一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器及其设计方法

本发明涉及边坡柔性防护系统的缓冲器，具体涉及一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器及其设计方法，属于边坡地质灾害防护领域。

背景技术：

被动柔性防护系统是一种广泛应用于边坡地质灾害防治的防护结构，一般由支撑钢柱、金属拦截网、耗能器和拉锚系统组成。

防护能级是评价其防护性能的关键指标，在遭受冲击时耗散能量越多说明其防护能力越强，防护能级越高。系统中耗能器耗散的能量占比最大，因此耗能器的研究对被动柔性防护系统至关重要。目前市面上耗能器可分为四类：摩擦型耗能器、屈服型耗能器、局部破坏型耗能器和摩擦-屈服组合型耗能器，受力变形后均不具备可恢复性。

减压环是目前边坡柔性防护系统中运用最为广泛的摩擦-屈服组合型耗能器，相关研究表明：系统受到累积冲击时减压环耗能比例将会大幅下降，减压环在首次冲击时耗能比例超过50％，而累积冲击至第三次时耗能比例仅为21％，减压环的损伤导致系统耗能能力下降。实际工程中，被动柔性防护系统常常遭受多次累积冲击，已经拦截的落石会被定期清理同时损伤的构件会被更换，但在较小能级冲击作用下频繁更换减压环既不经济也不合理。同时，由于缓冲机制设置不合理，被动柔性防护系统韧性不足，往往无法保证产生足够大的变形而出现“刹车效应”致使系统发生非正常破坏。具体表现为系统出现支撑柱屈曲、柱脚破坏、连接破坏、锚固点破坏等失效模式，使得其只能提供预设防护能级1/3-2/3左右的防护能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器及其设计方法，主要解决现有柔性防护系统中耗能器在多次累积小能级冲击下维养麻烦、不够经济合理的问题。以及现有边坡柔性防护系统缓冲机制设置不合理，韧性不足，容易导致“刹车效应”的问题。

为了实现上述目的，本发明所述缓冲器采用的技术方案如下：

一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器，包括：

支撑钢管，两端分别固定在弹簧基座板和拉锚板上；

滑动板，所述滑动板上开有滑动板孔，所述支撑钢管穿过所述滑动板孔从而将所述滑动板可滑动地套设在所述支撑钢管上；

缓冲弹簧，所述缓冲弹簧套设在所述支撑钢管上，两端分别与弹簧基座板和滑动板连接，并可随滑动板的左右滑动而沿支撑钢管伸缩；

第一钢拉索，所述第一钢拉索一端穿过所述滑动板并用金属绳锚锚固在所述滑动板上，所述第一钢拉索的另一端连接至第一支撑绳，所述第一支撑绳受拉时可经由第一钢拉索带动滑动板压缩缓冲弹簧沿支撑钢管滑动。

进一步地，还包括：第二钢拉索；

所述第二钢拉索穿过支撑钢管并用金属绳锚分别固定在弹簧基座板和拉锚板上，另一端连接在第二支撑绳上。

进一步地，还包括：连接机制，所述连接机制由绳夹夹持钢丝绳形成的半“8”字型而成；

连接机制与卸扣用于连接所述第一支撑绳和所述第一钢拉索；

连接机制与卸扣用于连接所述第二支撑绳和所述第二钢拉索。

进一步地，还包括：启动绳；

所述启动绳两端固定在所述滑动板和所述拉锚板之间，其两端分别穿过所述滑动板和所述拉锚板并用金属绳锚进行锚固。

进一步地，滑动板移动使缓冲弹簧变形达到预设值时，启动绳(8)张紧，支撑钢管(2)受力从而实现复合耗能。

另一方面，根据前述之一所述的一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的设计方法，包括以下步骤：

