CN118065267A - 适用5000kj落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，属于落石防护领域，包括设置于沟道两侧的山坡之间的拦挡网主体、顶端与拦挡网主体连接的多根装配式支撑柱，装配式支撑柱包括顶端钢管混凝土柱和底端钢筋混凝土柱，顶端钢管混凝土柱上固定有拦挡网主体，顶端钢管混凝土柱的底端经高强螺栓与底端钢筋混凝土柱的顶端装配连接，底端钢筋混凝土柱预埋于山体底端。本发明采用上述结构的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，通过设置装配式支撑柱，并采用高强螺栓连接顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱，可以实现底端钢筋混凝土柱的可更换、回收。

Description

适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构

技术领域

本发明涉及落石防护技术领域，尤其涉及适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构。

背景技术

高位崩塌落石是复杂艰险山区常见的地质灾害，其具有隐蔽性高、致灾能力强和冲击能量大的特点，威胁同行人员的生命安全。故在地质灾害多发区需要设置防治结构，常见的防治措施可分为原位主动加固和被动防护两类，原位主动加固主要采用主动防护网、格构锚杆(索)和支撑柱等方法，被动防护则主要采用被动防护网、棚洞等方案，由于复杂艰险山区原位整治的施工难度高，如需要搭设超高脚手架，因此相比之下被动防护结构在高位崩塌落石防治中获得广泛应用。

现有的被动防护结构例如：

专利CN111549804B公开了一种路堑边坡加强型被动防护***及其施工方法，该结构布设于破碎岩质路堑边坡，包括路堑墙、钢筋石笼挡土墙和被动防护网，路堑墙设置于路堑边坡坡脚，钢筋石笼挡土墙设置于路堑墙顶部，被动防护网设置于所钢筋石笼挡土墙顶部；钢筋石笼挡土墙由多个钢筋石笼构成，相邻钢筋石笼之间通过对折钢丝绳和/或卡扣连接；被动防护网包括基座,被动防护网通过多个间隔的基座固定在钢筋石笼挡土墙上；基座上设置多个基座通孔，钢筋石笼挡土墙内对应于基座通孔的位置竖向设置多根PVC管，PVC管内设置有钢管，钢管贯穿基座通孔并支出基座，钢管内设置有水泥砂浆。其优点为：该结构能有效的保护钢柱柱脚免受落石的危害，但其防护高度较低。

同时，研究人员还对支撑绳的设计进行了相应的研究和开发。例如：专利CN105256730A公开了一种主被动混合拖尾式高性能防护网，采用多根平行支撑绳取代传统的上下支撑绳，通过将最下根平行支撑绳抬离地面一定距离，形成下部落石通过的开口空间，使得***具备开口特征，便于落石进入拖尾网片区；将网片分为拦截网片与拖尾网片，使得一定体积的落石在被拦截后能通过最下根平行支撑绳下部开口空间，进入拖尾网片区域，并顺拖尾方向运动至预设收集区域，拖尾网片对所覆盖区域内发生的崩塌落石具有一定的轨迹管控作用。其优点是：汲取了主、被动防护网***各自的优点，兼具较高的防护能级和易清理性。

专利CN115450234B公开了一种用于复杂山区防高能落石冲击的防护拦挡结构，该结构布设于沟道两侧山坡之间的支撑桩阵列，支撑桩阵列呈一字状排布，包括至少两根支撑桩，相邻两支撑桩之间预设特定间距；所有支撑桩均固定于山体的下方，支撑桩之间连接拦挡网，且拦挡网穿过支撑桩阵列并延伸固定于两侧的山体坡面上；山体坡面上布设多个对拉板，对拉板一侧通过设置的反向预应力锚索与山体坡面固定，对拉板另一侧与拦挡网连接，用于锚固拦挡网；拦挡网的高度≥6m，拦挡网材质的屈服延伸率≥0.2％，断裂延伸率≥20％。优点：可以提高传统柔性拦挡网的防护能级，具有拦挡网受崩塌落石冲击后易维护的功能。

