棚洞减震器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种棚洞减震器及其设计方法，棚洞减震器包括两端开口的金属管和采用抗冲击防护材料制成的内衬体，所述金属管的侧壁被配置呈波纹状；所述内衬体放置于所述金属管内，且所述内衬体的高度低于金属管的高度，其所有侧壁与金属管内壁之间均具有一间隙；所述金属管的上下端面设置有将内衬体封装于金属管内的金属支撑板。棚洞减震器设计方法包括计算金属管的直径

Shed shock absorber and its design method

The invention discloses a shed tunnel shock absorber and its design method, including shock absorber shed hole open at both ends of the metal tube and the inner liner of anti shock material, the side wall of the metal pipe is a corrugated configuration; the lining body is arranged on the metal tube, and the inner lining the body is lower than the height of metal tube height, all of its side wall and inner wall of metal pipe are provided with a gap; the metal tube is arranged on the lower end face of the inner package of metal in the metal tube support plate. The design method of shed shock absorber includes calculating the diameter of metal tube

【技术实现步骤摘要】
棚洞减震器及其设计方法
本专利技术涉及放置于滚石防护棚洞顶板下的减震装置，具体涉及一种棚洞减震器及其设计方法。
技术介绍
棚洞工程作为一种有效的滚石防护措施被广泛应用于山区公路滚石防护。传统的棚洞结构在上部覆盖一定厚度的砂砾石垫层来吸收滚石冲击能量，但其存在一定的缺陷。首先，棚洞本身的混凝土结构及其顶板上部覆盖的砂砾石缓冲垫层，导致整体棚洞结构的自重较大，进而使得施工成本大大提高并要求更高的地基承载力。其次，当有滚石冲击到这类棚洞顶部之后，清理工作很难进行，长此以往垫层的耗能效果将大大削弱，若是由于冲击造成结构损伤，那么修复工作将更加困难。另外目前在国内，很多的棚洞工程由于工程地质条件或是建设成本的限制，没有设置砂砾石垫层作为缓冲，棚洞被滚石砸坏甚至砸穿的事例屡见不鲜。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的棚洞减震器及其设计方法解决了现有棚洞抗冲击性能差的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：第一方面，提供一种棚洞减震器，其包括两端开口的金属管和采用抗冲击防护材料制成的内衬体，金属管的侧壁被配置呈波纹状；内衬体放置于金属管内，且内衬体的高度低于金属管的高度，其所有侧壁与金属管内壁之间均具有一间隙；金属管的上下端面设置有将内衬体封装于金属管内的金属支撑板。进一步地，金属管每段向内凹陷的波纹弧长和向外凸起的波纹弧长的半径均相等。进一步地，金属管的直径为σ0为金属管的屈服应力；t为金属管的壁厚；K为修正系数；Py为金属管的初始屈服载荷；金属管每段波纹弧长的半径为a为常数，其取值为0.4～0.7；金属管每段波纹弧长所对应的圆心角为m为金属管的偏心率因子；金属管的高度为H1＝1.5D1。进一步地，内衬体为圆柱体，抗冲击防护材料为泡沫铝；内衬体的高度为H2＝1.5D1-b，b为金属管出现第一个叠缩时的轴向压缩量；内衬体的直径为D2＝D1-2Rin，Rin为金属管压缩后的内半径。第二方面，提供一种棚洞减震器的设计方法，其包括以下步骤：获取棚洞所在路面的最大路面支座反力和棚洞板的重量，并采用最大路面支座反力和棚洞板的重量计算金属管的初始屈服载荷；根据金属管的初始屈服载荷，计算金属管的直径：其中，σ0为金属管的屈服应力；t为金属管的壁厚；D1为金属管的直径；K为修正系数；Py为金属管的初始屈服载荷；计算金属管每段波纹弧长的半径：其中，a为常数，其取值为0.4～0.7；获取金属管的偏心率因子，并根据偏心率因子计算金属管每段波纹弧长所对应的圆心角：其中，m为金属管的偏心率因子，α为每段波纹弧长所对应的圆心角；根据金属管的直径，计算金属管的高度：H1＝1.5D1；获取金属管出现第一个叠缩时的轴向压缩量，并根据轴向压缩量计算内衬体的高度：H2＝1.5D1-b其中，b为金属管出现第一个叠缩时的轴向压缩量，H2为内衬体的高度；根据金属管的直径和金属管压缩后的内半径，计算内衬体的直径：D2＝D1-2Rin其中，Rin为金属管压缩后的内半径。进一步地，金属管的初始屈服载荷的计算公式为：其中，Py为金属管的初始屈服载荷；Pmax为最大路面支座反力；mr为棚洞板的重量。进一步地，金属管压缩后的内半径的计算公式为：Rin＝(1-m)2r。进一步地，金属管的偏心率因子的计算公式为：其中，Rout为金属管压缩后的外半径，Rin为金属管压缩后的内半径；R0为金属管未压缩时的中面半径；进一步地，金属管的厚度t的取值范围3mm～4mm，当t为4mm时，K为1.2；当t为3.5mm时，K为1.5；当t为3mm时，K为1.3。进一步地，当棚洞所在路段为大块石冲击频发段时，则a的取值应为0.4；当棚洞所在路段为小型块石频发段时，则系数a的取值应为0.7；否则，a的取值应0.6。本专利技术的有益效果为：本方案将金属管的侧壁采用呈波纹状的设计，通过人为设置塑性铰的方式降低棚洞减震器的初始屈服荷载，以使金属管受到轴向压缩后直接进入金属管的后屈曲阶段，而达到棚洞结构自身的抗滚石冲击强度优于棚洞减震器的初始屈服强度。金属管进入屈曲阶段后，内衬体开始受到外界冲击载荷冲击，其通过自身的大变形消耗大量的功，将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等方式耗散能量，以达到有效地吸收外界的冲击能量，通过内衬体能够缓解金属管在平时使用中的蠕变效应，延长耗能减震器的使用寿命和耐久度，并进一步增强减震器在叠缩阶段的整体稳定性和耗能效果。棚洞减震器的各个结构参数可以根据棚洞所在处的最大路面支座反力和棚洞板的重量进行快速设计，以能够更好地满足具体棚洞的抗冲击性能，使得棚洞工程建设成本更低，维修更方便，抗冲击性能大大提升，具有广泛的适用性。附图说明图1为棚洞减震器的结构示意图。图2为棚洞减震器的金属管的局部放大图。图3为金属管受轴向载荷时力与位移关系曲线图。图4为金属管与圆柱壳受轴向载荷时的力与位移关系曲线对比图。图5为棚洞减震器的设计方法的流程图。其中，1、金属管；11、波纹弧长；2、金属支撑板；3、内衬体。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。参考图1和图2，图1示出了棚洞减震器的结构示意图；图2示出了棚洞减震器的金属管1的局部放大图。如图1和图2所示，该棚洞减震器包括两端开口的金属管1和采用抗冲击防护材料制成的内衬体3，金属管1的侧壁被配置呈波纹状。为了便于金属管1的加工及每个波纹弧形段承载冲击载荷的一致性，本方案将金属管1每段向内凹陷的波纹弧长11的半径和向外凸起的波纹弧长11的半径设计成相等。实施时，本方案优选金属管1为采用Q235金属圆柱壳的薄壁加工而成的波纹管，金属管1的薄壁加工为波纹状的形式，即以人为设置塑性铰的方式来降低减震器初始屈服荷载、稳定金属管的屈曲过程。由于抗冲击防护材料的强度性能较弱的特点，其不能作为支撑棚洞的支撑材料，故在设计时为了保证整个减震器的稳定性，故将内衬体3放置于金属管1内，并将内衬体3的高度设计成低于金属管1的高度。为了保证内衬体3开始受到外界冲击载荷冲击，其通过自身的大变形消耗大量的功，将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等形式耗散能量，以达到有效地吸收外界的冲击能量的目的，将内衬体3的尺寸设置成小于金属管1的内径，即内衬体3外侧壁不与金属管1的内侧壁接触。为了便于将减震器安装在棚洞板与棚洞板支撑柱之间，在金属管1的上下端面设置有将内衬体3封装于金属管1内的金属支撑板2，这样可以通过金属支撑板2分别固定于棚洞板与棚洞板支撑柱上，以实现减震器的安装。另外，金属支撑板2还能够在棚洞受到冲击时，确保金属管1或内衬体3同一平面处的每一着力点承受载荷的均匀性。实施时，金属支撑板2优选为方形Q345金属钢材，其上设置有若干螺钉孔，其采用焊接的方式焊接于金属管1的两端后，通过在棚洞板和棚洞板支撑柱上预埋的高强螺栓与减震器连接，以达到发挥其优良的耗能减震效果。在本专利技术的一个实施例中，金属管1的直径为σ0为金属管1的屈服应力；t为金属管1的壁厚；K为修正系数；金属管1本文档来自技高网...

