CN108035267A - 叠缩套管减振装置、落石减振棚洞、设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叠缩套管减振装置。针对现有技术中落石防护棚洞对顶部直接保护有限或者维护复杂的缺陷，本发明提供了一种叠缩套管减振装置。本产品包括上部承力板、减振套管、下部承力板；上部承力板下底面与减振套管顶部静连接，减振套管底部与下部承力板上顶面静连接；减振套管是多层内外同轴套接的金属叠缩管，内层金属叠缩管高于外层金属叠缩管；相邻层金属叠缩管紧接。本发明还提供一种落石减振棚洞，以及叠缩套管减振装置与落石减振棚洞的设计方法。本发明产品设计巧妙，能够实现分级耗能且反复多次耗能减振功能，提高装置减振效率；落石减振棚洞能够解决传统棚洞防护***不易修复维护的问题。设计方法简洁实用。

Description

叠缩套管减振装置、落石减振棚洞、设计方法

技术领域

本发明涉及一种减振装置及其设计方法，特别是涉及一种叠缩套管减振装置及其设计方法，属于山区灾害防治工程、路桥工程领域。

背景技术

修建棚洞是山区道路交通中修建在半路堑地段为防治崩塌落石毁坏道路路面，防御坍方、落石，最大限度降低崩塌落石灾害危害而实施的灾害防治工程。交通路线的建设需要经过山岭地区，在这些地区进行道路建设涉及到大量的边坡开挖和支护问题，边坡危岩崩塌、落石等问题突出。尤其在事故多发地区，大量落石、落石常将道路撞毁甚至伤及生命，即造成事故又阻断抢险。

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落石冲击能量，但棚洞往往设计保守，工程投入巨大，经济性差，且防治效果有限。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。为克服此缺陷，设计者在棚洞上安装耗能减振器以求最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构***柔度，达到耗能减振目的，最终通过耗能减振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。耗能减振器一般加装在棚洞支柱地基处，或者加装在棚顶与支柱的连接处。这类耗能减振棚洞尽管能够实现耗能减振目的，降低落石对棚洞的冲击，但是由于棚洞顶部缺少保护性设计，依然需要棚顶首先承受落石冲击再向下传递冲击力，因而棚洞的整体功效发挥可能由于棚洞顶部的“薄弱”性而受限，从而不能有效防范危害发生，也造成工程浪费。现有技术中，平顶型防护棚洞的顶部保护一般是在顶部加装类似蔬菜大棚的弧形减振顶。这类产品顶部不能停留落石，因而在整个棚洞防护***设计中必须为落石预留堆积空间，并且落石随减振棚弧面继续滚落也就不能达到尽可能避免落石危害的目的。同时，弧形减振顶损坏后局部分维修相对复杂。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种减振装置及其设计方法。该装置利用内外套接减振管实现分级减振的目的。

为实现上述目的，本发明首先提供一种叠缩套管减振装置，其技术方案如下：

一种叠缩套管减振装置，包括上部承力板、减振套管、下部承力板；上部承力板下底面与减振套管顶部静连接，减振套管底部与下部承力板上顶面静连接；其特征在于：所述减振套管是多层内外同轴套接的金属叠缩管，内层金属叠缩管高于外层金属叠缩管；相邻层金属叠缩管紧接。

上述叠缩套管减振装置的基本结构是多层内外同轴套接减振管件结构，其减振功效在于两方面：其一、当冲击力作用于上部承力板并向下传递至金属叠缩管，金属叠缩管承受冲击力发生叠缩耗能，实现减振。当冲击力限于一定范围内时，金属叠缩管可以弹性复原，继续承受下一次冲击。其二、当冲击力作用于上部承力板时，首先由内层金属叠缩管承受冲击力，实现减振。当内层金属叠缩管毁坏不能复原后，由次内层金属叠缩管承受冲击力并实现耗能减振。这样，利用自内层向外层减振套管的高度差，整个叠缩套管减振装置能够达到分级耗能且反复多次耗能减振的目的。