尽管以上研究已能适应较高拦挡能级，但目前国内外对冲击能量达到5000kJ以上的可更换装配式拦挡网防护结构的研究还相对缺乏，不适用于大能级且高频发生的高位崩塌落石地质灾害。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，通过设置装配式支撑柱，并采用高强螺栓连接顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱，可以实现底端钢筋混凝土柱的可更换、回收。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，包括设置于沟道两侧的山坡之间的拦挡网主体、顶端与拦挡网主体连接的多根装配式支撑柱，装配式支撑柱包括顶端钢管混凝土柱和底端钢筋混凝土柱，顶端钢管混凝土柱上固定有拦挡网主体，顶端钢管混凝土柱的底端经高强螺栓与底端钢筋混凝土柱的顶端装配连接，底端钢筋混凝土柱预埋于山体底端。

优选的，拦挡网主体的高度≥6m，拦挡网主体的屈服延伸率≥0.2％，拦挡网主体的断裂延伸率≥20％。

优选的，拦挡网主体为由纵横交错的多束横向钢绞线和多束纵向钢绞线组成的网格结构，横向钢绞线和纵向钢绞线之间经扣件连接；

横向钢绞线两端穿过顶端钢管混凝土柱后均依次经对拉板和反向预应力锚索分别与沟道两侧的山坡的坡面垂直连接；

横向钢绞线和纵向钢绞线的材质均为NPR钢。

优选的，相邻两束横向钢绞线之间的间距满足以下关系：

式中，h为相邻两束横向钢绞线之间的间距；n为横向钢绞线的数量；V为落石的当量体积；

且横向钢绞线的数量n满足以下关系：

MgH≤n(W₁+W₂) (2)

W₁＝F₂×L×Δ₁-F₁×L×Δ₀ (3)

W₂＝F₂×L×(Δ₂-Δ₁) (4)

式中，M为落石的质量；g为重力加速度；H为落石崩落位置到碰撞冲击拦挡网主体接触位置的高差；W₁为单束横向钢绞线的弹性阶段做功；W₂为单束横向钢绞线的塑性阶段做功；F₁为施加在单束横向钢绞线的预紧力；F₂为单束横向钢绞线的屈服临界力；L为单束横向钢绞线的长度；Δ₀为单束横向钢绞线预紧拉伸率；Δ₁为单束横向钢绞线屈服延伸率；Δ₂为单束横向钢绞线塑性变形伸长率。

优选的，扣件包括T型扣件和十字型扣件，T型扣件和十字型扣件的材质均为NPR合金钢；

其中，T型扣件用于连接位于顶部的设定束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线以及位于底部的设定束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线；

十字型扣件用于连接位于连接顶部的设定束横向钢绞线和位于底部的设定束横向钢绞线之间的单束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线；

设定束为至少两束。

优选的，T型扣件包括用于穿接顶部的设定束横向钢绞线或者底部的设定束横向钢绞线的卡套、一端与卡套连接的U型连接叉耳以及与U型连接叉耳的另一端连接的楔形组件，楔形组件包括一端经锁紧螺母与U型连接叉耳的外壁连接的楔形卡套，楔形卡套远离U型连接叉耳一端的内部开设有楔形孔腔，楔形孔腔内轴向滑动设置有楔形卡环，楔形卡环内卡接有竖向钢绞线；U型连接叉耳伸入楔形卡套内部后经压紧螺母与楔形卡环压接，压紧螺母还与穿过楔形卡环的竖向钢绞线的外圆周侧固定连接；

十字型扣件包括基体和经螺栓设置于基体上下两端的盖板，基体的顶端与对应的盖板之间以及基体的底端与对应的盖板之间分别开设有横向沟槽和纵向沟槽，横向沟槽内和纵向沟槽内分别卡合有横向钢绞线和纵向钢绞线。

优选的，将装配式支撑柱从顶端向底端按每段长h₁分为j等份，装配式支撑柱的弯矩计算公式如下：

式中，τ为装配式支撑柱的弯矩；E为装配式支撑柱的弹性模量；I为装配式支撑柱的截面惯性距；x_k为第k份的装配式支撑柱的水平挠度；x_k-1为第k-1份的装配式支撑柱的水平挠度；x_k+1为第k+1份的装配式支撑柱的水平挠度；且k∈(2,j-1)。

