具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的制作方法

本发明涉及一种消能装置，尤其涉及一种用于落石、泥石流等运动物体拦挡结构中用以吸收运动物体冲击动能并对拦挡结构起过载保护作用的缓冲消能装置。

背景技术：

由各种金属网、钢丝绳和支撑结构等构成的拦挡结构，因其良好的抗冲击能力和施工安装快捷方便等优势，已广泛用于公路、铁路、水电站等工程的施工和运行安全防护，用以拦截运动的边坡滚落石、滑动的岩土体、泥石流、雪崩和爆破飞石等运动物体，或者控制这些运动物体的运动路径和运动范围。为了经济有效地提高这类拦挡结构的防护能力，在拦挡结构的结构体系内引入能够吸收运动物体冲击动能并具有过载保护作用的缓冲消能装置成为了一种常用措施，并出现了各种类型的缓冲消能装置。

在缓冲消能装置的开发研究和应用过程中，人们发现，为了避免缓冲消能装置的过早启动或工作荷载过大带来的拦挡结构后期维护工作量增大或变形过大等不足，维持缓冲消能装置启动和后续工作荷载的恒定是一种最佳选择。为此，本申请人的专利号为zl200920310150.7，名称为“用于钢丝拉绳的消能装置”的发明专利，公开了一种消能装置，它包括至少一根金属带及夹持结构，金属带从夹持结构的限位缝穿过并与夹持结构紧配合，金属带的一端为自由端并设置有限位结构，另一端与钢丝拉绳连接，夹持结构通过连接件锚固；在拦挡结构受运动物体冲击作用的过程中，当钢丝拉绳内产生的张力达到一定程度后，在张力作用下金属带被逐渐拉出，自由端逐渐缩短，其启动和工作荷载大小仅取决于金属带的材质特性、横断面尺寸和夹持结构尺寸，从而可以通过这些影响因素的控制来实现工作荷载的恒定。已有的应用表明这种缓冲消能装取得了较好的应用效果，然而试验研究表明，尽管这种缓冲消能装置在缓慢加载的准静态试验条件下的启动和工作荷载近于相等且工作荷载近于恒定(参见图10中曲线a)，但在拦挡结构受运动物体冲击作用时，钢丝拉绳内的张力表现为快速增加的动态特征，因此，除金属带移动过程中的变形阻力外，金属带开始被拉出的初始瞬间即缓冲消能装置的启动瞬间还存在惯性作用以及静动摩擦作用转换的额外阻力作用，从而导致启动荷载呈现出明显高于后续工作荷载的峰值荷载特征(参见图10中曲线b)，使得建立在最大作用荷载基础上的拦挡结构设计及其工程应用现场的固定基础设计仍不够经济，有必要通过一定技术手段来削减缓冲消能装置的启动荷载峰值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置。

为解决上述问题采用的技术方案是：具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置包括变形吸能带和夹持结构，夹持结构内设置有变形通道，变形吸能带穿过变形通道，变形通道使变形吸能带弯曲，变形吸能带位于变形通道内及邻近变形通道的部分为变形吸能带启动段，位于变形吸能带启动段两端的变形吸能带部分分别为变形吸能带拉伸段和变形吸能带自由段，以沿变形通道宽度方向设置的轴为基准轴，在中心距基准轴距离相同的情况下，变形吸能带启动段的横截面对于基准轴的惯性矩小于变形吸能带自由段的横截面对于基准轴的的惯性矩。

进一步的是：变形吸能带启动段的中部沿变形吸能带长度方向设置有长孔。

进一步的是：变形吸能带启动段的一侧或两侧沿变形吸能带长度方向设置有长槽。

进一步的是：变形吸能带为金属板带。

为解决上述问题采用的另一技术方案是：具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置，包括变形吸能带和夹持结构；夹持结构内设置有变形通道，变形吸能带穿过变形通道，变形通道使变形吸能带被压扁，变形吸能带位于变形通道一侧且临近变形通道的部分为变形吸能带启动段，位于变形吸能带启动段两端的变形吸能带部分分别为变形吸能带拉伸段和变形吸能带自由段；以沿变形通道宽度方向设置的轴为基准轴，在中心距基准轴距离相同的情况下，变形吸能带启动段的横截面对于基准轴的惯性矩小于变形吸能带自由段的横截面对于基准轴的惯性矩，并且由靠近变形吸能带拉伸段一端至靠近变形吸能带自由段一端，变形吸能带启动段的横截面对于基准轴的惯性矩平缓增加。

