱环节，雨季发生后位于高山峡谷地区的桥梁经常受到地质灾害的威胁，包括漂浮物撞击、泥石流冲刷等，其可能导致桥墩产生损伤与破坏，因为暴雨或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流，对于对桥墩具有威胁的滚石，
3.其巨大冲击力作用在桥墩上，可使桥墩发生位移或损伤。
4.解决上述问题的现有技术中，大多采用防护装置，防护装置依然会将力传递给桥墩，本质上没有解决桥墩承受冲击力的现状。
5.再如，在桥上采用压重的方式，增加桥墩的基底摩擦力，如2020年8月17日，四川省绵阳市两列重载货物列车分别被机车推上宝成铁路上下行涪江大桥，应对洪峰过境。但是这种方式，会影响桥上正常交通，而且不具备时效性。
6.因此，需要提供一种新型桥墩防护结构。


技术实现要素：

7.本发明针对上述问题，提供一种桥墩滑块释能结构及计算方法，其利用滑块提供的反力抗击桥墩受到的冲击力。
8.本发明的技术方案为：一种桥墩滑块释能结构，设置于桥梁的上游，包括底座和滑块；底座包括呈三角状间隔设置的一号抗滑桩、二号抗滑桩和三号抗滑桩，一号抗滑桩靠近桥墩设置，二号抗滑桩和三号抗滑桩远离桥墩设置，每两个抗滑桩之间的距离均相等，底座还包括三根连接梁，三根连接梁将三根抗滑桩两两对应相连；拉绳一端连接滑块，拉绳的另一端绕过二号抗滑桩或三号抗滑桩后与设置在桥墩上的连接件连接；滑块放置在沟道内，洪水或固体物质冲击滑块后可使滑块拉动拉绳，拉绳给桥墩施加反向与水流方向相反的力。
9.可选的，拉绳可以设置若干个，每根拉绳可以连接若干个滑块。
10.可选的，连接梁之间设置若干横梁。
11.可选的，二号抗滑桩和三号抗滑桩上侧外部均套设有可转动的滚筒。
12.可选的，二号抗滑桩与三号抗滑桩间的连线方向用于垂直于水流方向。
13.可选的，拉绳为钢丝绳。
14.本发明提供的上述桥墩防护结构，在有洪水或冲击物产生时，洪水或冲击物对滑块产生冲击，滑块的受力通过拉绳传递给桥墩，从而对桥墩作用一个与水流方向相反的力，可以抵消洪水或冲击物对桥墩的冲击力，达到通过洪水或冲击物的冲击起到保护桥墩的作用。在抗滑桩的外表面设置滚筒，使得洪水或冲击物在冲击滑块，使拉绳与抗滑桩之间的摩擦为滚动摩擦，避免拉绳与抗滑桩之间产生滑动摩擦，减小拉绳在多次往复摩擦中产生的
损坏、起到保护拉绳和抗滑桩的作用，延长他们的使用寿命。三个抗滑桩通过连接梁、横梁连接为一体式的结构，能够避免各个抗滑桩单独受力，使得防护结构整体更加稳定。
15.一种桥墩滑块释能结构的计算方法，其中，一号抗滑桩靠近桥墩设置，二号抗滑桩和三号抗滑桩远离桥墩设置，水平面内过一号抗滑桩且垂直于水流方向的直线为基准方向，一号抗滑桩与二号抗滑桩之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，一号抗滑桩与三号抗滑桩之间的连线与基准方向之间的夹角为第二夹角，二号抗滑桩与三号抗滑桩受到拉绳的作用力，滑块防护结构的计算方法用于计算上述的桥墩滑块释能结构的底座最稳定时，第一夹角的大小；
16.计算方法包括以下步骤：
17.根据每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力，计算底座能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；
18.根据三个抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；
19.对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为底座最稳定时的第一夹角的大小，亦即防护效果最佳时的第一夹角的大小。本发明提供的上述计算方法，能够根据抗滑桩的抗拔力得到按何种角度设置底座使桥墩滑块释能结构最稳定，有利于优化防护效果。
20.可选的，抗倾覆力矩为：
21.w＝flsina flsinb
22.其中，w为抗倾覆力矩；
23.f为每根抗滑桩能够提供的最大抗拔力；
24.l为两根抗滑桩的桩心间距；
25.a为第一夹角；
26.b为第二夹角，b＝120
°‑
a。
27.可选的，当a＝60
°
时，w达到最大值，底座最稳定。