优选的，顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱之间设置有钢垫板，钢垫板的顶端且围绕顶端钢管混凝土柱设置有多根翼板，多根翼板围成用于卡接多根顶端钢管混凝土柱的空腔，且相邻两根翼板之间经高强螺栓连接底端钢筋混凝土柱，且顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱的连接处填充有填缝剂；

顶端钢管混凝土柱和底端钢筋混凝土柱的高度比为5:3，且底端钢筋混凝土柱的横截面满足以下要求的正方形：

L≥2D (6)

式中，L为底端钢筋混凝土柱的横截面边长，D为顶端钢管混凝土柱的横截面直径；顶端钢管混凝土柱的横截面直径由有限差分法计算确定。

优选的，顶端钢管混凝土柱为在钢管外浇筑混凝土的结构，钢管的表面涂抹有聚天门冬氨酸酷树脂；

底端钢筋混凝土柱埋入地面的深度≥5m，底端钢筋混凝土柱为在钢筋笼上浇筑混凝土保护层的结构，钢筋笼由阵列排布的横向钢筋和纵向钢筋组成，钢筋笼内插有多根纵向带肋钢筋，横向钢筋和纵向钢筋之间绑扎连接，且纵向钢筋间距≤0.2m，横向钢筋层间距≤0.3m，混凝土保护层的厚度≥0.05m；

底端钢筋混凝土柱的顶端放置有钢垫片，钢垫片对应纵向带肋钢筋的位置开设有螺纹孔，纵向带肋钢筋的顶端与螺纹孔螺纹连接且经螺纹孔伸出，纵向带肋钢筋的伸出长度为0.5m；

纵向带肋钢筋的数量确定公式如下：

式中，m为纵向带肋钢筋的数量，τ为装配式支撑柱的弯矩，f_y为纵向带肋钢筋的屈服强度，B_s为纵向带肋钢筋的截面积，h₀为装配式支撑柱的截面高度，a'_s为混凝土保护层的厚度。

优选的，顶端钢管混凝土柱上由上到下均匀固定有多根预应力锚索，多根预应力锚索形成的平面与拦挡网主体所在的平面垂直；

预应力锚索锚固在地梁上，地梁反向锚固在山体内。

本发明具有以下有益效果：

1、可通过调节拦挡网主体高度、材质的屈服延伸率和断裂延伸率，突破传统柔性拦挡网的防护能级，实现高能冲击防护功能；

2、通过设置装配式支撑柱，并采用高强螺栓连接顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱，可以实现底端钢筋混凝土柱的可更换、回收；

3、通过增加底端钢筋混凝土柱的高度，可提升顶端钢管混凝土柱的高度。再采用对拉板实现对拦挡网主体与山坡之间的连接，从而可以实现崩塌落石冲击后拦挡网更换功能；

4、通过对横向钢绞线的间距和数量进行计算，可以使得拦挡防护结构在拦挡网主体的高度≥6m，拦挡网主体的屈服延伸率≥0.2％，以及断裂延伸率≥20％的条件下，实现高能冲击的防护；

5、基于对落石冲击特点的分析，设置不同间距排布的预应力锚索，并对预应力锚索的数量进行预先设计，以此来确保整个装配式支撑桩的稳固。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构的安装结构示意图；

图2为本发明的一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构的T型扣件的结构示意图；

图3为本发明的一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构的十字扣件的结构示意图。

其中：1、拦挡网主体；11、横向钢绞线；12、纵向钢绞线；2、装配式支撑柱；21、顶端钢管混凝土柱；22、底端钢筋混凝土柱；3、对拉板；4、反向预应力锚索；5、预应力锚索；6、T型扣件；61、卡套；62、U型连接叉耳；63、锁紧螺母；64、压紧螺母；65、楔形卡环；66、楔形卡套；7、十字型扣件。