进一步的是：变形通道使变形吸能带被压扁且被弯曲。

进一步的是：变形吸能带内具有沿其长度方向设置的空腔或槽以利于变形吸能带被压扁。

进一步的是：变形吸能带为金属管；变形吸能带启动段被压扁，并且由靠近变形吸能带拉伸段一端至靠近变形吸能带自由段一端，变形吸能带启动段的压扁量平缓减少。

本发明的有益效果是：与不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置相比，由于本发明的变形吸能带启动段横截面惯性矩相对减小，变形吸能带启动段在被拉出通过变形通道的过程中，其弹塑性变形阻力也相对减小，从而削减了缓冲消能装置的启动荷载峰值(参见图10中曲线c)，使得应用本缓冲消能装置的拦挡结构的其他构件内的荷载峰值也相应减小，可以实现更为经济的拦挡结构设计及其工程应用现场的固定基础设计。

此外，具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的变形吸能带启动段弹塑性变形阻力相对减小，实际上也必然带来准静态试验条件下该类缓冲消能装置启动荷载的降低，其准静态荷载-位移曲线特征(参见图10中曲线d)可以用于判定缓冲消能装置在动态荷载作用下是否具有启动荷载削峰作用。

附图说明

图1是第一种技术方案的具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是第一种技术方案的一种变形吸能带的展开图；

图4是第一种技术方案的另一种变形吸能带的展开图；

图5是第二种技术方案的具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的结构图；

图6是与第二种技术方案对应的不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的结构图；

图7是与第二种技术方案对应的缓冲消能装置的稳定工作状态图；

图8是第二种技术方案的变形吸能带的一种结构图；

图9是第二种技术方案的变形吸能带的另一种结构图；

图10是具有和不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的静态和动态荷载-位移曲线对比示意图；

图11惯性矩对比计算示意图；

图中标记为：变形吸能带1、变形吸能带启动段11、长孔111、长槽112、变形吸能带拉伸段12、拉伸段连接孔121、变形吸能带自由段13、正常压扁过度段14、夹持结构2、夹持结构连接孔21、限位件22、变形通道23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1和图2所示为具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的一种技术方案，具体是：具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置包括变形吸能带1和夹持结构2，夹持结构2内设置有变形通道23，变形吸能带1穿过变形通道23，变形通道23使变形吸能带1弯曲，变形吸能带1位于变形通道23内及邻近变形通道23的部分为变形吸能带启动段11，位于变形吸能带启动段11两端的变形吸能带1部分分别为变形吸能带拉伸段12和变形吸能带自由段13，以沿变形通道23宽度方向设置的轴为基准轴，在中心距基准轴距离相同的情况下，变形吸能带启动段11的横截面对于基准轴的惯性矩小于变形吸能带自由段13的横截面对于基准轴的的惯性矩。

本技术方案的缓冲消能装置的工作过程和原理为：将夹持结构2与地面或其他固定物件连接，将变形吸能带拉伸段12与需缓冲消能的物件连接(例如金属拦挡网的钢丝拉绳)。以金属拦挡网为例：当金属拦挡网受到冲击时，冲击力通过钢丝拉绳传递到变形吸能带拉伸段12，变形吸能带1启动并进入持续的缓冲消能工作状态。变形吸能带启动段11被拉出变形通道23，变形吸能带自由段13进入变形通道23并又被拉出。此过程中，变形吸能带1发生弹塑性弯曲变形并与变形通道23的通道壁间产生摩擦阻力作用而吸收和消散能量，直至拦挡网的钢丝绳等其他构件内的荷载剧增过程因张紧状态得到缓解而趋于缓和。本发明避免了金属拦挡网过载破坏，或者说本发明的启动工作对金属拦挡网起到了过载保护作用。由于变形吸能带启动段11滑移释放结束后，变形吸能带1中参与变形吸能的材料数量和几何形态近于恒定，使缓冲消能装置的后续工作荷载也近于恒定而处于稳定工作状态。