a)确定支撑绳在正常工作能级的拉力fsel，支撑绳在正常工作能级的拉力fsel根据实验或者数值计算确定；

b)预设缓冲弹簧的最大弹性变形量s；

c)初步设计并确定缓冲弹簧数量m；

d)计算缓冲弹簧钢筋直径d；

e)计算缓冲弹簧中径d；

f)计算缓冲弹簧圈数n；

g)确定缓冲弹簧节距t；

h)计算缓冲弹簧自由高度h0；

i)确定启动绳长度l；

j)确定支撑钢管高度h；

k)设计支撑钢管截面；

l)通过数值计算或实验检是否满足需求。

进一步地，缓冲弹簧钢筋直径d由下式确定：

式中：k为曲度系数、f为缓冲弹簧最大外荷载m为缓冲弹簧个数、c为缓冲弹簧旋绕比，可查规范选取、[τ]为缓冲弹簧钢材料试验切应，可查规范确定。

进一步地，缓冲弹簧中径d由下式计算：

d＝cd。

进一步地，缓冲弹簧圈数n由下式计算：

式中：g为缓冲弹簧(1)所用钢材的切变模量、s为缓冲弹簧(1)受力所产生的最大弹性变形量。

进一步地，缓冲弹簧(1)节距t由下式确定：

式中：δ1为余隙可取δ1＝0.1d。

进一步地，缓冲弹簧(1)自由高度h0由下式确定：

h0＝nt+1.5d。

进一步地，启动绳(8)长度l由下式确定：

l＝l0+s+t0+2t1+nδ1

式中：l0是滑动板与拉锚板的初始距离，t0是滑动板的厚度，t1是启动绳(8)的锚固长度，均根据构造要求取值。

进一步地，支撑钢管高度h由下式确定：

h＝h0+l0+t0。

本发明有效益效果如下：

本发明所述韧性复合缓冲器工作时，冲击荷载较小，柔性防护系统受到的冲击能量处于正常工作能级(sel)范围内，第一支撑绳滑移使与之相连的滑动板带着缓冲弹簧运动，以达到缓冲的目的，此时缓冲弹簧独立工作，产生弹性变形并随着落石的清理而恢复初始状态；冲击荷载较大，柔性防护系统受到的冲击能量超出正常工作能级(sel)直至最大实验能级(mel)范围内，弹簧变形量达到最大值(余隙为0)时，启动绳绷直从而启动支撑钢柱发生屈曲实现复合耗能。冲击能量远超最大实验能级(mel)时启动保护绳，保证系统不因缓冲器破坏而导致整体失效。本发明所述所述韧性复合缓冲器结构简单、维养方便，在柔性防护系统受到较小能级累次冲击作用时不用频繁更换耗能器，在较大能级冲击下能够实现复合耗能。

本发明所述所述韧性复合缓冲器作为边坡柔性防护系统的组成部分，可有效地避免系统服役时可能出现的“刹车效应”，减少系统其它部件的非正常损伤，提高系统的整体韧性。

本发明所述所述韧性复合缓冲器结构设计合理，工作机理明确，可通过调整缓冲弹簧和支撑钢柱的尺寸和个数来调节缓冲能力和塑性耗能能力。

本发明所述所述韧性复合缓冲器的设计方法条理清晰、理论支撑充足、工程应用性强，本专业设计人员能够根据本发明提供的设计方法快速掌握韧性复合缓冲器的设计。

附图说明

图1为本申请的用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的实施例1轴测图。

图2为本申请的用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的另一实施例的轴测图。

图3为本申请的用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的滑动板的示意图。

图4为本申请的用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的弹簧基座板的示意图。

图5为本申请的用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的拉锚板的示意图。上述附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或部件，附图标记对应的结构或部件名称如下：

1-缓冲弹簧，2-支撑钢管，3-滑动板，4-弹簧基座板，5-拉锚板，6-第一钢拉索，7-第二钢拉索，8-启动绳，9-金属绳锚，10-保护绳，11-半“8”字型连接机制，12-卸扣，13-滑动板孔，14-索孔，15-绳夹，16-第一支撑绳，17-第二支撑绳

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1-5所示，一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器，包括：缓冲弹簧1、支撑钢管2、滑动板3、弹簧基座板4、拉锚板5、第一钢拉索6、第二钢拉索7、启动绳8、金属绳锚9、保护绳10、半“8”字型连接机制11和卸扣12；

其中，缓冲弹簧1两端分别与弹簧基座板4和滑动板3连接，每个缓冲弹簧1内套一支撑钢管2，缓冲弹簧1可沿支撑钢管2轴向压缩。支撑钢管2穿过滑动板3上的滑动板孔13，两端分别与弹簧基座板4与拉锚板5焊接。滑动板3带有索孔14，第一钢拉索6一端穿过索孔14并用金属绳锚9锚固，另一端通过由绳夹15夹持钢丝绳所形成的半“8”字型连接机制11与卸扣12连接，在受拉时可带动滑动板3沿支撑钢管2滑动并压缩缓冲弹簧1。