具体实施方式

为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为研制适用高能落石冲击的可更换装配式拦挡网防护结构，以实现在高位崩塌落石频发，冲击能量大的恶劣场景设计本发明：如图1-图3所示，一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，包括设置于沟道两侧的山坡之间的拦挡网主体1、顶端与拦挡网主体1连接的多根装配式支撑柱2，装配式支撑柱2包括顶端钢管混凝土柱21和底端钢筋混凝土柱22，顶端钢管混凝土柱21上固定有拦挡网主体1，顶端钢管混凝土柱21的底端经高强螺栓与底端钢筋混凝土柱22的顶端装配连接，底端钢筋混凝土柱22预埋于山体底端，设置的装配式支撑柱2可实现结构易维护、可更换的功能。

拦挡网主体1的高度≥6m，拦挡网主体1的屈服延伸率≥0.2％，拦挡网主体1的断裂延伸率≥20％，可以突破传统的被动防护网的抗冲击能量，使得拦挡网防护结构可以适用于高能冲击的防护，整体的防护高度也为普通被动防护网的3～5倍，大大提升了对山体的防护效果。

且在本实施例中可通过试算确定装配式支撑柱2的参数，如在某案例中，装配式支撑桩长43m，钢管混凝土悬臂段28m，固定段15m，试算取桩截面2.0×3.0m，桩顶设16排锚索，锚索设计荷载100kN。计算得：支撑桩最大弯矩为76734.40kN.m，最大剪力为5898.7064kN，桩顶位移0.041m，支撑桩单侧桩单侧长边范围共布置108根竖向φ32mm主筋，短边布置12根竖向φ32mm主筋，桩的横向容许承载力为9000kPa，满足要求。

拦挡网主体1为由纵横交错的多束横向钢绞线11和多束纵向钢绞线12组成的网格结构，横向钢绞线11和纵向钢绞线12之间经扣件连接；横向钢绞线11两端穿过顶端钢管混凝土柱21后均依次经对拉板3和反向预应力锚索4分别与沟道两侧的山坡的坡面垂直连接；横向钢绞线11和纵向钢绞线12的材质均为NPR钢。

本实施例中对拉板3固定于上坡上，且每个对拉板3上可以锚固多束横向钢绞线11。为了使得对拉板3上固定多个横向钢绞线11时仍可以实现对横向钢绞线11的固定和对拉效果，可以对反向预应力锚索4的数量进行如下设置：每个对拉板3两侧的反向预应力锚索4数量与横向钢绞线11的数量比值≥0.3，并且每个对拉板3位于坡面以上的高度与位于坡面以下的高度比值≤7.4。

相邻两束横向钢绞线11之间的间距根据设计冲击能量计算确定，竖向钢绞线布设间距根据横向钢绞线11布设间距确定，即通过对竖向钢绞线12之间的间距进行限定，可以避免由于间距较大而出现山体崩塌落石穿过绞线之间间隙的情况。另外，为了充分考虑竖向钢绞线12之间间距和落石的对应关系，可以对其进行计算分析，以使得布置的相邻竖向钢绞线12之间的间距满足对应设置场景下的落石防护。

相邻两束竖向钢绞线12之间的间距满足以下关系：

式中，h为相邻两束横向钢绞线11之间的间距；n为横向钢绞线11的数量；V为落石的当量体积；

在研究落石从山体坡面上斜落(包括滚落、滑落和弹跳等)时的能量时，一般根据预先的计算和实际场景的测试经验值，换算为落石自由落体情况下的能量，即换算呈山体坡面的垂直高度当量值，以此来替代山体坡面高度的数值。

上述横向钢绞线11和纵向钢绞线12兼顾高屈服强度和高均匀延伸率，受力变形过程主要分为以下三个阶段：弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。当横向钢绞线11初始施加预紧力F₁，此时的拦挡网横向钢绞线11处于弹性阶段；当拦挡网横向钢绞线11受到崩塌落石冲击后，拦挡网横向钢绞线11由弹性阶段开始向塑性阶段过渡，即由开始施加的预紧力F₁到达到屈服的临界力F₂阶段；当拦挡网横向钢绞线11受到崩塌落石冲击后达到屈服临界力F₂时，拦挡网横向钢绞线11发生了塑性变形，通过上述分析配合拦挡网的设置可保证落石的冲击最大只能达到拦挡网横向钢绞线11的塑性变形阶段。