本技术方案的缓冲消能装置与不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置相比，由于本发明的变形吸能带启动段11的惯性矩相对减小，变形吸能带启动段11在通过变形通道23的过程中，其弹塑性弯曲变形阻力也相对减小，从而削减了缓冲消能装置的启动荷载峰值(参见图10中曲线c)，使得与其连接的金属拦挡网的构件内的荷载峰值也相应减小。

本技术方案适用于横截面形状和尺寸难以变化并且弯曲时能够产生明显变形阻力的变形吸能带1，例如金属板带。变形吸能带启动段11的惯性矩相对减小的具体方式可以是采用在基准轴方向上变形吸能带启动段11的横截面材料减少，横面材料减少可以如图3所示，在变形吸能带启动段11的中部沿变形吸能带11长度方向设置有长孔111。或如图4所示，在变形吸能带启动段11的一侧或两侧沿变形吸能带11长度方向设置有长槽112。

本技术方案的夹持结构2的具体结构可以如图1和图2所示，夹持结构2的主体是一大致为y形且具有内腔的零件，夹持结构2的主体上连接限位件22，为了方便夹持结构2与地面或固定物件连接，夹持结构2的主体上设置有夹持结构连接孔21。变形吸能带1插入夹持结构2，并绕过限位件22后伸出夹持结构2；为了方便与需缓冲消能的物件连接，变形吸能带拉伸段12上设置有拉伸段连接孔121。图1和图2所示的夹持结构2主体的内腔壁与限位件22之间形成了变形通道23，该变形通道23使得变形吸能带1弯曲成了u形。可调整夹持结构2的主体内腔壁的形状或限位件22的数量和形状，使变形吸能带1能够被弯曲成其他形状，例如v形、波浪线或s形。

图5所示为具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置的另一种技术方案，具体是：具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置，包括变形吸能带1和夹持结构2；夹持结构2内设置有变形通道23，变形吸能带1穿过变形通道23，变形通道23使变形吸能带1被压扁，变形吸能带1位于变形通道23一侧且临近变形通道23的部分为变形吸能带启动段11，位于变形吸能带启动段11两端的变形吸能带1部分分别为变形吸能带拉伸段12和变形吸能带自由段13；以沿变形通道23宽度方向设置的轴为基准轴，在中心距基准轴距离相同的情况下，变形吸能带启动段11的横截面对于基准轴的惯性矩小于变形吸能带自由段13的横截面对于基准轴的惯性矩，并且由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，变形吸能带启动段11的横截面对于基准轴的惯性矩平缓增加。

本技术方案的缓冲消能装置的工作过程和原理与前一技术方案的缓冲消能装置大致相同。区别是本技术方案的缓冲消能装置主要依靠变形通道23压扁变形吸能带1过程中产生的阻力来实现缓冲消能。

本技术方案适用于能够被压扁的变形吸能带1，例如变形吸能带1由能够产生较大弹性或塑性变形的材料制成，或者变形吸能带1内具有沿其长度方向设置的空腔或槽，例如金属管、具有切口的金属管、c型钢或槽钢等型钢。由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，变形吸能带启动段11的惯性矩平缓增加的具体实现方式推荐为：变形吸能带启动段11被压扁，并且由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，变形吸能带启动段11的压扁量平缓减少。

本技术方案的夹持结构2的具体结构可以如图5所示，夹持结构2的主体上连接限位件22，为了方便夹持结构2与地面或固定物件连接，夹持结构2的主体上设置有夹持结构连接孔21。变形吸能带1通过变形通道23后直接被拉出而不绕过限位件22；为了方便与需缓冲消能的物件连接，变形吸能带拉伸段12上设置有拉伸段连接孔121。本技术方案的夹持结构2也可采用前一技术方案的如图1和图2所示的夹持结构2，此时变形通道23使变形吸能带1被压扁且弯曲。相应的，变形吸能带1弯曲产生的阻力与压扁阻力一起实现缓冲消能。相应的变形吸能带1的形状如图9所示。