弹簧基座板4和拉锚板5带有索孔13，第二钢拉索7穿过支撑钢管2与弹簧基座板4和拉锚板5上的索孔14一端用金属绳锚9锚固在弹簧基座板4上，另一端通过半“8”字型连接机制11与卸扣12连接。

滑动板3和拉锚板5之间连有启动绳8，启动绳穿过索孔14并用金属绳锚9进行锚固，滑动板3移动使缓冲弹簧1变形达到预设值时，启动绳8张紧(启动绳8初始为松弛状态)，支撑钢管2受力从而实现复合耗能，优选地，在一个实施例中，滑动板3移动至缓冲弹簧1变形达到最大值(余隙为0)时，启动绳8绷直使拉锚板5受力从而启动支撑钢管2受力，进而实现复合耗能。在本实施例中，余隙是缓冲弹簧1受力时为了保证压缩变形后撤去外力可完全恢复初始状态从而设置的间隙。换而言之，余隙即为压簧发生最大弹性变形时，弹簧钢丝之间的间隙。由于复合耗能结构的存在，本申请在边坡柔性防护系统受较小能级冲击作用时，仅缓冲弹簧1变形，支撑钢管2并不参与受力，缓冲弹簧1产生弹性变形承担全部冲击力并可随着落石的清理而恢复初始状态；本申请在边坡柔性防护系统受到较大能级冲击作用时，缓冲弹簧1变形，启动绳8拉伸变形大于预设值，支撑钢管2受力，能为系统提供充足的耗能能力，同时也能为系统提供较好缓冲机制。

为了连接弹簧基座板4与拉锚板5，设置了支撑钢管2。支撑钢管2为滑动板3和缓冲弹簧1提供滑动路径，使缓冲弹簧1在受到冲击时不会发生弯曲、互相干涉、偏移既定路径等情况。同时支撑钢管2在缓冲弹簧1刚度不足时可以提供额外支撑，使得缓冲弹簧1设计时的旋绕比可以参考规范酌情调大。

为了使滑动板3在支撑钢管2上成功滑动，所述滑动板3带有滑动板孔13且孔径应略大于支撑钢管2外径。

本申请的一个实施例还包括连接机制11，所述连接机制11由绳夹15夹持钢丝绳形成的半“8”字型而成；连接机制11与卸扣12相互配合，可以对本申请的诸多绳索结构进行连接，优选地，连接机制11与卸扣12用于连接所述第一支撑绳16和所述第一钢拉索6；连接机制11与卸扣12还用于连接所述第二支撑绳17和所述第二钢拉索7。

本申请的一个实施例还包括保护绳10，所述保护绳10两端分别通过半“8”字型连接机制11与卸扣12相连。

在本申请中，缓冲弹簧1并不限于一个，缓冲弹簧1的具体个数可根据实际缓冲储能需求和耗能需求进行设计，相应的其他结构根据缓冲弹簧1的个数调整匹配即可，例如支撑钢管2。

另一方面，本申请的一种用于边坡柔性防护系统的韧性复合缓冲器的设计方法，起设计原理为：可以根据缓冲储能需求和耗能需求分别对缓冲弹簧和支撑钢管进行设计。设计原则是使带有本缓冲器的柔性防护系统工作时受到冲击能量在正常工作能级(sel)范围内，缓冲器只启动缓冲弹簧进行缓冲储能；在正常工作能级(sel)和最大实验能级(mel)之间，滑动板(3)移动使压簧变形达到最大(余隙为0)时启动支撑钢管发生屈曲变形实现复合耗能；冲击能量远超最大实验能级(mel)时启动保护绳，保证系统不因缓冲器破坏而导致整体失效。

