一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，所述减震消能构件用于设置于锚头内，所述减震消能构件包括i组对合连接的叠合弹簧件，所述叠合弹簧件包括n个叠合连接的碟形弹簧片，包括以下步骤：步骤一、确定减震消能构件所需承受的荷载[F]，限定单个碟形弹簧片的直径D的取值范围，限定减震消能构件的高度H的范围；步骤二、得到n个碟形弹簧片叠合的荷载F；步骤三、预设消能减震锚杆的消能率为η，计算出n个碟形弹簧片压缩变形量s；步骤四、计算出碟形弹簧的自由高度H。通过对减震消能构件组件情况进行设计计算，快速、准确的得到设置有碟形弹簧的减震消能构件的各项参数，准确的设计出碟形弹簧的组成设计情况。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法
本专利技术涉及锚杆锚头结构消能减震
，具体涉及了一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法。
技术介绍
锚杆是岩土锚固工程中的一种加固构件，在岩土加固工程中得到广泛应用和发展。在锚杆支护中，首先需要按照相关设计钻取一定深度的锚孔，然后将锚筋一端插入锚孔底部并往锚孔内注浆，待注浆体与岩体粘结后，另一端的端部通过紧固螺母锁定，这样，锚杆通过深层稳定岩体提供的拉力，将外层软弱、松动岩土体保持稳定。已有工程案例表明，普通锚杆在地震荷载、冲击荷载等瞬变动荷载作用下，易出现被拉断现象，进而导致锚杆失效，引起工程结构的局部或整体破坏，这种缺陷在巷道及边坡支护中尤为明显。在这种情况下，不同类型的吸能锚杆结构就应运而生。起初的吸能锚杆绝大部分是通过改变杆体的材质或形状对围岩进行支护，具有不可恢复变形特性，并且这类锚杆参数难以严格确定，施工工艺较为复杂，无法保证整体支护系统的可靠性和有效性。后来，国内外众多学者进行大量研究，提出采用在尾部带有消能装置的锚杆来代替传统锚杆，具有可恢复变形特性。尽管众多学者对让压消能锚杆做了大量研究，也取得了诸多成果，但是针对锚杆框架梁提出的消能锚杆较少，也无完整可靠的设计方法。本专利技术提出一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，形成一种具有尺寸小、重量轻、减震效果良好、施工工艺简单等特点的市场化消能构件产品。碟形弹簧又名贝勒维尔弹簧垫圈，其成圆锥形盘状，既可以单个使用，又可以多个串联或并联使用。在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，直至被压平，以储存能量形式作为活载荷。碟形弹簧在机械产品中的应用越来越广，在很大范围内，碟形弹簧正在取代圆柱螺旋弹簧，常用于重型机械中作为强力缓冲和减振弹簧。然而减震消能构件中碟形弹簧的布置形式或数量及直径等因素，都影响着碟形弹簧的承载力及消能效果的变化，在多种因素相关联的情况下，提供一种设置碟形弹簧的减震消能构件的设计方法，对边坡领域来说有着十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术暂无一种设置碟形弹簧的减震消能构件的设计方法的问题，提供一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，本专利技术通过对减震消能构件组件情况进行设计计算，可在预设减震消能构件消能效果的情况下，快速、准确的得到设置有碟形弹簧的减震消能构件的各项参数，准确的设计出碟形弹簧的组成设计情况。