与本技术方案对应的不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置如图6所示，变形吸能带1在靠近变形通道23处具有正常压扁过渡段14，变形吸能带1要通过变形通道23必然是要被压扁的，压扁处与未被压扁处的过渡段即正常压扁过渡段14。变形吸能带启动段11与正常压扁过渡段14的对比如图8所示，变形吸能带启动段11相对更长，截面形状的变化较平缓。“变形吸能带启动段11的压扁量平缓减少”即是指变形吸能带启动段11的压扁量的变化较正常压扁过渡段14的压扁量变化更平缓。本技术方案的缓冲消能装置在变形吸能带1所受拉力作用下经历了启动阶段后的稳定工作状态如图7所示，同样形成了正常压扁过渡段14，该正常压扁过渡段14与不具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置具有的正常压扁过渡段14相同。

上述两种技术方案的变形吸能带启动段11的惯性矩小于变形吸能带自由段13的惯性矩可以通过横截面惯性矩的对比计算来说明。如图11所示：f、h分别为图1和图5所示的缓冲消能装置变形吸能带启动段11的横截面示意图，e、g分别为对应的缓冲消能装置变形吸能带自由段13的横截面示意图，z轴为基准轴，y轴与z轴垂直，ds为横截面内一材料微元面积，该微元到z轴的距离为y，则各横截面对z轴的惯性矩iz可以一般性地计算为横截面各材料微元面积ds与各微元至z轴的距离y的二次方乘积在横截面材料区域面积s内的积分：

iz＝∫sy²ds

由上式可以看出，图11中e、f横截面内各对应微元到z轴的距离y相同，但变形吸能带启动段11横截面f的材料积分区域面积s，相对于变形吸能带自由段13横截面e的材料积分区域s面积变小，计算所得的惯性矩iz也必然变小。图11中g、h横截面内材料积分区域面积s相同，但变形吸能带启动段11横横截面h的材料积分区域面积s内各对应微元到z轴的距离y，相对于变形吸能带自由段13横截面g的材料积分区域s内各对应微元到z轴的距离y变小，计算所得的惯性矩iz也必然变小。

实施例1

如图1、图2和图3所示，具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置包括变形吸能带1和夹持结构2，夹持结构2的主体是一大致为y形且具有内腔的零件，夹持结构2的主体上连接限位件22，夹持结构2的主体上设置有夹持结构连接孔21，夹持结构2的主体内腔壁与限位件22之间形成了u形的变形通道23。变形吸能带1为金属板带，变形吸能带1插入夹持结构2，并绕过限位件22后伸出夹持结构2，从而变形吸能带1被弯曲成u形。变形吸能带1位于变形通道23内及邻近变形通道23的部分为变形吸能带启动段11，位于变形吸能带启动段11两端的变形吸能带1部分分别为变形吸能带拉伸段12和变形吸能带自由段13。变形吸能带启动段11的中部沿变形吸能带11长度方向设置有长孔111，由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，长孔111的宽度逐渐减小。变形吸能带拉伸段12上设置有拉伸段连接孔121。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别是：变形吸能带启动段11的一侧或两侧沿变形吸能带11长度方向设置有长槽112，由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，长槽112的深度逐渐减小。

实施例3

如图5所示：具有启动荷载削峰作用的缓冲消能装置，包括变形吸能带1和夹持结构2；夹持结构2主体上连接有限位件22，夹持结构2的主体上设置有夹持结构连接孔21，限位件22与夹持结构2主体件形成缝隙，该缝隙为变形通道23。变形吸能带1为金属管，变形吸能带1一端被完全压扁从而穿过变形通道23，其余部分未被压扁或未被完全压扁而位于变形通道23另一侧。变形吸能带1位于变形通道23一侧且临近变形通道23的未被完全压扁的部分为变形吸能带启动段11，位于变形吸能带启动段11两端的变形吸能带1部分分别为变形吸能带拉伸段12和变形吸能带自由段13。由靠近变形吸能带拉伸段12一端至靠近变形吸能带自由段13一端，变形吸能带启动段11的压扁量平缓减少。变形吸能带拉伸段12上设置有拉伸段连接孔121。

实施例4

本实施例与实施例3的区别是：如图9所示，变形吸能带1呈u形，夹持结构2采用实施例1所采用的夹持结构2替代实施例3的夹持结构2。