落石冲击到拦挡网主体1上并停止的整个过程中的主要能量转换为：崩塌落石的重力势能转化为动能，冲击到拦挡网主体1，拦挡网主体1具有良好的延伸率性，延伸做功吸收冲击能量而停止。

通过充分考虑拦挡防护结构设置位置的落石、山体情况，并根据横向钢绞线11自身的特点，考虑其弹性阶段和塑性阶段的不同参数，最终得到应设横向钢绞线11的数量，并根据应设横向钢绞线11数量和落石情况，最终得到相邻横向钢绞线11之间的间距。根据相应的横向钢绞线11之间间距布置的拦挡网，可以完成对预设落石和山体情况下的高能防护。

且横向钢绞线11的数量n满足以下关系：

MgH≤n(W₁+W₂) (2)

W₁＝F₂×L×Δ₁-F₁×L×Δ₀ (3)

W₂＝F₂×L×(Δ₂-Δ₁) (4)

式中，M为落石的质量；g为重力加速度；H为落石崩落位置到碰撞冲击拦挡网主体1接触位置的高差；W₁为单束横向钢绞线11的弹性阶段做功；W₂为单束横向钢绞线11的塑性阶段做功；F₁为施加在单束横向钢绞线11的预紧力；F₂为单束横向钢绞线11的屈服临界力；L为单束横向钢绞线11的长度；Δ₀为单束横向钢绞线11预紧拉伸率；Δ₁为单束横向钢绞线11屈服延伸率；Δ₂为单束横向钢绞线11塑性变形伸长率。

其中，F₁预紧力的数值可以在不同的应用场景中，选择不同的数值，F₁(0≤F₁≤350kN)。落石的当量体积V、落石的质量M的具体数值，可以根据应用场景下的历史数据进行设定，同时考虑拦挡结构承受的阈值程度进行积极或者保守的计算。

同时，通过对反向预应力锚索4数量和横向钢绞线11的数量，以及对拉板3厚度进行限定，可以保证对拉板3对横向钢绞线11始终具有较好的固定和对拉效果。在受崩塌落石冲击后，可拆下对拉板3，实现横向钢绞线11的更换，对拉板3的结构尺寸根据拦挡网受力及反向锚固山体的锚固力进行钢筋配置及截面尺寸设计。

在本实施例中通过如下试算确定上述参数：首先设定一个初始尺寸，然后进行配筋，最后验算。在某案例中可取对拉板3的截面尺寸高1.0m，宽0.95m，地面以上厚度为2.2m，地面以下为0.3m,然后对其进行正截面受弯配筋计算，配筋完之后进行斜截面承载力计算、对拉板3受冲切承载力计算，若都验算通过，则满足要求。若验算不通过则继续试算，若安全冗余过高则减小尺寸及配筋。

扣件包括T型扣件6和十字型扣件7，T型扣件6和十字型扣件7的材质均为NPR合金钢；其中，T型扣件6用于连接位于顶部的设定束横向钢绞线11与交汇的单束竖向钢绞线以及位于底部的设定束横向钢绞线11与交汇的单束竖向钢绞线；十字型扣件7用于连接位于连接顶部的设定束横向钢绞线11和位于底部的设定束横向钢绞线11之间的单束横向钢绞线11与交汇的单束竖向钢绞线；设定束为至少两束。

其中，T型扣件6包括用于穿接顶部的设定束横向钢绞线11或者底部的设定束横向钢绞线11的卡套61、一端与卡套61连接的U型连接叉耳62以及与U型连接叉耳62的另一端连接的楔形组件，楔形组件包括一端经锁紧螺母63与U型连接叉耳62的外壁连接的楔形卡套6661，楔形卡套6661远离U型连接叉耳62一端的内部开设有楔形孔腔，楔形孔腔内轴向滑动设置有楔形卡环65，楔形卡环65内卡接有竖向钢绞线；U型连接叉耳62伸入楔形卡套6661内部后经压紧螺母64与楔形卡环65压接，压紧螺母64还与穿过楔形卡环65的竖向钢绞线的外圆周侧固定连接；在使用楔形组件固定纵向钢绞线12时，通过压紧螺母64对纵向钢绞线12的一端进行固定，再通过锁紧螺母63与楔形卡套6661进行配合，实现对楔形卡环65的挤压，从而使得楔形卡环65与纵向钢绞线12之间进行卡合固定。

