基本信息
- 项目名称：
- 基于抗震救灾快速通行的格栅-土石式复合材料应急路面研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品通过对地震后灾区道路破坏形式和交通特征的调查分析，提出了震后道路的应急抢修方案，优选轻质高强的玻璃纤维环氧树脂材料，设计了一种结构轻盈、适用范围广、施工快捷、可储备重复利用的格栅-土石式应急路面板。运用有限元方法，对这种应急路面板在不利荷载工况下的受力状态进行了数值模拟分析，验证其结构强度的可靠性。同时，对应急路面板的施工工艺展开了相应研究，以最大程度地提高灾区道路抢修的时效性。
- 详细介绍：
- 近年来，频发的地震等地质灾害对我国人民的生命财产安全构成严重威胁，灾后道路损毁已成为抗震救灾的主要制约瓶颈，震后破坏道路的应急抢修成为救灾的关键环节。所以，道路的快速抢通对于提高救灾的时效性、保障灾区人民的生命财产安全具有极为深远的影响。 目前，国内外对于应急路面的应用主要集中在军事领域。道路应急抢修技术多需要专业人员和特殊机械设备，且设备笨重、成本较高、铺设长度有限，传统道路抢修技术更是作业效率低下，难以满足抗震救灾的高时效性需求，都不太适合在救灾中推广使用。为保证灾区道路的快速抢通，本作品采用轻质高强的玻璃纤维环氧树脂复合材料，开发了格栅-土石式应急路面板。 这种应急路面板包括下面板、格栅板、侧板、盖板、联结耳片、U型搭接平台和搭接板（附录1：应急路面板结构示意图）。内部横隔板格栅间距较大，使得路面板本身并不足以承受车辆荷载，但施工时可向格栅内填充现场的土石并压实，盖上盖板后，便可满足强度要求。这样，既充分利用了现场便于运输的土石，达到土石与横隔板一起支撑行车荷载的目的，同时也最大程度地降低了路面板的材料成本和运输重量，提高了路面板的运输效率和救灾的时效性。相邻板间联结采用搭接设计且侧板有耳片辅助固定，不仅联结稳定牢固，而且组装十分快捷。上盖板采用盒盖式结构，盖边和错台式搭接设计使得相邻盖板间稳定牢固，即盖即通行。整个施工过程无需螺栓等固定装置，大大提高了施工效率。 应急路面板通过现场的组装和施工，部分就地取材，能够快速解决交通中断问题，为救灾物资、医疗设备等的运输提供有力的保障，为抗震救灾争取宝贵的时间。 同时，本作品基于“偏安全”的设计原则，运用ABAQUS有限元软件，对这种应急路面板在最不利工况下的受力状态进行了数值模拟分析，验证其结构强度和刚度的可靠性。为了最大程度地提高灾区道路抢修的时效性，本作品还提出了应急路面板快速施工的施工组织和工艺。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.作品设计、发明的目的 本作品设计的格栅-土石式复合材料应急路面板，用以快速抢修在地震中受到损毁或损坏的道路，保证救灾人员和物资能够及时抵达灾区展开救援，全面提高救灾的时效性，保障灾区人民的生命财产安全。 2.基本思路 本作品以“提高抢修效率”为宗旨进行设计，通过对地震后灾区道路破坏形式和交通特征的调查分析，提出了震后道路的抢修方案，采用轻质高强的玻璃纤维环氧树脂材料，开发了结构轻盈、组装便捷、施工高效的格栅-土石式应急路面板抢修器材，并运用有限元方法，对其在不利荷载工况下的受力状态进行了数值模拟分析，验证其结构强度的可靠性。同时，还对应急路面板的施工工艺展开了相应研究，以便最大程度地提高灾区道路抢修的时效性。 3.创新点 （1）根据震后道路破坏的特征，优选玻璃纤维环氧树脂材料，设计了一种运输便利、组装快捷、安全牢固的格栅-土石应急路面板。 （2）根据震后救灾道路的交通特征，提出了装配式格栅-土石应急路面板的“偏安全”设计原则，即该路面板的设计参数均取最不利值。 4.技术关键 （1）应急路面板的制备材料选择； （2）基于施工快捷的应急路面板结构优化设计； （3）应急路面板有限元力学行为模拟分析及强度验证； （4）应急路面板施工技术。 5.主要技术指标 （1）应急路面板在荷载作用下的抗弯拉强度、抗压强度和抗剪强度； （2）应急路面板在荷载作用下的竖向变形； （3）应急路面板下方的地基承载力。
科学性、先进性
- 与现有装配式应急路面技术相比，本作品采用轻质高强材料制备，内部格栅间隔较大，材料用量省，运输更高效；结构设计上以施工快捷为宗旨，优化了板间联结和联结销设计，现场组装十分便捷，大大提高了施工效率；同时，本作品对施工人员和设备的专业程度要求低，更能适应救灾现场条件的局限。 与传统道路抢修技术相比，本作品对施工机械和路基承载力要求更低，能适应震后松软或承载力不足的路基；材料需要量大大减少，单次运输能铺设更长路段；施工工艺更为简单易行，大大节约了道路抢修的时间。
