技术领域
[0001] 本发明涉及工业建筑技术领域，特别涉及一种结构柱防撞装置以及防撞装置制备方法。
相关背景技术
[0002] 与民用建筑不同，工业建筑为了满足工艺生产要求，厂房内广泛存在机械流动运输作业的情况，不限于车辆运输、吊车运输。因此，厂房内的结构柱某些部位在长期使用过程中，不可避免会受到车辆或者吊车运输重物的撞击，致使结构柱受损，例如保护单元脱落，柱纵筋断开等，进而危及整体结构安全。
[0003] 综上分析可知，长期冲击荷载的存在严重影响着工业建筑结构安全，对工业安全生产带来了巨大威胁。
[0004] 因此，如何提供一种方案，以克服或者缓解上述缺陷，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
具体实施方式
[0048] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049] 本发明实施例提供一种结构柱的防撞装置，安装于工业建筑的结构柱4，如图1‑图6所示，包括：由内向外布置的钢板1、自恢复耗能单元2和封装单元3；
[0050] 钢板1设置于结构柱4四周，自恢复耗能单元2套装于钢板1外侧，封装单元3设置于自恢复耗能单元2外侧，用于封装自恢复耗能单元2；
[0051] 其中，自恢复耗能单元2包括：弹性框架21和耗能散粒22；
[0052] 弹性框架21位于钢板1和封装单元2之间；
[0053] 弹性框架21与钢板1，以及封装单元3之间填充有耗能散粒22，弹性框架21为封装单元3提供径向弹性回复力。
[0054] 在上述的技术方案中，本装置在遭受到车辆或其他形式的撞击荷载后，在外侧的封装单元3作为迎撞面，将冲击荷载传递给自恢复耗能单元2，然后自恢复耗能单元2中的弹性框架21首先发生弹性变形吸收部分撞击能量，接着耗能散粒22弹性框架21错动并挤压填充其间的耗能散粒22，耗能散粒22发生粒间错动摩擦、挤密，内部压溃，主要以内能的形式来吸收撞击能量。最后撞击荷载消失，最后撞击荷载消失，自恢复耗能单元2中的弹性框架21恢复至撞击前的状态，同时向封装单元3提供径向弹性回复力，实现了封装单元3自恢复特性。
[0055] 与现有的技术相比较，本技术方案通过的防撞装置设置，使得结构柱在遭受到车辆或者吊车运输重物的撞击时，避免结构柱受损；同时，该防撞装置设置了自恢复耗能单元2，通过吸收撞击能量、降低撞击峰值应力，实现了对结构柱的柔性防护，既能有效保护结构柱，又能最大程度减轻车辆或撞击对结构柱4损伤。
[0056] 优化上述的技术方案，如图2‑图4所示，弹性框架21包括：多组弹性组件和多根金属管211；
[0057] 多根金属管211设置在钢板1和封装单元3之间，且设置方向与结构柱4的轴向平行，并沿结构柱4的周向均匀间隔分布；
[0058] 多组弹性组件设置在钢板1和封装单元3之间，且沿结构柱4的轴向均匀间隔分布；
[0059] 针对每一组弹性组件包括：四个连接件213和多个弹簧212；
[0060] 四个连接件213的第一端分别固定钢板1的四个边角上，第二端分别朝向封装单元3；
[0061] 相邻的金属管211通过对应的弹簧212连接，与连接件213相邻的金属管211和连接件213之间通过另一对应的弹簧212连接。
[0062] 在上述的技术方案中，第一阶段是在遭受设计范围内的撞击荷载时，耗能层的能量耗散能力完全依托耗能散体，多根金属管211不发生任何塑性形变，这种情况下自恢复耗能单元2利用弹簧212的弹性回复力，在撞击变形后可以完全恢复原状，无需修复。第二阶段是在遭受超出设计范围内的撞击荷载时，自恢复耗能单元2变形超出设计限值，内部的金属管211发生塑性变形，此时耗能散体和金属管211同时参与能量耗散，将更高效地吸收撞击能量，这种情况下自恢复耗能单元2在撞击变形后无法完全恢复原状，可针对具体情况进行局部修复。两阶段设计目标是做到“中撞不坏，大撞可修”。需要说明的是，通过多组弹性组件的设置，可以从上到下的保护结构柱4；还需要说明的是，多根金属管211和多个弹簧212的设置，使得自恢复耗能单元2的弹性回复力显著提高，进一步的避免结构柱4受损；作为优选的，相邻的弹性组件的间距为300mm；进一步的，连接件213采用T型钢的形式。