上述叠缩套管减振装置中使用的金属叠缩管的管壁结构属于曲屈耗能软钢材料的叠缩套管结构，是由沿管轴向连续的向内凹陷部分与向外凸起部分沿管连接形成，其中向内凹陷部分与向外凸起部分均具有一定半径的叠缩弧长。该结构采用曲屈耗能软钢材料加工，利用软钢材料的材料特性及其加工成型的叠曲结构在受到强力冲击时的形变与弹性耗能。其特例型的结构如波纹钢管。

上述叠缩套管减振装置一般情况下，内层金属叠缩管高度H_i可设置为大于等于4/3相邻外层金属叠缩管高度H_i+1，即H_i≥4/3H_i+1。

一般地，上述叠缩套管减振装置设计为内外三层金属叠缩管能够发挥较优且经济的减振功效。

本发明同时提供上述叠缩套管减振装置的设计方法，用于包括内外三层金属叠缩管的减振套管规格的设计，其技术方案如下：

上述叠缩套管减振装置的设计方法，其特征在于：用于内外三层金属叠缩管的减振套管规格的设计；依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

根据设计要求确定减振套管承受的一般冲击能量E₄₀、较高冲击能量E₈₀、最大冲击能量E_max，确定叠缩套管材料，材料需是具备抗变性的钢性材料。经单轴压缩试验测试确定减振套管材料屈服平台应力σ，根据冲击力与减振套管的接触面积确定最内层管内径D₀₁；

步骤S2、确定减振套管各层管厚度t₁、t₂、t₃、各层管外径D₁、D₂、D₃

步骤S21、确定减振套管最内层管厚度t₁、外径D₁

依式1、式2确定最内层管厚度t₁、外径D₁，

D₁＝D₀₁+t₁ 式2

式中，P_max——最内层耗能套管所承受的最大冲击力，单位KN，由压缩试验确定，

k——套筒使用寿命系数，取4～6，

D₀₁——最内层管内径，单位m，步骤S1确定，

σ——减振套管材料屈服平台应力，单位Pa，步骤S1确定；

步骤S22、确定减振套管其余各层管厚度t₂、t₃、各层管外径D₂、D₃、各层管内径D₀₂、D₀₃

依式3、式4、式5确定减振套管其余各层管厚度t₂、t₃、各层管外径D₂、D₃

D_i＝D_j-1+t_i，j＝2、3，i≥2 式3

t_i＝2.5t_j-1，j＝2、3 式4

D_0i＝D_i-1 式5

式中，t₂、D₂——中间层管厚度、外管径，

t₃、D₃——最外层管厚度、外管径；

步骤S3、确定减振套管各层管高度H_i

联立式6～式8求解得解析式H_i＝f(t_i)

式中，E₄₀、E₈₀、E_max——减振套管承受的一般冲击能量、较高冲

击能量、最大冲击能量，单位J，步骤S1确定，

σ——减振套管材料屈服平台应力，单位Pa，步骤S1确定。

上述叠缩套管减振装置设计方法的基础原理在于：从能量耗散角度出发，通过利用一种不同高度的耗能褶曲套筒压缩将落石的冲击能量进行直面消耗，用材料的压缩能平衡落石的冲击能量，从而解决了现有棚洞抗冲击性能差的问题，达到落石防治的目的。

在完成减振套管参数设计的基础上，当叠缩套管减振装置的上部承力板、下部承力板间布置多个减振套管且在x、y坐标方向上以m×n网络状排列在下部承力板上顶面时，设计上部承力板、下部承力板规格参数的方法是：

依式9、式10、式11计算确定上部承力板、下部承力板在y坐标方向上宽度L、在x坐标方向上长度B：

L＝k×n×(b+D₃) 式9

B＝k×m×(b+D₃) 式10

b＝[0.4D₁] 式11

式中，k——尺寸系数，取值1.5，

b——减震套管排列间距，单位m。

对于本发明叠缩套管减振装置，叠缩管叠缩结构弧长的半径大小也直接影响叠缩耗能的效果。若半径过大则叠缩速度较快，耗能不完全，反之则有可能会使套管出现失稳现象，因此设计方法的进一步优化还可完成金属叠缩管每层叠缩弧长l的设计。