十字型扣件7包括基体和经螺栓设置于基体上下两端的盖板，基体的顶端与对应的盖板之间以及基体的底端与对应的盖板之间分别开设有横向沟槽和纵向沟槽，横向沟槽内和纵向沟槽内分别卡合有横向钢绞线11和纵向钢绞线12。在通过十字扣件固定横向钢绞线11和纵向钢绞线12时，将横向钢绞线11和纵向钢绞线12分别放置于基体两侧的横向沟槽和纵向沟槽内，然后将两个盖板盖合于基体的两侧，并通过螺栓将盖板和基体进行固定，从而完成横向钢绞线11和纵向钢绞线12的固定。

将装配式支撑柱2从顶端向底端按每段长h₁分为j等份，装配式支撑柱2的弯矩计算公式如下：

式中，τ为装配式支撑柱2的弯矩；E为装配式支撑柱2的弹性模量；I为装配式支撑柱2的截面惯性距；x_k为第k份的装配式支撑柱2的水平挠度；x_k-1为第k-1份的装配式支撑柱2的水平挠度；x_k+1为第k+1份的装配式支撑柱2的水平挠度；且k∈(2,j-1)。

装配式支撑桩的弯矩也可采用有限元进行模拟得出；

顶端钢管混凝土柱21与底端钢筋混凝土柱22之间设置有钢垫板，钢垫板的顶端且围绕顶端钢管混凝土柱21设置有多根翼板，多根翼板围成用于卡接多根顶端钢管混凝土柱21的空腔，且相邻两根翼板之间经高强螺栓连接底端钢筋混凝土柱22，且顶端钢管混凝土柱21与底端钢筋混凝土柱22的连接处填充有填缝剂；顶端钢管混凝土柱21和底端钢筋混凝土柱22的高度比为5:3，且底端钢筋混凝土柱22的横截面满足以下要求的正方形：

L≥2D (6)

式中，L为底端钢筋混凝土柱22的横截面边长，D为顶端钢管混凝土柱21的横截面直径；

顶端钢管混凝土柱21的截面尺寸根据横向钢绞线11传递到顶端钢管混凝土柱21上的冲击力采用有限差分法计算确定。

顶端钢管混凝土柱21为在钢管外浇筑混凝土的结构，钢管的表面涂抹有聚天门冬氨酸酷树脂；

底端钢筋混凝土柱22埋入地面的深度≥5m，底端钢筋混凝土柱22为在钢筋笼上浇筑混凝土保护层的结构，钢筋笼由阵列排布的横向钢筋和纵向钢筋组成，钢筋笼内插有多根纵向带肋钢筋，横向钢筋和纵向钢筋之间绑扎连接，且纵向钢筋间距≤0.2m，横向钢筋层间距≤0.3m，混凝土保护层的厚度≥0.05m；

底端钢筋混凝土柱22的顶端放置有钢垫片，钢垫片对应纵向带肋钢筋的位置开设有螺纹孔，纵向带肋钢筋的顶端与螺纹孔螺纹连接且经螺纹孔伸出，纵向带肋钢筋的伸出长度为0.5m；

纵向带肋钢筋的数量确定公式如下：

式中，m为纵向带肋钢筋的数量，τ为装配式支撑柱2的弯矩，f_y为纵向带肋钢筋的屈服强度，B_s为纵向带肋钢筋的截面积，h₀为装配式支撑柱2的截面高度，a'_s为混凝土保护层的厚度。

顶端钢管混凝土柱21的悬臂端的上1/2段均匀固定有多根预应力锚索5，多根预应力锚索5形成的平面与拦挡网主体1所在的平面垂直；

预应力锚索5的总根数采用如下公式计算：

x＝n/5 (8)