[0063] 进一步的优化上述的技术方案，如图2‑图4所示，沿自恢复耗能单元2的径向，多根金属管211分为多层布置，其中包括：内向外的第一层和第二层布置；
[0064] 多个弹簧212分为多个第一弹簧和多个第二弹簧；
[0065] 第一层的多根金属管211中的相邻金属管211之间通过对应的第一弹簧连接，与连接件213相邻的第一层的多个金属管211中的金属管211和连接件213之间通过另一对应的第一弹簧的连接；
[0066] 第二层的多个金属管211中的相邻金属管211之间通过对应的第二弹簧连接，与连接件213相邻的第二层的多个金属管211中的金属管211和连接件213之间通过另一对应的第二弹簧的连接。
[0067] 在上述的技术方案中，需要说明的是，第二弹簧连接于连接件213的末端(即为靠近封装单元3的一端)，第一弹簧连接于连接件213的中端(如图2所示)；通过二层金属管211设置，使得防撞装置自身具有更大的弹性回复力，防撞效果更好。作为优选的，第一层和第二层之间的间隔为70mm。
[0068] 在上述的技术方案中，还需要说明的是，连接件213和弹簧212沿竖向按一定间距布置多层；这种设计均是为了保证自恢复耗能单元在遭遇撞击能充分发生变形，并能恢复原状；当然，弹簧与金属管之间的连接可以在工厂中完成，进而形成金属管连接体；边缘弹簧与连接件预留连接措施，在现场连接件焊接固定完成后安装连接。
[0069] 更进一步的优化上述的技术方案，如图2和图3所示，第一层的多根金属管211和第二层的多个金属管211在自恢复耗能单元2的径向上的投影交错设置。
[0070] 在上述的技术方案中，如此设置，使得防撞装置自身具有更大的弹性回复力，防撞效果更进一步好；作为优选的，第一层的金属管211和第二层的金属管211两两相切的状态。
[0071] 优化上述的技术方案，针对每一组的四个连接件213固定后均位于同一水平截面上。
[0072] 在上述的技术方案中，可以这样的理解，同一组弹性组件包括：设置于钢板1和封装单元3之间的连接件213，设置在相邻之间的金属管211之间的弹簧212，设置在连接件与金属管211之间的弹簧212，均位于同一水平截面上。
[0073] 优化上述的技术方案，耗能散粒22包括：再生混凝土颗粒、废弃砖渣颗粒和/或高炉矿渣颗粒。
[0074] 在上述的技术方案中，耗能散粒22利用上述的废弃散料，实现了建筑垃圾的重复利用。
[0075] 在本技术方案中，如图5和图6所示，封装单元3包括：纤维布32和多块薄钢板31；
[0076] 纤维布32用于套封自恢复耗能单元2，且纤维布32远离自恢复耗能单元2的一面设有多块薄钢板31。
[0077] 在上述的技术方案中，多块薄钢板31为矩阵式粘接100×100×2(厚度)mm的薄钢板；需要说明的是，多块薄钢板31之间，留有一定的缝隙，作用是其既能保证整体柔性，又能防止撞击对象刺破纤维封装层，另外还可以将撞击荷载较均匀地传递给自恢复耗能单元2；还需要说明的是，纤维布32包括但不限于三层。
[0078] 优化上述的技术方案，纤维布32为玄武岩纤维布和/或碳纤维布，采用玄武岩纤维，其具有高抗拉强度、耐腐蚀、耐高温和绿色环保等优点；碳纤维布具有强度高，密度小，厚度薄等特点，用于本技术方案，基本不增加封装单元3加固构件自重及截面尺寸。
[0079] 在一些实施例中，自恢复耗能单元2可以叫弹性恢复单元。
[0080] 一种结构柱的防撞装置制备方法，采用上述的防撞装置，包括步骤：
[0081] S1、在结构柱4四周设置钢板1；