依式12、式13计算各层叠缩管的弧长l_i

l_i＝∝×R_i,i＝1,2,3 式12

式中，l_i—各层叠缩管每段叠缩结构的弧长，单位m，

∝—叠缩管弧长l对应圆心角，单位°，取值

R_i——各层叠缩管每段叠缩结构弧长半径，单位mm，

s——冲击频率系数，取值为0.4～0.6，最外层叠缩管s取值0.4，

最内层叠缩管s取值0.6，其余情况s取值0.5。

进一步地，在完成各层叠缩管的弧长l_i设计后，可以进一步依式14计算各层叠缩管每段叠缩结构的高度：

式中，h_i、R_i、l_i分别是各层叠缩管每段叠缩结构高度、弧长半径、弧长。

以上述叠缩套管减振装置为基础，本发明还提供一种落石减振棚洞，其技术方案如下：

一种包括上述叠缩套管减振装置的落石减振棚洞，其特征在于：所述叠缩套管减振装置布置在棚洞顶部，所述下部承力板下方连接耗能器，耗能器下方连接棚洞支柱。

一般地，上述落石减振棚洞的优化结构是：包含的减振套管是多组，呈网络排列在下部承力板上顶面。减振套管自内向外包括内、中、外三层管。耗能器是双环软钢耗能器。

本发明还提高利用上述叠缩套管减振装置设计方法实现的落石减振棚洞设计方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供了一种由多层内外同轴套接的叠缩管为主体结构的减振装置，该装置巧妙利用叠缩管曲屈耗能的特性达到减振目的。同时利用自内层向外层减振套管(2)的高度差，使整个叠缩套管减振装置能够实现分级耗能且反复多次耗能减振功能，提高了***整体的耗能效率。(2)本发明还提供利用叠缩套管减振装置实现的落石减振棚洞，该棚洞的顶部布置叠缩套管减振装置，能够提供针对棚洞顶部的保护结构，克服现有减振棚洞存在的棚洞顶部“薄弱”缺陷。落石减振棚洞为模块化生产安装，同时也可实现对受损构件有针对性替换，极大的降低工程运行期的维护成本，解决了传统棚洞防护***不易修复维护的问题。(3)本发明产品能够有效利用平顶型防护棚洞的顶面布置叠缩套管减振装置，能够提高现有平顶型防护棚洞的减振效果。(4)本发明结构简洁，主要部件均可依实际工况先期进行工厂标准化定制生产，再在现场根据不同防护对象与地形条件进行现场任意搭建组装，具有广泛适应性。同时，施工速度快，工程质量容易控制，劳动强度低，能在传统结构不易施工的在高山峡谷区应用，且便于抢险救灾。(5)本发明还提供了两种产品的设计方法。

附图说明

图1是叠缩套管减振装置结构示意图(仅绘制局部弧长)。

图2是减振套管2纵剖面结构示意图。

图3是减振套管2纵剖面结构示意图(示弧长l_i)。

图4是落石减振棚洞侧面结构示意图。

图5是棚洞顶部减振套管2排列结构示意图。

附图中的数字标记分别是：

1上部承力板 2减振套管 21金属叠缩管 3下部承力板 4耗能器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图2所示，设计加工一种本发明叠缩套管减振装置。

根据设计要求，本实施方式中叠缩套管减振装置用于山区落石冲击减振。叠缩套管减振装置承受的冲击主要来自于落石冲击，其承受的一般冲击能量E₄₀、较高冲击能量E₈₀、最大冲击能量E_max均根据落石灾害现场调查勘察及调查统计的方法确定。结果为E₄₀＝1000kJ、较高冲击能量E₈₀＝2200kJ、最大冲击能量E_max＝4000kJ。叠缩套管材料选择碳钢，经单轴压缩试验测试确定材料屈服平台应力σ＝210Mpa。根据现场调查确定落石直径＝250mm，据此，依照最内层管内径略大于落石直径的原则确定最内层管内径D₀₁＝300mm。

图1是叠缩套管减振装置结构示意图(仅绘制局部弧长)；图2是减振套管2纵剖面结构示意图。叠缩套管减振装置包括上部承力板1、减振套管2、下部承力板3；上部承力板1下底面与减振套管2顶部静连接，减振套管2底部与下部承力板3上顶面静连接；减振套管2是多层内外同轴套接的金属叠缩管21，内层金属叠缩管21高于外层金属叠缩管21；相邻层金属叠缩管21紧接。