式中，x为预应力锚索5的总根数，n为横向钢绞线的总数量。

预应力锚索5锚固在山体内，预应力锚索5的作用主要是当崩塌落石冲击拦挡网时，为支撑桩提供抗力。

在本实施例中，装配式支撑桩的总长度为13m，由上到下布设了10根预应力锚索5，相邻预应力锚索5之间的间距为0.8m。

施工方法：

S1、安装装配式支撑柱2：

S11、浇筑底端钢筋混凝土柱22：

基于装配式支撑桩阵列的排布，在山体的下方开挖桩井，在桩井内绑扎钢筋笼，并向钢筋笼内***纵向带肋钢筋，在钢筋笼的顶端中心放置钢垫片，使得钢垫片上的螺纹孔穿过纵向带肋钢筋，再浇筑混凝土保护层；

S21、浇筑顶端钢管混凝土柱21：

首先在钢管外涂抹聚天门冬氨酸酷树脂，而后将钢管放入模具内浇筑；

S22、组装底端钢筋混凝土柱22和顶端钢管混凝土柱21：

将顶端钢管混凝土柱21放置于钢垫片上，并使得纵向带肋钢筋***钢管内部，而后围绕顶端钢管混凝土柱21在钢垫片上焊接翼板，再借助高强螺栓穿过钢垫板连接底端钢筋混凝；

S2、在山体坡面钻取孔，并放置反向预应力锚索4，对应反向预应力锚索4将对拉板3固定在山体坡面上，再将反向预应力锚索4和对拉板3的一侧连接；

S3、制备拦挡网本体：

S31、将横向钢绞线11穿过顶端钢管混凝土柱21后连接对拉板3的另一侧；

S32、沿横向钢绞线11布置纵向钢绞线12，并利用扣件连接交汇的横向钢绞线11和纵向钢绞线12；

S4、在顶端钢管混凝土柱21上连接预应力锚索5，并借助地梁锚固。

因此，本发明采用上述结构的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，通过设置装配式支撑柱，并采用高强螺栓连接顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱，可以实现底端钢筋混凝土柱的可更换、回收。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：包括设置于沟道两侧的山坡之间的拦挡网主体、顶端与拦挡网主体连接的多根装配式支撑柱，装配式支撑柱包括顶端钢管混凝土柱和底端钢筋混凝土柱，顶端钢管混凝土柱上固定有拦挡网主体，顶端钢管混凝土柱的底端经高强螺栓与底端钢筋混凝土柱的顶端装配连接，底端钢筋混凝土柱预埋于山体底端。

2.根据权利要求1所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：拦挡网主体的高度≥6m，拦挡网主体的屈服延伸率≥0.2％，拦挡网主体的断裂延伸率≥20％。

3.根据权利要求2所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：拦挡网主体为由纵横交错的多束横向钢绞线和多束纵向钢绞线组成的网格结构，横向钢绞线和纵向钢绞线之间经扣件连接；

横向钢绞线两端穿过顶端钢管混凝土柱后均依次经对拉板和反向预应力锚索分别与沟道两侧的山坡的坡面垂直连接；

横向钢绞线和纵向钢绞线的材质均为NPR钢。

4.根据权利要求3所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：相邻两束横向钢绞线之间的间距满足以下关系：

式中，h为相邻两束横向钢绞线之间的间距；n为横向钢绞线的数量；V为落石的当量体积；

且横向钢绞线的数量n满足以下关系：

MgH≤n(W₁+W₂) (2)

W₁＝F₂×L×Δ₁-F₁×L×Δ₀ (3)

W₂＝F₂×L×(Δ₂-Δ₁) (4)

式中，M为落石的质量；g为重力加速度；H为落石崩落位置到碰撞冲击拦挡网主体接触位置的高差；W₁为单束横向钢绞线的弹性阶段做功；W₂为单束横向钢绞线的塑性阶段做功；F₁为施加在单束横向钢绞线的预紧力；F₂为单束横向钢绞线的屈服临界力；L为单束横向钢绞线的长度；Δ₀为单束横向钢绞线预紧拉伸率；Δ₁为单束横向钢绞线屈服延伸率；Δ₂为单束横向钢绞线塑性变形伸长率。

5.根据权利要求3所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：扣件包括T型扣件和十字型扣件，T型扣件和十字型扣件的材质均为NPR合金钢；

其中，T型扣件用于连接位于顶部的设定束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线以及位于底部的设定束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线；

