一种柔性防护棚洞及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种带耗能减震器的柔性防护棚洞及其设计方法。针对现有技术中耗能减震棚洞仅适用于直柱式棚洞的不足，本发明专利技术提供了一种带有耗能减震的柔性防护棚洞及其设计方法。防护棚洞包括棚体、支座，以及连接棚体与支座的耗能减震器，棚体是拱式结构，棚体包括多根平行并排的钢结构主拱圈，主拱圈通过网状排列的支撑圆管连接成一体；主拱圈外侧安装双层柔性防护网，所述柔性防护网是环形钢丝网，该棚洞特别适用于安装在桥面路段上方。本发明专利技术还提供上述防护棚洞的设计方法，解决耗能减震器壁厚设计参数的确定。本发明专利技术产品结构简单、建设容易、防护效果好，特别适用于桥面路段上方；棚洞设计方法原理可靠、过程简便，适用于工程领域需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种棚洞及其设计方法，特别是涉及一种安装于桥面路段上带耗能减震器的柔性棚洞及其设计方法，属于工程建筑领域。
技术介绍
棚洞是修建在半路堑地段，为防御坍方、落石的棚式建筑物。修建棚洞是山区道路交通中为防治崩塌滚石毁坏道路路面，最大限度降低崩塌滚石灾害危害而实施的灾害防治工程。在工程实际中，通常按材料将棚洞分为混凝土棚洞与钢结构棚洞两类，或者按结构将棚洞分为墙式棚洞、钢架式棚洞、直柱式棚洞、悬臂式棚洞、拱形棚洞5类。《新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究》(岩石力学与工程学报，2010，(5) 926-932) 一文公开了一种耗能减震棚洞，通过在棚洞支座处增设耗能减震器(SDR)替代砂石垫层吸收滚石的冲击能量，改变棚洞结构体系的刚度，以便最大程度的达到耗能减震、降低结构自重的目的。该棚洞属于直柱式棚洞结构，主要由棚洞板、耗能减震器与刚性支撑柱组成，具体属于一种钢结构和混凝土混合结构的直柱式棚洞。作者在文献中说明，该棚洞自重较大，只适合于路面路基坚固路段；同时，在工程实际中，直柱式棚洞的适用范围有限。从理论分析，拱形棚洞的结构比直柱式棚洞的结构更合理，抗震性能也比墙式棚洞、钢架式棚洞、直柱式棚洞、悬臂式棚洞更优越，因而应用最为广泛。因此该文献提供的新型耗能减震直柱式棚洞在工程实际中适用性有限。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种带耗能减震器的拱形棚洞及其设计方法，该棚洞适用范围更广，且特别适合于桥面路段的防护。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下—种柔性防护棚洞，包括棚体、支座，以及连接棚体与支座的耗能减震器，其特征在于防护棚洞安装在桥面路段上方，所述棚体是拱式结构，棚体包括多根平行并排的钢结构主拱圈，主拱圈通过网状排列的支撑圆管连接成一体；主拱圈外侧安装双层柔性防护网， 所述柔性防护网是环形钢丝网。上述防护棚洞的第一项主要特点是棚洞的棚体采用拱式结构，在优化条件下，可采用全拱式棚体。拱式棚体由于具有结构更合理、建造更方便、材料选择的扩展性更强、棚洞适用性更高等特点，因此在工程实际中使用更为广泛。相比较于现有技术中公开的直柱式棚洞，拱式棚洞的设计需要解决不同的技术问题，包括棚洞冲击变形不一样，耗能器受力变形模式不一样(侧向力不可忽略)等。因此，尽管在直柱式棚洞上安装耗能减震器已为现有技术所公开，然而通过在拱式棚洞上增设耗能减震器，在最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构系统柔度，达到耗能减震目的，最终通过耗能减震器的变形来耗散冲击能， 大幅度降低棚洞结构建设成本的技术问题并未得到解决。本专利技术提供的以拱式棚洞为主体结构的防护棚洞解决了该技术问题。上述防护棚洞棚体采用柔性轻钢结构，包括多根平行并排的钢结构主拱圈，主拱圈通过网状排列的支撑圆管连接成一体，主拱圈内外侧面分别安装内层柔性防护网与外层柔性防护网。柔性防护网采用环形钢丝网，主拱圈采用H型钢，支撑圆管通常采用钢管。上述防护棚洞的第二项主要特点是安装在桥面路段上方。桥面路段是指路面由支柱支撑的路段，包括桥梁、公路、铁路高架桥等。相对于普通防护棚洞而言，安装在桥面路段的棚洞需要棚洞具有结构轻、支柱所需空间小、滚石冲击下桥面受力足够小的特性。