叠缩套管减振装置的减振套管2设计为内、中、外三层，分别承受叠缩套管减振装置工作状态时的一般冲击能量E₄₀、较高冲击能量E₈₀、最大冲击能量E_max。

根据材料压缩试验确定最内层耗能套管所承受的最大冲击力P_max＝8000KNKN。将P_max＝8000KN、σ＝210Mpa、D₀₁＝300mm代入式1、式2，有最内层管厚度t₁＝17mm、最内层管外径D₁＝317mm。

根据式3、式4、式5，有D₀₂＝D₁＝D₀₁+t₁、D₂＝D₀₂+t₂、D₀₃＝D₂＝D₀₂+t₂、D₃＝D₀₃+t₃，将D₁＝317mm、t₁＝17mm代入后计算有中层、外层管厚度t₂＝43mm、t₃＝108mm，中层、外层管内径D₀₂＝317mm、D₀₃＝360mm，中层、外层管外径D₂＝360mm、D₃＝468mm。

将E₄₀＝1000kJ、E₈₀＝2200kJ、E_max＝4000kJ、D₀₁＝300mm、D₀₂＝317mm、D₀₃＝360mm、t₁＝17mm、t₂＝43mm、t₃＝108mm代入式6、式7、式8，有H₁＝1.2m、H₂＝1.14m、H₃＝0.11m。

实施例二

如图3所示。在实施例一基础上完成叠缩套管减振装置各层叠缩管弧长l₁、l₂、l₃的设计。

图3是减振套管2纵剖面结构示意图(示弧长l_i)。将D₀₁＝300mm、D₁＝317mm、t₁＝17mm，D₀₂＝317mm、D₂＝360mm、t₂＝43mm，D₀₃＝360mm、D₃＝468mm、t₃＝108mm分别代入式13(s依次取值0.6、0.5、0.4)，有各层叠缩管每段叠缩结构弧长半径R₁＝52mm、R₂＝73mm、R₃＝102mm。进一步代入式12有l₁＝41mm、l₂＝57mm、l₃＝80mm。

再将R₁＝52mm、l₁＝41mm，R₂＝73mm、l₂＝57mm，R₃＝102mm、l₃＝80mm分别代入式14，有优化设计后的各层叠缩管每段弧长的高度h_i为h₁＝51.9mm、h₂＝72.9mm、h₃＝101.9mm。

实施例三

如图4、图5所示，在实施例一基础上设计加工一种本发明落石减振棚洞，其与实施例一相同之处不再重复。

图4是落石减振棚洞侧面结构示意图。落石减振棚洞包括叠缩套管减振装置；叠缩套管减振装置布置在棚洞顶部，下部承力板3下方连接耗能器4，耗能器4下方连接棚洞支柱。

本实施方式中，落石减振棚洞是平顶型棚洞。

图5是棚洞顶部减振套管2排列结构示意图。上部承力板1、下部承力板3是矩形，垂直于棚洞轴(y坐标方向)向宽L、沿棚洞轴(x坐标方向)向长B；减振套管2是多组，在x、y坐标方向上以m×n网络状排列在下部承力板3上顶面。

根据落石灾害地点地形条件与减振套管最大外径确定m＝3、n＝3。将k＝1.5、D₁＝317mm、D₃＝468mm代入式9、式10、式11，有b＝126mm，下部承力板3宽度L＝2.58m、长度B＝2.58m。

Claims (10)

1.叠缩套管减振装置，包括上部承力板(1)、减振套管(2)、下部承力板(3)；上部承力板(1)下底面与减振套管(2)顶部静连接，减振套管(2)底部与下部承力板(3)上顶面静连接；其特征在于：所述减振套管(2)是多层内外同轴套接的金属叠缩管(21)，内层金属叠缩管(21)高于外层金属叠缩管(21)；相邻层金属叠缩管(21)紧接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述内层金属叠缩管(21)高度H_i可设置为大于等于4/3相邻外层金属叠缩管(21)高度H_i+1。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述金属叠缩管(21)是波纹管。