十字型扣件用于连接位于连接顶部的设定束横向钢绞线和位于底部的设定束横向钢绞线之间的单束横向钢绞线与交汇的单束竖向钢绞线；

设定束为至少两束。

6.根据权利要求5所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：T型扣件包括用于穿接顶部的设定束横向钢绞线或者底部的设定束横向钢绞线的卡套、一端与卡套连接的U型连接叉耳以及与U型连接叉耳的另一端连接的楔形组件，楔形组件包括一端经锁紧螺母与U型连接叉耳的外壁连接的楔形卡套，楔形卡套远离U型连接叉耳一端的内部开设有楔形孔腔，楔形孔腔内轴向滑动设置有楔形卡环，楔形卡环内卡接有竖向钢绞线；U型连接叉耳伸入楔形卡套内部后经压紧螺母与楔形卡环压接，压紧螺母还与穿过楔形卡环的竖向钢绞线的外圆周侧固定连接；

十字型扣件包括基体和经螺栓设置于基体上下两端的盖板，基体的顶端与对应的盖板之间以及基体的底端与对应的盖板之间分别开设有横向沟槽和纵向沟槽，横向沟槽内和纵向沟槽内分别卡合有横向钢绞线和纵向钢绞线。

7.根据权利要求1所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：将装配式支撑柱从顶端向底端按每段长h₁分为j等份，装配式支撑柱的弯矩计算公式如下：

式中，τ为装配式支撑柱的弯矩；E为装配式支撑柱的弹性模量；I为装配式支撑柱的截面惯性距；x_k为第k份的装配式支撑柱的水平挠度；x_k-1为第k-1份的装配式支撑柱的水平挠度；x_k+1为第k+1份的装配式支撑柱的水平挠度；且k∈(2,j-1)。

8.根据权利要求7所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱之间设置有钢垫板，钢垫板的顶端且围绕顶端钢管混凝土柱设置有多根翼板，多根翼板围成用于卡接多根顶端钢管混凝土柱的空腔，且相邻两根翼板之间经高强螺栓连接底端钢筋混凝土柱，且顶端钢管混凝土柱与底端钢筋混凝土柱的连接处填充有填缝剂；

顶端钢管混凝土柱和底端钢筋混凝土柱的高度比为5:3，且底端钢筋混凝土柱的横截面满足以下要求的正方形：

L≥2D (6)

式中，L为底端钢筋混凝土柱的横截面边长，D为顶端钢管混凝土柱的横截面直径；顶端钢管混凝土柱的横截面直径由采用有限差分法计算确定。

9.根据权利要求8所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：顶端钢管混凝土柱为在钢管外浇筑混凝土的结构，钢管的表面涂抹有聚天门冬氨酸酷树脂；

底端钢筋混凝土柱埋入地面的深度≥5m，底端钢筋混凝土柱为在钢筋笼上浇筑混凝土保护层的结构，钢筋笼由阵列排布的横向钢筋和纵向钢筋组成，钢筋笼内插有多根纵向带肋钢筋，横向钢筋和纵向钢筋之间绑扎连接，且纵向钢筋间距≤0.2m，横向钢筋层间距≤0.3m，混凝土保护层的厚度≥0.05m；

底端钢筋混凝土柱的顶端放置有钢垫片，钢垫片对应纵向带肋钢筋的位置开设有螺纹孔，纵向带肋钢筋的顶端与螺纹孔螺纹连接且经螺纹孔伸出，纵向带肋钢筋的伸出长度为0.5m；

纵向带肋钢筋的数量确定公式如下：

式中，m为纵向带肋钢筋的数量，τ为装配式支撑柱的弯矩，f_y为纵向带肋钢筋的屈服强度，B_s为纵向带肋钢筋的截面积，h₀为装配式支撑柱的截面高度，a'_s为混凝土保护层的厚度。

10.根据权利要求1所述的适用5000KJ落石冲击能级的装配式拦挡网防护结构，其特征在于：顶端钢管混凝土柱上由上到下均匀固定有多根预应力锚索，多根预应力锚索形成的平面与拦挡网主体所在的平面垂直；

预应力锚索锚固在地梁上，地梁反向锚固在山体内。