本发明缓冲弹簧1的具体设计方法包括以下几个步骤：

a)确定支撑绳在正常工作能级的拉力fsel，支撑绳在正常工作能级的拉力fsel根据实验或者数值计算确定；

b)预设缓冲弹簧1的最大弹性变形量s；

c)初步设计并确定缓冲弹簧1数量m；

d)计算缓冲弹簧1钢筋直径d；

e)计算缓冲弹簧1中径d；

f)计算缓冲弹簧1圈数n；

g)确定缓冲弹簧1节距t；

h)计算缓冲弹簧1自由高度h0；

i)确定启动绳8长度l；

j)确定支撑钢管高度h；

k)设计支撑钢管截面；

l)通过数值计算或实验检是否满足需求。

为了确定弹簧钢筋直径d采用等式进行计算，由于承受冲击荷载，式中曲度系数采用等式进行计算。

为了确定弹簧中径d，采用等式d＝cd进行计算，本发明弹簧内套支撑钢管，弹簧刚度可根据需求适当缩小，c的取值在需要时可参考规范酌情放大。

为了确定弹簧圈数n，采用等式进行计算。

为了确定弹簧节距t，采用等式进行计算。弹簧节距可根据实际需求进行确定，可通过调整余隙δ1的大小满足实际需求。

为了确定弹簧的自由高度h0，采用等式h0＝nt+1.5d进行计算，式中1.5d是考虑其连接构造时的影响。

为了确定启动绳长度l，采用等式l＝l0+s+t0+2t1+nδ1进行计算，启动绳长度应保证压簧压缩至最大变形量(余隙为0)时启动绳能够绷直传力。由于压簧在设计时考虑有余隙δ1，故拉力达到fsel时，缓冲弹簧尚有进一步变形的能力。故当冲击能量超过正常工作能级(sel)时，缓冲弹簧还会进一步产生弹塑性变形从而耗能。

为了确定支撑钢管高度h，采用等式h＝h0+l0+t0进行计算，确定支撑钢管高度时要充分考虑各部件之间的距离，保证缓冲器工作时各部件不发生干涉。

为了确定支撑钢管的截面，单根钢管计算时首先通过欧拉公式进行计算，通过等式和并查询钢管规格表可初步确定外径d0和内径d0(式中e为弹性模量)；再根据其截面和长度计算柔度判断是否为细长杆，计算柔度采用等式(式中)；若λ≥λp则采用欧拉公式计算结果的截面作为支撑钢管设计截面，若λ0≤λ≤λp采用直线公式进行插值重新计算截面；若λ≤λ0则按强度控制重新计算截面。多根钢管计算应按照钢结构相关理论考虑其整体稳定性。支撑钢管截面还应考虑装配时内穿刚拉索，外套缓冲弹簧，应保证三者可成功组装。

下面结合具体工程，提供前述设计方法的实施例：

实施例1

本实施例拟设计一款应用于小能级柔性防护系统的韧性复合缓冲器，按规范推荐拟定弹簧钢材料牌号为60si2mn，钢管材料采用q235钢。本实施例所述的韧性复合缓冲器采用一根缓冲弹簧，各板和各连接构件根据设计进行相应的调整，如图1所示。

按照图1所示的设计流程进行计算设计：

根据已有实验及数值模拟，确定支撑绳在正常使用状态拉力fsel＝30kn

根据需求，预设弹簧的最大变形量s＝250mm

初步设计并确定弹簧数量m＝1

计算弹簧钢筋直径d，采用等式进行计算，查阅规范拟定取c＝5,[τ]在冲击荷载作用下取590mpa，曲度系数代入可得d≥29.21mm，查阅规范取推荐值30mm.

计算弹簧中径d，采用等式d＝cd进行计算，带入得d＝150mm.

计算弹簧圈数n，采用等式进行计算，查阅规范取g＝78.8gpa，代入计算得n＝19.7，取整为20.

确定弹簧节距t，采用等式进行计算，δ1为余隙可取δ1＝0.1d，代入计算得t＝45.5mm.

计算弹簧自由高度h0，采用等式h0＝nt+1.5d进行计算，代入数据计算得h0＝955mm.

确定启动绳长度l，采用等式l＝l0+s+t0+2t1+nδ1进行计算，l0根据构造要求取为100mm，t0根据构造要求取25mm，t1根据构造要求取50mm，带入得l＝535mm.

确定支撑钢管高度h，采用等式h＝h0+l0+t0进行计算，代入数据得h＝1080mm.

设计支撑钢管截面，通过等式和(式中)进行计算，将f＝30kn,e＝2.06×10⁵mpa代入计算并查询钢管规格表，同时充分考虑支撑钢管内穿刚拉索，外套缓冲弹簧的构造特征，初步拟定截面为：d0＝32mm，t＝3mm；采用等式计算柔度，代入数据得λ＝100.04，而q235钢材λp＝100,有λ＞λp，则该杆为细长杆，可用欧拉公式计算，则钢管截面确定为d0＝32mm，t＝3mm。

建立三维精细化模型(图1)，进行数值计算，计算结果满足设计要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。