28.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：洪水发生后，滑块受到冲击物的冲击后产生拉力，拉力通过拉绳反向传递给桥墩，对桥墩作用与水流方向相反的拉力，从而抵消一部分桥墩受到的冲击力，起到保护桥墩的作用，实现“以毒攻毒”的效果。
29.通过连接梁、横梁将三个抗滑桩固定连接为一体，使得底座整体更加稳定，避免倾覆。
30.本发明提供的桥墩滑块释能结构的计算方法，能够得到底座最稳定时，防护结构的位置角度，从而对桥墩提供更加有力的防护。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的桥墩滑块释能结构的俯视图。
32.图2是本发明实施例提供的桥墩滑块释能结构在竖直面内的示意图。
33.图3是本发明实施例提供的桥墩防护结构在受到冲击物冲击时的示意图。
34.图4是本发明实施例提供的桥墩防护结构在第一夹角取值任意时的简化受力示意图。
35.图5是本发明实施例提供的桥墩防护结构在第一夹角取值60
°
时的简化受力示意
图。
36.图标：；1
‑
沟道；2
‑
桥墩；21
‑
连接件；22
‑
拉绳；23
‑
滑块；3
‑
冲击物；4
‑
底座；41
‑
一号抗滑桩；42
‑
二号抗滑桩；43
‑
三号抗滑桩；44
‑
连接梁；45
‑
滚筒；46
‑
横梁。
具体实施方式
37.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
38.实施例
39.请参阅图1
‑
图5，本发明实施例提供了一种桥墩滑块释能结构，设置于桥梁的上游，包括底座4和滑块23。底座4包括呈三角状间隔设置的一号抗滑桩41、二号抗滑桩42和三号抗滑桩43，一号抗滑桩41靠近桥墩2设置，二号抗滑桩42和三号抗滑桩43远离桥墩2设置，每两个抗滑桩之间的距离均相等，是指抗滑桩的桩心之间的距离，即，两个抗滑桩的中轴线之间的距离，可知，每两个抗滑桩之间的距离均相等，则三个抗滑桩的中轴线在水平面上的投影形成三个点，且这三个点为等边三角形的三个顶点。底座4还包括三根连接梁44，三根连接梁44将三根抗滑桩两两对应相连，具体的，连接梁44端部与抗滑桩固定相连。则可以理解的是，三根连接梁44在水平面上的投影构成等边三角形的三个边。二号抗滑桩42和三号抗滑桩43上侧外部均套设有可转动的滚筒45。连接梁44之间设置若干横梁46。拉绳22可以设置若干个，每根拉绳22可以连接若干个滑块23。拉绳22为钢丝绳。
40.在其他实施例中，连接梁44的数量也可以多于三根，例如，在每两个抗滑桩之间设置两根或两根以上的连接梁44，使防护结构整体的稳定性得到进一步加强，如此，则连接梁44的数量为六根、九根等。
41.沿抗滑桩的上下方向，连接梁44与滚筒45间隔设置，使得滚筒45与连接梁44之间互不干涉。
42.拉绳22一端连接滑块23，拉绳22的另一端绕过二号抗滑桩42或三号抗滑桩43后与设置在桥墩2上的连接件21连接；滑块23放置在沟道1内，洪水或固体物质冲击滑块23后可使滑块23拉动拉绳22，拉绳22给桥墩2施加反向与水流方向相反的力。
43.进一步的，二号抗滑桩42与三号抗滑桩43间的连线方向垂直于水流方向，换言之，二号抗滑桩42与三号抗滑桩43受到拉绳22的作用力方向与水流方向平行。
44.本发明提供的上述桥墩2防护结构，在有洪水或冲击物3产生时，洪水或冲击物3对滑块23产生冲击，滑块23的受力通过拉绳22传递给桥墩2，从而对桥墩2作用一个与水流方向相反的力，可以抵消洪水或冲击物3对桥墩2的冲击力，达到通过洪水或冲击物3的冲击起到保护桥墩2的作用。在抗滑桩的外表面设置滚筒45，使得洪水或冲击物3在冲击滑块23，使拉绳22与抗滑桩之间的摩擦为滚动摩擦，避免拉绳22与抗滑桩之间产生滑动摩擦，减小拉绳22在多次往复摩擦中产生的损坏、起到保护拉绳22和抗滑桩的作用，延长他们的使用寿命。三个抗滑桩通过连接梁44、横梁46连接为一体式的结构，能够避免各个抗滑桩单独受力，使得防护结构整体更加稳定。
45.本发明实施例还提供一种桥墩2滑块23释能结构的计算方法，其中，一号抗滑桩41靠近桥墩2设置，二号抗滑桩42和三号抗滑桩43远离桥墩2设置，水平面内过一号抗滑桩41且垂直于水流方向的直线为基准方向，一号抗滑桩41与二号抗滑桩42之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，一号抗滑桩41与三号抗滑桩43之间的连线与基准方向之间的夹
