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CN111560888B - 一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构 - Google Patents

一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构 Download PDF

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CN111560888B CN202010446161.9A CN202010446161A CN111560888B CN 111560888 B CN111560888 B CN 111560888B CN 202010446161 A CN202010446161 A CN 202010446161A CN 111560888 B CN111560888 B CN 111560888B
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  • Structural Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构，包括安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层，安全岛外包混凝土层为安全岛的主体成型结构，安全岛FRP防护层通过灌浆液与安全岛外包混凝土层的外层连接在一起；FRP防护层包括FRP板、橡胶混凝土层和聚氨酯泡沫层。本发明设计的聚氨酯泡沫蜂窝结构层，改良橡胶混凝土的弹性性能；聚氨酯泡沫作为橡胶混凝土中的分层结构能够对橡胶混凝土受到冲击后的力学性能进行有效吸收，提高了防撞结构的耗能特性；本发明基于FRP和聚氨酯泡沫填充蜂窝状橡胶混凝土收费站安全岛结构采用一体化成型技术能够进快速施工，对收费站安全岛进行显著的技术改进。

Description

一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构
技术领域
本发明涉及一种用于高速公路收费站的安全岛防撞结构，属于公路防撞技术、公路工程及复合材料技术领域，尤其涉及一种基于FRP-蜂窝状橡胶混凝土-聚氨酯泡沫复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构。
背景技术
现有的收费站安全岛多是采用混凝土外涂警示图案进行预警，实际并无防撞的功能。
中国专利CN201210489018.3公开了一种缓冲吸能型安全岛防撞岛头，包括防撞单元、连接件和紧固件，所述安全岛防撞岛头由一个或多个防撞单元通过连接件组合而成，并通过紧固件固定在路面或安全岛端头位置，防撞单元包括外壳和设置于外壳内的填充材料体构成；所述外壳包括复合材料面层，所述填充材料体包括空间格构体和耗能材料，空间格构体由纤维腹板布置而成，耗能材料位于空间格构体内部空隙和/或空间格构体与外壳的内壁之间。该技术在实现缓能防撞的结构上，主要是采用了一系列的防撞单元与缓能材料在安全岛防撞岛头处，这样的结构往往是一种包覆形式，并不属于整体结构，在技术实践中会存在整体性能差，防撞力度小，缓冲能量小等诸多不足。
综上分析，现有的安全岛防撞多是采用警示并无实际缓能防撞的结构，考虑到安全岛本身具备一定的抗撞击能力，因此设计一种整体式缓能防撞结构对安全岛和冲击物体本身进行双重保护也是有必要的。纤维增强塑料简称FRP，FRP凭借强度高、质量轻、耐腐蚀等优点被广泛应用于建筑施工领域。本发明将FRP与橡胶混凝土配合使用，并结合聚氨酯泡沫将多重防撞结构层作为一个整体应用在安全岛结构上，以提高安全岛的整体防撞性能。
发明内容
本发明的目的在于设计了一种基于FRP-蜂窝状橡胶混凝土-聚氨酯泡沫复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构，该结构与收费站安全岛一体成型，主要解决安全岛混凝土模板复杂、施工工期长、耐久性不足、刚度过大、安全性较差、破损后修复困难且修复成本高等问题。并且本发明设计的结构能够对收费站安全岛进行有效围护。防撞结构采用FRP包裹层、聚氨酯泡沫层及橡胶混凝土层组成的蜂窝缓冲层、混凝土填筑层三重结构，在受到冲击时形成撞击缓冲区、撞击力变形区、撞击力约束区三部分，将撞击能量分散在FRP包裹层-聚氨酯泡沫层及橡胶混凝土层组成的蜂窝缓冲层的周向，对车辆和安全岛结构进行双重保护。