本专利技术提供的防护棚洞通过结构改进与材料选择，在增加棚洞抗冲击能力的基础上，保证了棚洞自重轻、占地空间小，不会过度增加桥面负载，因此特别适合于桥面路段的防护工程中使用。本专利技术还提供上述防护棚洞的设计方法，具体技术方案如下上述防护棚洞的设计方法，首先通过工程地质勘察确定滚石的最大冲击能量，通过桥面设计数据确定安装棚洞的桥面所能承受的最大桥面支座反力，其次确定棚洞主拱圈初步几何参数、支撑圆管初步几何参数、支座初步几何参数、耗能减震器初步材料参数；最后计算确定耗能减震器的壁厚参数；其特征在于耗能减震器的壁厚参数依如下方法计算确定耗能减震器的壁厚依式1计算确定t= ((Pfflax/6ko0)2/D)1/3式 1式中，t——耗能减震器的壁厚，(mm)；Pfflax——支座最大反力，根据桥面设计数据确定，(kN)；σ0—耗能减震器圆柱材料的屈服应力，根据查阅材料手册或产品手册确定， (MPa)；D——耗能减震器的截面直径，根据支座初步几何参数与主拱圈几何参数确定， (mm)；k——系数，取值4 6。系数k表示桥面路段承受的最大支座反力与平均支座反力之间的比值。本专利技术通过大量有限元数值计算确定系数k取值4 6。当桥面路段安全系数足够高不需要频繁更换耗能减震器，或者频繁更换耗能减震器不便时，棚洞设计要点在于提高耗能减震器寿命， 则系数k取值为4 ；当桥面路段安全系数不足可能需要多次更换耗能器时，系数k取值为6 ； 除此以外的一般情况下，系数k可取值5。在棚洞设计中，关键的问题是如何确定耗能减震器的结构参数，包括高度、直径D 与壁厚t。其中高度对耗能减震功效的影响可以忽略不计，直径D根据支座初步几何参数与主拱圈几何参数确定，通常取值为D= 10、20、30mm。因此，在上述棚洞设计中，关键的技术问题最终转化为耗能减震器壁厚t参数的确定。在现有技术中，耗能减震器壁厚t是通过平均压垮荷载计算确定的。平均压垮荷载是指耗能减震器在通过不断叠缩耗能的过程中，其承载力出现周期变化特征，并存在的一个相对稳定的平均值。根据静力学圆柱管轴向平均承载力与圆柱管直径和厚度的经验关系= 6a0t4Dt ,其中P·是圆柱叠缩后的平均承载力，σ ^是圆柱材料的屈服应力，D是耗能减震器的直径，t是耗能减震器的壁厚。但是，在桥面上拱形棚洞的耗能减震器设计中，由于需要考虑最大承载力与平均承载力的差异、侧向作用下、动力学效应等因素，上述公式并不适用。本专利技术通过有限元数值计算，确定钢结构最大支座反力Pmax与耗能减震器特征参数间存在下式2表达的关系户腿=6^^。^/57式2式中，Pfflax——支座最大反力，根据桥面设计数据确定(kN)；σ0—耗能减震器圆柱材料的屈服应力，根据查阅材料手册或产品手册确定 (MPa)；t——耗能减震器的壁厚，(mm)；D——耗能减震器的截面直径，根据支座初步几何参数与主拱圈几何参数确定， (mm)；k——系数，取值4 6。。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是(1)专利技术提供了一种增设有耗能减震器的拱式棚体的棚洞，结合了耗能减震器与拱式棚洞的优点，具有广泛的工程适用性；(2)棚体采用双层柔性网钢结构辅以PVC材料使棚体具有自重轻、占地小、柔性好、防冲击性能高的特点，特别适合于桥面路段的防护工程；(3)棚洞结构简单，具有安装、拆卸方便，不影响交通，工厂加工制作，标准化作业，建设成本低，便于维护与修复等优点；(4)棚洞关键设计参数的计算方法科学、简便。附图说明图1是柔性防护棚洞结构示意图。图2是耗能减震器安装位置示意图。图3是图1的局部放大示意图(示棚体结构)。图4是主拱圈与支撑圆管连接方式示意图。图5是主拱圈与柔性防护网结构剖面示意图。图6是主拱圈与柔性防护网连接方式俯视示意图。图7是柔性防护棚洞与桥面连接关系示意图。图8是实验模型中不同圆柱厚度下钢结构基座反力随时间变化曲线。图9是无PVC垫层(a)与有PVC垫层(b)情况下冲击位移最大时主拱圈Von Mises 应力云图(只显示应力大于345MPa)。图中标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳朝军，何思明，
申请(专利权)人：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：