4.权利要求1所述的叠缩套管减振装置的设计方法，其特征在于：用于内外三层金属叠缩管(21)的减振套管(2)规格的设计；依如下步骤实施：

步骤S1、获取基本数据

根据设计要求确定减振套管(2)承受的一般冲击能量E₄₀、较高冲击能量E₈₀、最大冲击能量E_max，确定叠缩套管材料，材料需是具备抗变性的钢性材料。经单轴压缩试验测试确定减振套管(2)材料屈服平台应力σ，根据冲击力与减振套管(2)的接触面积确定最内层管内径D₀₁；

步骤S2、确定减振套管(2)各层管厚度t₁、t₂、t₃、各层管外径D₁、D₂、D₃

步骤S21、确定减振套管(2)最内层管厚度t₁、外径D₁

依式1、式2确定最内层管厚度t₁、外径D₁，

D₁＝D₀₁+t₁ 式2

式中，P_max——最内层耗能套管所承受的最大冲击力，单位KN，由压缩试验确定，

k——套筒使用寿命系数，取4～6，

D₀₁——最内层管内径，单位m，步骤S1确定，

σ——减振套管(2)材料屈服平台应力，单位Pa，步骤S1确定；

步骤S22、确定减振套管(2)其余各层管厚度t₂、t₃、各层管外径D₂、D₃、各层管内径D₀₂、D₀₃

依式3、式4、式5确定减振套管(2)其余各层管厚度t₂、t₃、各层管外径D₂、D₃

D_i＝D_j-1+t_i，j＝2、3，i≥2 式3

t_i＝2.5t_j-1，j＝2、3 式4

D_0i＝D_i-1 式5

式中，t₂、D₂——中间层管厚度、外管径，

t₃、D₃——最外层管厚度、外管径；

步骤S3、确定减振套管(2)各层管高度H_i

联立式6～式8求解得解析式H_i＝f(t_i)

式中，E₄₀、E₈₀、E_max——减振套管(2)承受的一般冲击能量、较高冲击能量、最大冲击能量，单位J，步骤S1确定，

σ——减振套管(2)材料屈服平台应力，单位Pa，步骤S1确定。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：依式12、式13计算各层金属叠缩管(21)的弧长l_i：

l_i＝∝×R_i,i＝1,2,3 式12

式中，l_i—各层叠缩管每段叠缩结构的弧长，单位m，

∝—叠缩管弧长l对应圆心角，单位°，取值

R_i——各层叠缩管每段叠缩结构弧长半径，单位mm，

s——冲击频率系数，取值为0.4～0.6，最外层叠缩管s取值0.4，最内层叠缩管s取值0.6，其余情况s取值0.5。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：依式14计算各层金属叠缩管(21)每段叠缩结构的高度h_i：

式中，h_i、R_i、l_i分别是各层叠缩管每段叠缩结构高度、弧长半径、弧长。

7.根据权利要求4～6任一所述的设计方法，其特征在于：用于上部承力板(1)、下部承力板(3)规格参数设计；所述叠缩套管减振装置的上部承力板(1)、下部承力板(3)间布置多个减振套管(2)且在x、y坐标方向上以m×n网络状排列在下部承力板(3)上顶面，依式9、式10、式11计算确定上部承力板(1)、下部承力板(3)在y坐标方向上宽度L、在x坐标方向上长度B：

L＝k×n×(b+D₃) 式9

B＝k×m×(b+D₃) 式10

b＝[0.4D₁] 式11

式中，k——尺寸系数，取值1.5，

b——减震套管排列间距，单位m。

8.包括权利要求1～3任一所述的套管减振装置的落石减振棚洞，其特征在于：所述套管减振装置布置在棚洞顶部，所述下部承力板(3)下方连接耗能器(4)，耗能器(4)下方连接棚洞支柱。

9.根据权利要求8所述的落石减振棚洞，其特征在于：所述减振套管(2)是多组，呈网络排列在下部承力板(3)上顶面。

10.利用权利要求3～6任一所述的叠缩套管减振装置设计方法实现的落石减振棚洞设计方法。