本发明采用的技术方案为一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构，包括安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层4，安全岛外包混凝土层4为安全岛的主体成型结构，安全岛FRP防护层通过灌浆液与安全岛外包混凝土层4的外层连接在一起；FRP防护层包括FRP板1、橡胶混凝土层2和聚氨酯泡沫层3。两层FRP板1将橡胶混凝土层2进行包裹，橡胶混凝土层2中设有多层离散分布的填充孔，填充孔中填筑有由聚氨酯泡沫组成的聚氨酯泡沫层3。
进一步地，所述安全岛FRP防护层的外形与安全岛外包混凝土层4的外形相同。
进一步地，FRP板1由多层各向异性的FPR布叠合而成，相邻各层的FPR布方向并不相同，FPR布的连续纤维选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。各层FPR布通过热熔工艺成型。
进一步地，所述安全岛FRP防护层的厚度不大于安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层4总厚度的25％。
与现有技术相比较，本发明安全岛FRP防护层包括安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层，安全岛外包混凝土层为安全岛的主体成型结构，本发明设计的聚氨酯泡沫蜂窝结构层，进一步改良了橡胶混凝土的弹性性能，预先固定的聚氨酯泡沫埋设在橡胶混凝土中，形成蜂窝状结构；聚氨酯泡沫作为橡胶混凝土中的分层结构能够对橡胶混凝土受到冲击后的力学性能进行有效吸收，提高了防撞结构的耗能特性；本发明基于FRP和聚氨酯泡沫填充蜂窝状橡胶混凝土收费站安全岛结构采用一体化成型技术能够进快速施工，对收费站安全岛进行显著地技术改进。
附图说明
图1：安全岛FRP板结构示意图。
图2：安全岛FRP板和橡胶混凝土填充材料结构示意图。
图3：防撞结构和FRP形成的一个闭环结构。
图4：采用防撞装置的安全岛和未采用防撞构件的安全岛撞击试验的撞击力时程曲线。
图中：1—FRP板，2—橡胶混凝土层，3-聚氨酯泡沫层，4-安全岛混凝土层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1-3所示，一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构，包括安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层4，安全岛外包混凝土层4为安全岛的主体成型结构，安全岛FRP防护层通过灌浆液与安全岛外包混凝土层4的外层连接在一起；FRP防护层包括FRP板1、橡胶混凝土层2和聚氨酯泡沫层3。两层FRP板1将橡胶混凝土层2进行包裹，橡胶混凝土层2中设有多层离散分布的填充孔，填充孔中填筑有由聚氨酯泡沫组成聚氨酯泡沫层3。
进一步地，所述安全岛FRP防护层的外形与安全岛外包混凝土层4的外形相同。
FRP防护层包括FRP板1、橡胶混凝土层2和聚氨酯泡沫层3。两层FRP板1将橡胶混凝土层2进行包裹，橡胶混凝土层2中设有多层离散分布的填充孔，填充孔中填筑有由聚氨酯泡沫组成聚氨酯泡沫层3。
进一步地，FRP板1由多层各向异性的FPR布叠合而成，相邻各层的FPR布方向并不相同，FPR布的连续纤维选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。各层FPR布通过热熔工艺成型。FRP板1是由不同方向的FRP布叠合起来，然后热熔成型的。FRP是各向异性材料，FRP布的方向为0°、45°、90°，将这些不同方向的FRP布叠合起来，就能形成各个方向性能比较均匀的FRP板。