[0082] 需要说明的是，根据结构柱4实际工况确定防护范围，即为结构柱4的高度以及周向尺寸，预制钢板1，然后进行现场安装。首先，对结构柱4的安装防撞装置范围内的外表层进行清理，清理完毕后用环氧树脂粘接剂将钢板1与结构柱4粘接固定，并在四角处进行焊接加固。
[0083] S2、在钢板1外侧套装弹性框架21；
[0084] 需要说明的是，在现场焊接自恢复耗能单元2中的连接件213，四个连接件213均处于钢板1的边角处，水平放置，且与相邻内层钢板呈135°，每一组连接件213的竖向间距300mm，与金属管211上的连接弹簧层一一对应；利用对应的弹簧将相邻的金属管211连接成一体；然后利用另一弹簧的连接挂钩与连接件213上的预留孔进行挂接。
[0085] S3、在弹性框架21远离钢板1的一侧设置封装单元3，即为封装单元3套封弹性框架21；
[0086] 需要说明的是，安装封装单元3，按由内向外，依次安装三层玄武岩封装层，注意预留防撞装置上端缝隙。
[0087] S4、在弹性框架21与钢板1，以及封装单元3之间填充有耗能散粒22，并对耗能散粒22进行振捣。
[0088] 需要说明的是，注入高炉矿渣作为耗能散粒22，注入过程中在外侧适当振捣，保证一定的密实度，浇筑完毕后形成自恢复耗能单元2。
[0089] 在S4中，具体包括：将耗能散粒22从钢板1和封装单元3之间的上端，注入弹性框架21与钢板1，以及封装单元3之间的间隙，并在注入过程中进行适当振捣。
[0090] 需要说明的是，从钢板1封装单元3之间的上端向钢管间隙中(不包括钢管内部空隙)注入高炉矿渣作为耗能散粒22，最后用玄武岩纤维封装防撞装置上侧，至此施工结束。
[0091] 在一些技术方案中，钢板1、自恢复耗能单元2、封装单元3、结构柱4的上下端面是对齐的；当然图1可以看成是隐藏了部分钢板1、部分自恢复耗能单元2和部封装单元3的示意图。
[0092] 上面已提及的技术特征、下面将要提及的技术特征以及单独地在附图中显示的技术特征可以任意地相互组合，只要被组合的技术特征不是相互矛盾的。所有的可行的特征组合都是在本文中明确地记载的技术内容。在同一个语句中包含的多个分特征之中的任一个分特征可以独立地被应用，而不必一定与其他分特征一起被应用。
[0093] 下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
[0094] 在本技术方案中，防撞装置实现了对结构柱的柔性防护，并在遭受一次撞击后，无需人为修复即可恢复整体防撞作用，从而避免了修复工作影响正常的工业生产。
[0095] 在一些实施例中，现场施工方法如下：首先通过结构胶将工厂预制好的内层的钢板与结构柱进行粘接，待结构胶固化后，在内层的钢板转角相接处进行两两焊接，以确保钢板与结构柱的连接可靠；然后，安装自恢复耗能单元，在结构柱四角处，自恢复耗能单元的连接件水平放置，且与相邻结构柱两面呈135°进行焊接固定，然后安装工厂预制好的金属管连接体(即为金属管和弹簧)，形成自恢复耗能单元。接着，采用纤维布对安装好的自恢复耗能单元进行封装，此时上端暂时不封。最后，将耗能散粒从装置上端注入钢管间隙，钢管内部无需注入，散粒注入完毕后，封装装置上端。此时施工完成，防撞装置已形成。
[0096] 在一些实施例中，一种结构柱的防撞装置，可以根据不同尺寸结构柱以及不同的撞击荷载强度灵活调整装置的形式。对于不同尺寸的结构柱，可以调整内层的钢板尺寸以及自恢复耗能单元的尺寸；对于不同强度的撞击荷载，可以灵活调整自恢复耗能单元厚度，包括自恢复耗能单元中金属管沿平面外方向的层数、弹簧刚度，也可以改变填充散体种类。比如，在高强度撞击荷载工况下，可以提高自恢复耗能单元厚度，相应地自恢复耗能单元在平面外可以采用多层金属管，使用较高刚度的连接弹簧，以确保有足够的自恢复能力；另外填充散料可以采用摩擦角较高的耗能散粒，增强散粒的耗能效率。