【技术保护点】
棚洞减震器，其特征在于，包括两端开口的金属管和采用抗冲击防护材料制成的内衬体，所述金属管的侧壁被配置呈波纹状；所述内衬体放置于所述金属管内，且所述内衬体的高度低于金属管的高度，内衬体所有侧壁与金属管内壁之间均具有一间隙；所述金属管的上下端面设置有将内衬体封装于金属管内的金属支撑板。

【技术特征摘要】
1.棚洞减震器，其特征在于，包括两端开口的金属管和采用抗冲击防护材料制成的内衬体，所述金属管的侧壁被配置呈波纹状；所述内衬体放置于所述金属管内，且所述内衬体的高度低于金属管的高度，内衬体所有侧壁与金属管内壁之间均具有一间隙；所述金属管的上下端面设置有将内衬体封装于金属管内的金属支撑板。2.根据权利要求1所述的棚洞减震器，其特征在于，所述金属管每段向内凹陷的波纹弧长和向外凸起的波纹弧长的半径均相等。3.根据权利要求1或2所述的棚洞减震器，其特征在于，所述金属管的直径为σ0为金属管的屈服应力；t为金属管的壁厚；K为修正系数；Py为金属管的初始屈服载荷；金属管每段波纹弧长的半径为a为常数，其取值为0.4～0.7；金属管每段波纹弧长所对应的圆心角为m为金属管的偏心率因子；金属管的高度为H1＝1.5D1。4.根据权利要求3所述的棚洞减震器，其特征在于，所述内衬体为圆柱体，所述抗冲击防护材料为泡沫铝；所述内衬体的高度为H2＝1.5D1-b，b为金属管出现第一个叠缩时的轴向压缩量；内衬体的直径为D2＝D1-2Rin，Rin为金属管压缩后的内半径。5.一种权利要求1-4任一所述的棚洞减震器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取棚洞所在路面的最大路面支座反力和棚洞板的重量，并采用最大路面支座反力和棚洞板的重量计算金属管的初始屈服载荷；根据所述金属管的初始屈服载荷，计算金属管的直径：其中，σ0为金属管的屈服应力；t为金属管的壁厚；D1为金属管的直径；K为修正系数；Py为金属管的初始屈服载荷；计算金属管每段波纹弧长的半径：其中，a为常数，其取值为0.4～0.7；获取金属管的偏心率因子，并根据所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东坡，黄畇坤，何思明，裴向军，吴永，史展，欧阳朝军，李新坡，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51