进一步地，所述安全岛FRP防护层的厚度不大于安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层4总厚度的25％。
进一步地，该结构的施工过程如下，
S1、在收费站安全岛进行施工时，在收费站安全岛外侧预留出安全岛FRP防护层的成型位置；
S2、在工厂预制安全岛FRP防护层，按照收费站安全岛的形状加工安全岛FRP防护层，采用FRP布和热固性树脂进行热熔成型形成FRP板1；安全岛FRP防护层的两层FRP板1之间为中空结构，FRP板1的外形按照收费站安全岛的外形制作；在两层FRP板1之间的中空位置处分散安装固定聚氨酯泡沫层，各个聚氨酯泡沫层的聚氨酯泡沫采用细长圆柱状结构，完成FRP板1、聚氨酯泡沫层的固定安装，在两层FRP板1之间灌注配置好的橡胶混凝土，完成安全岛FRP防护层的制作。
S3、将安全岛FRP防护层吊放至收费站安全岛的外侧作为成型外模板，固定收费站安全岛的内模板，在内外模板之间绑扎钢筋后灌注外包混凝土层，完成对收费站安全岛主体结构的成型。
具体地，根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP板1中连续纤维和热固性树脂的复合比，使FRP板1承受汽车时速不大于100km/h产生的冲击力(撞击力)。
所述的FRP板1与橡胶混凝土层2之间为撞击缓冲区，橡胶混凝土层2和聚氨酯泡沫层3之间组成撞击力变形区，安全岛外包混凝土层4的内壁为撞击力约束区，对于车辆和安全岛形成双层有效保护。
橡胶混凝土填充材料中加入的橡胶粒可以对其内部结构起到更好的填充作用，提高混凝土结构密实性；橡胶粒在混凝土的内部也会形成结构变形中心，可以吸收应变能，抑制冲击荷载作用下的裂缝的形成与发展。采用抗冲击性很好的橡胶混凝土填充材料，车辆撞击安全岛混凝土后破损后少，容易进行修补和局部更换，大大减少了施工成本。
聚氨酯泡沫作为橡胶混凝土中的分层结构能够对橡胶混凝土受到冲击后的力学性能进行有效吸收，降低了后期的更换、维修成本；聚氨酯泡沫采用预固定的结构形式进行成型，聚氨酯泡沫用以缓冲安全岛的横向冲击，并不影响安全岛本体的整体力学性能，相较于一般钢筋混凝土结构，安全岛整体的弹性性能得到了显著改进。
选取弹性较好的橡胶混凝土并且内部填充材料选用聚氨酯泡沫，使整个安全岛结构的韧性得到明显的改善，阻尼耗能能力得到明显提升，将其用于安全岛结构的防撞减振，不仅可以降低撞击时的接触刚度，还可以加快安全岛结构的能量耗散；橡胶混凝土与聚氨酯泡沫无缝贴合，FRP板1可对橡胶混凝土材料起到很好的保护，避免了橡胶混凝土材料耐久性差的缺点，延长橡胶混凝土的使用寿命；同时，还为橡胶混凝土提供连接一种紧箍力，改善橡胶粒与水泥浆体的相容性。FRP板1-橡胶混凝土的安全岛防撞结构可起到良好的缓冲消能作用，减少对碰撞车辆造成的损害，更有效地保护驾驶人员的安全；FRP板1-橡胶混凝土的防撞构件可有效减轻安全岛遭受车辆撞击时发生的整体或局部损坏程度。
橡胶混凝土填充材料为一种弹性混凝土材料(半刚性)，在普通混凝土基础材料中加入废旧橡胶粉碎后的橡胶颗粒制成，橡胶混凝土中的橡胶颗粒可显著改善混凝土的内部结构，增强混凝土拌合物的流动性，减小混凝土内部的约束和应力集中情况，吸收大量的冲撞能量；为废旧轮胎的处理提供了一条绿色环保的途径。本发明设计的聚氨酯泡沫蜂窝结构层，进一步改良了橡胶混凝土弹性性能，预先固定的聚氨酯泡沫埋设在橡胶混凝土中，形成蜂窝状结构。
本发明基于FRP和聚氨酯泡沫填充蜂窝状橡胶混凝土安全岛防撞构件制作方便、性能良好、成本较低，其采用的一体化成型技术能够进快速施工，可以广泛应用于安全岛的防撞措施中。
如图4所示，在本次车撞试验中，撞击车采用福特800卡车，且载重8t,撞击时的车速为60km/h。试验采用的安全岛防撞装置长2700mm、宽2500mm、高1000mm，厚度为500mm,其中FRP层(单层)厚度为5mm，蜂窝状橡胶混凝土厚度为190mm，防撞层总厚度为200mm，蜂窝直径为50mm，共有两排聚氨酯泡沫。试验中采用的FRP材料的密度为1.8g/cm3，屈服强度为90MPa，弹性模量为20000Mpa；橡胶混凝土材料的密度为2.3g/cm3,剪切弹性模量为9100Mpa，体积弹性模量为12200MPa；聚氨酯泡沫材料的密度为0.06g/cm3,拉应力截止强度为0.007Mpa，弹性模量为7.59Mpa。