[0097] 在一些实施例中，内层钢板主要用于固定自恢复耗能单元。另一重要作用是，当撞击荷载超出防撞装置设计防撞能力时，内层钢板的存在可以在自恢复耗能单元失效后起到刚性防护的作用，最大限度降低结构柱的损伤程度，以保证结构柱安全稳定。
[0098] 在一些实施例中，自恢复耗能单元作为装置中主要的缓冲吸能组件，主要由弹性框架和耗能散体两部分构成，放置于纤维封装层和内层钢板之间。自恢复耗能单元的能量耗散能力主要源于内部的耗能散粒，自恢复能力源于弹性框架。因此，自恢复耗能单元的设计要确保弹性框架有足够的自恢复能力，自恢复耗能单元的弹簧刚度及竖向层数、金属管间距、直径以及平面外金属管层数要与填充散料特性及弹性框架厚度要相匹配。
[0099] 在一些实施例中，最外层金属管外边缘要与封装单元接触放置，内层金属管内边缘与内层钢板留有一定间距，确保在设计撞击力范围内的最大变形时，内层金属管内边缘接触不到内层钢板，这是为了防止金属管直接接触钢板发生塑性变形；金属管的水平间距选取要不宜大于1.5倍直径，金属管在沿平面外层数不宜小于2层，各层间金属管宜交错布置，层间距离宜小不宜大，尽可能控制在不同层的金属管两两相切，弹簧刚度和竖向层数要相匹配(弹簧刚度较大，可相应减少弹簧竖向层数；弹簧刚度较小，可相应增大弹簧竖向层数)，这些措施均是均为了自恢复耗能单元对耗能散体具有足够的约束能力，确保在散体在撞击力撤掉后能恢复原状。耗能散粒可根据实际工况选用，比如，设计撞击荷载大时，宜选用内摩擦角较大、耗能效率高的散粒。
[0100] 在一些实施例中，自恢复耗能单元在弹性框架和耗能散粒的配合下，可将作用面较小的撞击力高效扩散后均匀作用于结构柱。这种高效应力扩散能力主要是因为，自恢复耗能单元在受到撞击荷载后，局部金属管率先发生位移向下压缩沿纵向范围内的耗能散体，这直接引起了撞击力纵向扩散；接着两侧弹簧发生拉伸，直接拖拽周围金属管一起向下位移变形，导致撞击力沿横向扩散。
[0101] 在一些实施例中，自恢复耗能单元可实现灵活的参数化设计。可针对不同的撞击工况调整耗能层厚度和耗能散粒种类，并相应调整自恢复耗能单元的弹簧刚度和竖向层数、金属管面外方向层数等一系列参数，以确保不同厚度的耗能层都具有很好的自恢复能力。
[0102] 本发明具有以下的优点：
[0103] 1、本发明装置由内层钢板、自恢复耗能单元及外层柔性纤维布封装层(即为封装单元)组成，其防护模式主要是压缩自恢复耗能单元来进行柔性防护，其原理是吸收撞击能量，降低撞击峰值应力，延长作用时间，这种情况下可以起到对结构柱和撞击对象的双向保护作用。当撞击荷载远超出装置防护能力范围时，内层钢板就可以起到刚性防护作用，此装置兼具柔性、刚性两种防护模式。
[0104] 2、本装置中自恢复耗能层由弹性框架和耗能散体组成，具有两阶段柔性防护特点。在遭遇设计撞击荷载范围内的撞击后，自恢复耗能单元可以使自恢复耗能层自动消除变形，恢复防撞能力，无需人为修复；即使遭受超出设计范围内的撞击荷载时，弹性框架中金属管发生塑性变形，和耗能散体共同参与能量耗散，将更高效地吸收撞击能量，这种情况下自恢复耗能层在撞击变形后无法完全恢复原状，可针对具体情况进行局部修复。这种特点可以极大降低修复工作对工业生产造成影响，这有利于此装置在工业建筑领域的推广应用。
[0105] 3、本装置采用工厂预制和现场安装相结合的施工方法，可大大地提高施工效率，缩短施工周期。
[0106] 4、本装置中耗能散粒可以充分利用工业生产中的废弃散料(高炉矿渣颗粒等)，实现了工业垃圾的二次利用，具有较强的环保意义。
[0107] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0108] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
