CN102493328A - 一种柔性防护棚洞及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种柔性防护棚洞及其设计方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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，本发明的技术方案如下：

一种柔性防护棚洞，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。本发明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。本发明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。

本发明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＝((P_max/6kσ₀)²/D)^1/3                               式1

式中，t——耗能减震器的壁厚，(mm)；

P_max——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。本发明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：

其中P_ave是圆柱叠缩后的平均承载力，σ₀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。

本发明通过有限元数值计算，确定钢结构最大支座反力P_max与耗能减震器特征参数间存在下式2表达的关系：

$P_{\max }=6k{\mathrm{\σ}}_{0}t\sqrt{\mathrm{Dt}}$ 式2

式中，P_max——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，本发明的有益效果是：(1)发明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)。

图中标号如下：

1 棚体         131 外层柔性防护网  16 支撑绳        3 耗能减震器

11 主拱圈      132 内层柔性防护网  17 卸扣式连接件  4 斜支撑梁

12 支撑圆管    14 钢件             18 缓冲垫层      5 桥墩

13 柔性防护网  15 螺栓             2 支座           6 桥面外侧扩展面

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8所示，在映秀至汶川高速公路某隧道出口桥面路段建造柔性防护棚洞。

隧道出口桥面位于阿坝州汶川县银杏乡沙坪关村下银杏坪组岷江上，拟建桥位斜跨岷江，与岷江河谷大致呈20°左右的小角度相交。桥位区岷江大致呈NW～SE，纵坡降约约0.5～1％，岷江两岸山高坡陡，为典型的山区河流“V”型河谷地貌。该区危岩、危石的稳定性为不稳定，极易形成崩塌；根据勘察期间对该区域崩塌落石的观察，该区危岩失稳后主要以跳跃加滚动的方式滚向坡下，大多顺目前的崩积体表面运动，部分落石最进入岷江河谷中部甚至岷江左岸，因此对该段拟建桥梁构成了巨大的威胁，其危险性及危害性均大。

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。棚洞包括棚体1、支座2，以及连接棚体1与支座2的耗能减震器3。棚体1采用拱式结构。耗能减震器3采用高强度螺栓分别与主拱圈11、支座2连接。

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。棚体1包括多根平行并排的钢结构主拱圈11，主拱圈11通过钢件14、螺栓15与支撑圆管12连接。支撑圆管12呈网状排列，将所有主拱圈11连接成一整体。

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示意图。主拱圈11两端近基部布置有支撑绳，柔性防护网通过卸扣式连接件17或者缝合线与支撑绳及主拱圈连接。柔性防护网13采用环形钢丝网，外层柔性防护网131是RX-025环形钢丝网，内层柔性防护网132是热镀锌高强度环形钢丝网。主拱圈采用H型钢，支撑圆管采用钢管。

图7是柔性防护棚洞与桥面连接关系示意图。为了不阻碍行车，棚洞支座2安装在道路桥面外侧扩展面6，外侧扩展面通过斜支撑梁4与桥墩5固定连接。

棚洞的设计参数依照如下方式计算确定：

首先通过工程地质勘察确定坡面滚石的最大冲击能量为400KJ，通过桥面设计数据确定安装棚洞的桥面支座处所能承受的最大冲击力为100kN；其次根据《公路隧道设计规范》确定棚洞主拱圈11初步几何参数、支撑圆管12初步几何参数、支座2初步几何参数、耗能减震器初步材料参数，确定数据表表1。考虑到当前桥面安全系数足够，耗能器更换方便，系数k取值5。

表1棚洞初步几何参数

最后依式1计算确定耗能减震器(3)的壁厚参数，计算如下：

t＝((P_max/6kσ₀)²/D)^1/3＝((10⁵/6×5×210×10⁶)²/0.1)^1/3＝0.0014(m)

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。显示在相同条件下安装和没有安装圆柱耗能器的钢结构支座反力随时间变化曲线。图中显示安装圆柱耗能器后，支座反力下降明显，并且支座反力随着圆柱厚度的减小而减小。表明安装耗能器对于保护桥面具有显著的效果。

为了进一步降低崩塌落石对主拱圈11的冲击力，防止主拱圈塑性区开展过大而形成塑性铰，在主拱圈11最上安装缓冲垫层18，缓冲垫层18位于双层柔性防护网13外侧。缓冲垫层18采用PVC材料，与主拱圈11固定连接。

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)。应力云图显示安装PVC垫层的主拱圈上高应力区明显降低，体现了PVC垫层对棚体与桥面的保护作用。

本发明经大量有限元数值计算确定，PVC垫层在厚度为100～300mm为最优设计。

Claims (10)

1.一种柔性防护棚洞，包括棚体(1)、支座(2)，以及连接棚体(1)与支座(2)的耗能减震器(3)，其特征在于：防护棚洞安装在桥面路段上方，所述棚体(1)是拱式结构，棚体(1)包括多根平行并排的钢结构主拱圈(11)，主拱圈(11)通过网状排列的支撑圆管(12)连接成一体；主拱圈(11)外侧安装双层柔性防护网(13)，所述柔性防护网(13)是环形钢丝网。

2.根据权利要求1所述防护棚洞，其特征在于：所述棚体(1)是全拱式结构。

3.根据权利要求1或2所述的防护棚洞，其特征在于：所述外层柔性防护网(131)是RX-025环形钢丝网，内层柔性防护网(132)是热镀锌高强度环形钢丝网。

4.根据权利要求3所述的防护棚洞，其特征在于：所述主拱圈(11)两端近基部布置有支撑绳(16)，柔性防护网(13)通过卸扣式连接件(17)或者缝合线与支撑绳(16)及主拱圈(11)连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的防护棚洞，其特征在于：主拱圈(11)上安装有缓冲垫层(18)，缓冲垫层(18)位于双层柔性防护网(13)外侧。

6.根据权利要求5所述防护棚洞，其特征在于：所述缓冲垫层(18)厚度100mm～300mm的PVC件。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的防护棚洞，其特征在于：所述支座(2)安装在道路桥面外侧扩展面(6)，外侧扩展面通过斜支撑梁(4)与桥墩(5)固定连接。

8.一种如权利要求7所述的柔性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(11)初步几何参数、支撑圆管(12)初步几何参数、支座(2)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(3)的壁厚参数；其特征在于：耗能减震器(3)的壁厚参数依如下方法计算确定：

耗能减震器(3)的壁厚依式1计算确定

t＝((P_max/6kσ₀)²/D)^1/3        式1

式中，t——耗能减震器的壁厚，(mm)；

P_max——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。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：当棚洞设计要点在于提高耗能减震器寿命时系数k取值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6。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述系数k取值5。

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