通过使用基于蜂窝状橡胶混凝土-聚氨酯泡沫复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构，撞击力的峰值从2476KN降到1080KN，降低了56.38％，降低撞击力的效果非常明显。采用防撞构件和未采用防撞构件的混凝土安全岛在撞击试验中撞击力时程曲线的不同。这表明，采用本发明基于FRP和聚氨酯泡沫填充蜂窝状橡胶混凝土安全岛防撞构件能大幅度降低撞击力，在碰撞发生时有效保护安全岛和车辆，具有显著优异的技术效果。

Claims (6)

1.一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，所述收费站安全岛柔性防撞结构包括安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层（4），安全岛外包混凝土层（4）为安全岛的主体成型结构，安全岛FRP防护层通过灌浆液与安全岛外包混凝土层（4）的外层连接在一起；FRP防护层包括FRP板（1）、橡胶混凝土层（2）和聚氨酯泡沫层（3）；两层FRP板（1）将橡胶混凝土层（2）进行包裹，橡胶混凝土层（2）中设有多层离散分布的填充孔，填充孔中填筑有由聚氨酯泡沫组成的聚氨酯泡沫层（3）；
其特征在于：该收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法如下，
S1、在收费站安全岛进行施工时，在收费站安全岛外侧预留出安全岛FRP防护层的成型位置；
S2、在工厂预制安全岛FRP防护层，按照收费站安全岛的形状加工安全岛FRP防护层，采用FRP布和热固性树脂进行热熔成型形成FRP板（1）；安全岛FRP防护层的两层FRP板（1）之间为中空结构，FRP板（1）的外形按照收费站安全岛的外形制作；在两层FRP板（1）之间的中空位置处分散安装固定聚氨酯泡沫层，各个聚氨酯泡沫层的聚氨酯泡沫采用细长圆柱状结构，完成FRP板（1）、聚氨酯泡沫层的固定安装，在两层FRP板（1）之间之间灌注配置好的橡胶混凝土，完成安全岛FRP防护层的制作；
S3、将安全岛FRP防护层吊放至收费站安全岛的外侧作为成型外模板，固定收费站安全岛的内模板，在内外模板之间绑扎钢筋后灌注外包混凝土层，完成对收费站安全岛主体结构的成型。
2.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，其特征在于：所述安全岛FRP防护层的外形与安全岛外包混凝土层（4）的外形相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，其特征在于：FRP板（1）由多层各向异性的FPR布叠合而成，相邻各层的FPR布方向并不相同，FPR布的连续纤维选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维；各层FPR布通过热熔工艺成型。
4.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，其特征在于：所述安全岛FRP防护层的厚度不大于安全岛FRP防护层和安全岛外包混凝土层（4）总厚度的25%。
5.根据权利要求4所述的一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，其特征在于：根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP板（1）中连续纤维和热固性树脂的复合比，使FRP板（1）承受汽车时速不大于100km/h产生的冲击力。
6.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝状复合材料的收费站安全岛柔性防撞结构的制备方法，其特征在于：所述的FRP板（1）与橡胶混凝土层（2）之间为撞击缓冲区，橡胶混凝土层（2）和聚氨酯泡沫层（3）之间组成撞击力变形区，安全岛外包混凝土层（4）的内壁为撞击力约束区，对于车辆和安全岛形成双层有效保护。
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