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，所述减震消能构件用于设置于锚头内，所述减震消能构件包括i组对合连接的叠合弹簧件，所述叠合弹簧件包括n个叠合连接的碟形弹簧片；其中，n为≥1的自然数，i为≥2的自然数，包括以下步骤：步骤一、根据锚杆框架梁的使用环境，确定减震消能构件所需承受的荷载[F]，限定单个碟形弹簧片的外径D的取值范围，限定减震消能构件的高度H的范围；步骤二、根据所述步骤一限定的单个碟形弹簧片外径D的取值范围，拟定单个碟形弹簧片外径D和叠合弹簧组件中碟形弹簧片的个数n，并确定单个碟形弹簧片的厚度t、单个碟形弹簧片的变形量f、单个碟形弹簧的弹性模量E和泊松比μ，并计算出单个碟形弹簧片最大工作变形量h0，并将D、n、t、f、E和μ代入公式一，得到n个碟形弹簧片叠合后的荷载F，判断F与[F]的误差值，若误差值在设计值的范围内则进行下一步计算，若超出设计值的范围则继续调整步骤一中单个碟形弹簧片外径D的数值再次进行步骤一和步骤二的计算直至误差值在设计值的范围内；其中，所述公式一：公式一中：F为n个碟形弹簧片叠合后的载荷(N)；t为单个碟形弹簧片的厚度(mm)；D为单个碟形弹簧片的外径；f为单片碟形弹簧片的变形量(mm)；h0为单个碟形弹簧片最大工作变形量(mm)；E为单个碟形弹簧片的弹性模量(MPa)；μ为单个碟形弹簧片的泊松比；K1、K4——计算系数；步骤三、确定减震消能构件的消能率或应变减小比为η，将η代入公式二中，得到刚度K，将刚度K代入公式三，得到n个碟形弹簧片压缩变形量[s]；然后再根据公式四得到叠合弹簧件对合组数[i]。若[i]为整数，则[i]即为实际叠合弹簧件对合组数i，[s]值为实际n个碟形弹簧片压缩变形量s，并进行下一步的计算；若[i]为非整数时，将[i]取整得到叠合弹簧件对合组数i，再将i带入公式四得到s，判断s与[s]的误差值，若误差值在设计值的范围内则进行下一步计算，若超出设计值的范围则继续调整步骤一中单个碟形弹簧片外径D的数值再次进行步骤一～步骤三的计算直至误差值在设计值的范围内；其中，所述公式二为：公式二中：η为减震消能构件的消能率或应变减小比(％)；K为刚度；所述公式三为：s＝F/K，公式三中：s为n个碟形弹簧片压缩变形量(mm)，F为n个碟形弹簧片叠合后的荷载(N)，K为刚度；所述公式四为：i＝s/f，公式四中：i为叠合弹簧件对合组数，s为n个碟形弹簧片压缩变形量(mm)，f为单个碟形弹簧片的变形量(mm)；步骤四、将确定的刚度K、单片碟形弹簧片的变形量f、n个碟形弹簧片的荷载F、单个碟形弹簧片最大工作变形量h0、单个碟形弹簧片厚度t代入公式五，计算出n个碟形弹簧片的自由高度H，比较H是否超出所述步骤一中限定高度H的范围，若未超出H的范围则该减震消能构件满足使用要求，否则重新调整所述步骤一中限定的碟形弹簧单个碟形弹簧片外径D的数值重新进行步骤一～四的计算，直至满足计算得到的H值未超出限定的H值的范围；根据步骤一～步骤四确认最终减震消能构件消能率η，减震消能构件所能承受的荷载F，单个碟形弹簧片的外径D，n个碟形弹簧片的自由高度H，叠合弹簧件的对合数i；得到最终碟形弹簧的整体组合情况；所述公式五为：H＝F×(h0+nt)/Kf；公式五中：H为n个碟形弹簧的自由高度(mm)；F为n个碟形弹簧片的载荷(N)；h0为单个碟形弹簧片最大工作变形量(mm)；t为单个碟形弹簧片的厚度(mm)；K为刚度；f为单个碟形弹簧片的变形量(mm)。本专利技术提供的用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，根据使用环境及对象，预设碟形弹簧的承受荷载及消能率，通过对减震消能构件结构进行设计的计算，可快速、准确的得到设置有碟形弹簧的减震消能构件中弹簧直径、叠合个数、对合组数等各项参数，准确的设计出碟形弹簧的组成设计情况，实用性强，操作简单。进一步的，n个叠合连接的碟形弹簧片是指n个碟形弹簧片的一端朝向全部相同。叠合弹簧件对合，是指相邻两个叠合弹簧件的一端朝向相反。进一步的，所述步骤一中，确定减震消能构件所能承受的荷载[F]为50kN～200kN。现有技术圆形螺旋弹簧在承受50kN以上的荷载时，圆形螺旋弹簧的尺寸会超出框架梁结点的尺寸范围，也造成安装不便，使用安全性降低，本专利技术提供的减震消能构件可在框架梁结点尺寸范围内达到预设承受50kN～200kN的荷载，碟形弹簧的成本就会过高，经济效益不大。