获奖情况及鉴定结果
- 1.本作品于2011年4月获长安大学第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。（附录5：获奖证书） 2.本作品于2011年6月获陕西省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。（附录5：获奖证书） 3.本作品相关研究成果已撰写论文“Designing and Mechanical Simulation Analysis of Grid-earth-rock Emergency Pavement Slab”，已被“IEEE环境、土木与能源工程国际研讨会”（EI刊源）录用，并将于2011年7月在内蒙古进行学术交流。（附录8：论文录用通知书） 4.本作品于2011年3月，经教育部科技查新工作站查新鉴定，认为国内尚无本作品相同的文献报道。（附录10：科技查新报告）
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术合作开发
作品可展示的形式
- 模型、图纸、磁盘、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 格栅-土石式应急路面板施工时，首先在整平的路基上铺设与格栅为一体的下面板，完成相邻板间搭接与辅助固定；然后向格栅内部填充现场的土石并压实；最后盖上盖板即可通车。 2.技术特点和优势 本作品具有施工效率高，适用范围广；结构轻盈，机动性高；拆装自由，施工便利；工艺简单，成本较低；重复利用，低碳环保等特点和优势。 3.适用范围及推广前景 本作品开发的应急路面板不但可以作为救灾储备物资，用于地震、泥石流等地质灾害中损坏道路的应急抢修，还可用于战时破坏道路的抢通，对沙漠区、软土区道路的修建也有应用参考价值。 4.市场分析及经济效益预测 本作品制作工艺简单，加工和运输成本相对较低，运输和施工快捷高效，对地基承载力要求低，适用范围更广。因此，从经济、抢修效率和社会效益综合考虑，本作品作为抗震救灾储备物资，具有很好的市场推广前景。
同类课题研究水平概述
- 应急路面建设以及路面应急抢修技术的发展，最初是为了满足战争的需求，近年来，逐渐向民用领域转移，尤其是在对灾后道路抢修技术的研究方面。 在国外，发达国家在二战时期就开始对应急路面器械展开研究，几十年来，已取得了长足的发展。例如，英国30t级铝制可卷路面，法国640SPP塑料可卷路面，美国Roverdeck路面、玻璃钢路面、DURA-Base HDPE路面等。这些应急路面在战争中得到了广泛的应用。 在我国，应急性路面器械的研究起步较晚，但也取得了不少的成果。在理论上，王春辉等人经过论证研究，提出了应急路面器材的设计原则等；在技术和设备上，开发了可伸缩式墩台结构、浮桥、82式黄河浅滩路面等。这些技术和设备在我国的多次军事演习中进行了使用，也取得了较好的效果。 但是，以上技术研究还存在一定的缺陷，主要表现在以下几个方面：①目前应急路面技术主要用于军事，所建路面与车辆之间的力学关系模型也大多与军用车辆相关，与社会车辆不相符；②目前的技术专业程度较高，需要专门的施工人员和机器设备，大规模推广还有一定困难；③目前的技术所用设备成本较高，在灾害多发地域普及储备很不现实；④国外的一些技术相对先进，但出于保密计划，公开的理论和设计资料很少且有产权的保护，不能直接引用，一些技术即便能够引用，但我国却不具备相关的施工机械和工艺条件；⑤目前的多数技术所用器械笨重、运输和作业效率低且铺设道路短，难以满足救灾高时效性的要求。 传统的道路抢修技术对路基的处理要求严格，施工工艺更为繁琐，材料需要量大且运输十分不便，造成抢修效率低下，开发交通时间严重滞后，很难满足救灾的高时效性需求。 因此，本作品以“提高抢修效率”为宗旨，采用轻质高强的玻璃纤维环氧树脂材料，开发了结构轻盈、组装便捷的格栅-土石式应急路面板，并对其在车辆荷载作用下的受力状态进行了数值模拟分析和结构强度验证。该应急路面板内部格栅间隔大，格栅板与其内部填充土石共同支撑上面板的行车荷载；板间联结采用错台式搭接设计，盖板依靠盖边增加横向稳定性，依靠相邻板搭接增加行车方向稳定性，整个施工过程无需螺栓等固定装置，组装和拆卸都十分快捷，大大提高了道路抢修的时效性；同时，对施工人员和施工设备的专业程度、路基承载力的要求比其它现有技术低，对于震后承载力不足的路基或软土地基应用优势更明显，适用范围更广。