角为第二夹角，二号抗滑桩42与三号抗滑桩43受到拉绳22的作用力，滑块23防护结构的计算方法用于计算上述的桥墩2滑块23释能结构的底座4最稳定时，第一夹角的大小；
46.计算方法包括以下步骤：
47.步骤一、根据每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力，计算底座4能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；
48.根据三个抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；具体的，假设每个抗滑桩能够提供的最大抗拔力为f，绕一号抗滑桩41倾覆时，一号抗滑桩41的抗滑力的力臂为0，所产生的力矩为0。
49.对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为底座4最稳定时的第一夹角的大小，亦即防护效果最佳时的第一夹角的大小。本发明提供的上述计算方法，能够根据抗滑桩的抗拔力得到按何种角度设置底座4使桥墩2滑块23释能结构最稳定，有利于优化防护效果。
50.故抗倾覆力矩为二号抗滑桩42和三号抗滑桩43的力矩之和：
51.w＝flsina flsinb
52.其中，w为抗倾覆力矩；
53.f为每根抗滑桩能够提供的最大抗拔力；
54.l为两根抗滑桩的桩心间距；
55.a为第一夹角；
56.b为第二夹角，b＝120
°‑
a。
57.步骤二、根据三个所述抗滑桩之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；
58.由于三个抗滑桩的桩间距相等，一号抗滑桩41、二号抗滑桩42和三号抗滑桩43在水平面内的投影形成等边三角形结构，则第一夹角与第二夹角之和为120
°
，故有b＝120
°‑
a，且a的取值范围为[0
°
，120]，则：
[0059]
w＝flsina flsin(120
°‑
a)
[0060]
步骤三、对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为防护支架4最稳定时的第一夹角大小，亦即为防护效果最佳时的第一夹角的大小；
[0061]
具体的，由于抗拔力f与桩心间距l为已知定值，因此只需求sina sin(120
°‑
a)的最大值。
[0062][0063]
对求导，得到在区间[0，60
°
)，的值大于0；区间(60
°
，120
°
]，的值小于0；60
°
处，的值等于0。
[0064]
则，在第一夹角a的取值为[0，60
°
)的范围内递增，第一夹角a的
取值在(60
°
，120
°
]的范围内递减，第一夹角a等于60
°
处取得最大值。
[0065]
即，第一夹角a为60
°
时，抗倾覆力矩最大，防护支架4最稳定。
[0066]
可以理解的是，由于在[0，60
°
)的范围内递增，在(60
°
，120
°
]的范围内递减，换言之，第一夹角a的取值在[0，60
°
)时，底座4的抗倾覆力矩递增，在(60
°
，120
°
]时，底座4的抗倾覆力矩递减，第一夹角a的取值越接近60
°
，防护支架4越稳定。那么，若施工现场环境存在不利条件，使得第一夹角a无法刚好被设置为60
°
，结合施工现场环境，优选使第一夹角a的取值尽可能靠近60
°
。
[0067]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：洪水发生后，滑块23受到冲击物3的冲击后产生拉力，拉力通过拉绳22反向传递给桥墩2，对桥墩2作用与水流方向相反的拉力，从而抵消一部分桥墩2受到的冲击力，起到保护桥墩2的作用，实现“以毒攻毒”的效果。
[0068]
通过连接梁44、横梁46将三个抗滑桩固定连接为一体，使得底座4整体更加稳定，避免倾覆。
[0069]
本发明提供的桥墩2滑块23释能结构的计算方法，能够得到底座4最稳定时，防护结构的位置角度，从而对桥墩2提供更加有力的防护。