进一步的，所述公式一中，计算系数K1由以下公式计算得出：其中，C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，其特征在于，所述减震消能构件用于设置于锚头内，所述减震消能构件包括i组对合连接的叠合弹簧件，所述叠合弹簧件包括n个叠合连接的碟形弹簧片；其中，n为≥1的自然数，i为≥2的自然数，包括以下步骤：/n步骤一、根据锚杆框架梁的使用环境，确定减震消能构件所需承受的荷载[F]，限定单个碟形弹簧片的外径D的取值范围，限定减震消能构件的高度H的范围；/n步骤二、根据所述步骤一限定的单个碟形弹簧片外径D的取值范围，拟定单个碟形弹簧片外径D和叠合弹簧组件中碟形弹簧片个数n，并确定单个碟形弹簧片的厚度t、单个碟形弹簧片的变形量f、单个碟形弹簧的弹性模量E和泊松比μ，并计算出单个碟形弹簧片最大工作变形量h

【技术特征摘要】
1.一种用于锚杆框架梁的减震消能构件的设计方法，其特征在于，所述减震消能构件用于设置于锚头内，所述减震消能构件包括i组对合连接的叠合弹簧件，所述叠合弹簧件包括n个叠合连接的碟形弹簧片；其中，n为≥1的自然数，i为≥2的自然数，包括以下步骤：
步骤一、根据锚杆框架梁的使用环境，确定减震消能构件所需承受的荷载[F]，限定单个碟形弹簧片的外径D的取值范围，限定减震消能构件的高度H的范围；
步骤二、根据所述步骤一限定的单个碟形弹簧片外径D的取值范围，拟定单个碟形弹簧片外径D和叠合弹簧组件中碟形弹簧片个数n，并确定单个碟形弹簧片的厚度t、单个碟形弹簧片的变形量f、单个碟形弹簧的弹性模量E和泊松比μ，并计算出单个碟形弹簧片最大工作变形量h0，并将D、n、t、f、E和μ代入公式一，得到n个碟形弹簧片叠合后的荷载F，判断F与[F]的误差值，若误差值在设计值的范围内则进行下一步计算，若超出设计值的范围则继续调整步骤一中单个碟形弹簧片外径D的数值，再次进行步骤一和步骤二的计算直至误差值在设计值的范围内；
其中，所述公式一：
公式一中：K1、K4——计算系数；
步骤三、确定减震消能构件的消能率或应变减小比为η，将η代入公式二中，得到刚度K，将刚度K代入公式三，得到n个碟形弹簧片压缩变形量[s]；然后再根据公式四得到叠合弹簧件对合组数[i]；若[i]为整数，则[i]即为实际叠合弹簧件对合组数i，[s]值为实际n个碟形弹簧片压缩变形量s，并进行下一步的计算；
若[i]为非整数时，将[i]取整得到叠合弹簧件对合组数i，再将i带入公式四得到s，判断s与[s]的误差值，若误差值在设计值的范围内则进行下一步计算，若超出设计值的范围则继续调整步骤一中单个碟形弹簧片直径D的数值再次进行步骤一～步骤三的计算直至误差值在设计值的范围内；
其中，所述公式二为：

所述公式三为：s＝F/K；所述公式四为：i＝s/f；
步骤四、将确定的刚度K、单片碟形弹簧片的变形量f、n个碟形弹簧片的荷载F、单个碟形弹簧片最大工作变形量h0、单个碟形弹簧片厚度t代入公式五，计算出n个碟形弹簧片的自由高度H，比较H是否超出所述步骤一中限定高度H的范围，若未超出H的范围则该减震消能构件满足使用要求，否则重新调整所述步骤一中限定的碟形弹簧单个碟形弹簧片外径D的数值重新进行步骤一～步骤四的计算，直至满足计算得到的H值未超出限定的H值的范围；根据步骤一～步骤四确认最终减震消能构件消能率η，减震消能构件所能承受的荷载F，单个碟形弹簧片的外径D，n个碟形弹簧片的自由高度H，叠合弹簧件的对合数i；得到最终碟形弹簧的整体组合情况；
所述公式五为：H＝F×(h0+nt)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钢，罗朝远，赵明志，王光义，周群，
申请(专利权)人：四川华佑天成科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51