CN103603351B - 一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆 - Google Patents

Abstract

一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其结构由控制器（1）、通讯线（2）、传感器（3）、变刚度控制装置（12）、套筒（20）、中空锚管（5）、锚具（10）、锚固弹簧（11）和支护结构（4）组成。变刚度控制装置（12）由液压缸（13）、双出杆活塞（14）、油液（16）、旁通管路（17）、电液伺服阀（18）、刚度弹簧（19a）、刚度弹簧（19b）、螺栓（23）连接的支撑箱（21）和垫板（22）组成。本发明解决了地震作用造成的锚喷支护结构变形过大、支护结构不能自我调节、甚至破坏等无法根治的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全稳定性。

Description

一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆

技术领域

本发明属于锚喷支护结构的振动控制领域，具体涉及一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，特别适用于隧道、矿山巷道和高陡边坡等永久性支护工程。

背景技术

地震是人类面临的最严重自然灾害之一，它引起的建筑物倒塌、隧道塌方和山体滑坡等一系列灾害，给人类带来了巨大的生命和财产损失。我国地处太平洋地震带和欧亚地震带之间，是遭受地震灾害最为严重的国家之一，因而抗震防灾的任务十分艰巨。抗震设计主要致力于保证结构自身具有一定的强度、刚度和延性，以满足一定的抗震要求。这种设计，结构处于被动抵御地震的地位，因此是一种消极的设计。随着科技的进步，传统抗震设计方法越来越难满足现阶段提出的更严格的抗震安全性和适用性要求。为此，各国地震工程学家一直在寻求新的抗震设计途径，以隔振、减震技术为特点的控制设计理论便产生了。1972年美籍华人Yao首先将控制理论应用于土木结构振动的分析，提出了结构振动控制的概念。工程结构减震控制是在结构中适当的部位安装振（震）动控制系统，用来改变或调整结构的动力特性，阻隔、抵消外部地震激励，或耗散已经输入到结构系统中的地震能量，减轻结构的破坏或疲劳损伤，达到经济性、安全性与可靠性的合理平衡。对于结构振动控制的方法总体可分为四个方面：被动控制、主动控制、半主动与智能控制以及混合控制。被动控制主要利用被动耗能元件与结构整体一起振动，吸收振动能量，从而达到减振的目的，它的减振效果不高。主动控制是利用主动控制算法计算出控制所需要的最优控制力，并通过机械装置将最优控制力施加给结构，达到减振效果。从理论上讲，主动控制的减振效果最好，但巨大的控制力需要外界机械设备施加，反应较慢。半主动控制是通过改变半主动元件的特定参数来改变其对结构振动的阻碍程度，它既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性，并且结构简单，反应快，出力大，耗能少。目前结构振动控制的研究成果已成功应用于建筑结构、桥梁结构和高耸结构的抗风和抗震工程中，但锚喷支护领域的减震研究还停留在被动的隔震减震阶段。采取主动控制、半主动与智能控制以及混合控制的方法在锚喷支护领域的控制研究处于起步阶段，应用纯属空白。锚喷支护技术由于质量轻、柔度大等特点，在控制变形方面拥有独特的优越性，故在隧道、矿山巷道、边坡和基坑等支护工程中占有重要的地位。然而现有的锚喷支护结构在减震控制方面存在很大的缺陷，主要以增大支护结构刚度或增设隔震层的方式来抵御地震作用。当地震作用超过一定的限值，被动的增加刚度或增设隔震层的支护结构仍可能出现过大的变形、甚至破坏，导致支护体的失稳垮塌。另外，由于锚喷支护结构自身施作空间的限制，不能为主动控制所需的机械设备提供足够的空间，然而半主动控制却能够满足这种需求，故它成为锚喷支护结构振动控制的最佳选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，解决地震作用造成的锚喷支护结构及不稳定岩土体变形过大、甚至失稳垮塌，无法自我调节的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全性。

本发明是一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，该控制锚杆由控制器1、通讯线2、传感器3、变刚度控制装置12、套筒20、中空锚管5、锚具10、锚固弹簧11和支护结构4组成；其中变刚度控制装置12由液压缸13、双出杆活塞14、油液16、旁通管路17、电液伺服阀18、第一刚度弹簧19a、第二刚度弹簧19b、螺栓23连接的支撑箱21和垫板22组成；控制器1是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀18的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀18的开/关状态；双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形；双出杆活塞14能在液压缸13内自由滑动，双出杆活塞14的左出杆上套有第一刚度弹簧19a，右出杆上套有第二刚度弹簧19b，且右出杆段末端带有螺纹15，双出杆直径等于中空锚管5的直径。

本发明的有益效果是：本发明集合半主动变刚度控制装置与中空锚管于一体形成半主动变刚度耗能减震控制锚杆，特别适用于重要的永久性锚喷支护结构的振动控制，提高了支护体在静、动荷载作用下的稳定性，减轻了地震动造成的危害。中空锚管在静态时由锚固弹簧提供锚头反力，而在动态时锚固弹簧变形，消耗一定的能量；变刚度控制装置对支护结构通过耗能进行减震以及提供与运动方向相反的阻碍力，减小了支护结构的动力反应，故它为支护结构的一种耗能减震装置，确保支护体的安全稳定。变刚度控制装置是通过调节电液伺服阀的开口状态来实现不同程度的刚度状态，只需少量的能源来维持电液伺服阀的正常工作，不需要消耗巨大的外部能源提供直接的控制力。另外，它既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性，并且结构简单，所需空间小，反应快，出力大等优点。本发明的目的是提供一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，解决了地震作用无法预测造成的锚喷支护结构变形过大、支护结构不能自我调节、甚至破坏等无法根治的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全稳定性。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图，图2是本发明的结构示意图，图中中空锚管5的右侧部分与图4相同，图3是图2中的变刚度控制装置12的结构示意图，图4是图2中的中空锚管5的结构示意图，图5是本发明在隧道支护工程中实施的结构示意图，图中液压缸13左侧部分与图2相同。

具体实施方式

如图2所示，本发明是一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，该控制锚杆由控制器1、通讯线2、传感器3、变刚度控制装置12、套筒20、中空锚管5、锚具10、锚固弹簧11和支护结构4组成；其中变刚度控制装置12由液压缸13、双出杆活塞14、油液16、旁通管路17、电液伺服阀18、第一刚度弹簧19a、第二刚度弹簧19b、螺栓23连接的支撑箱21和垫板22组成；控制器1是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀18的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀18的开/关状态；双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形；双出杆活塞14能在液压缸13内自由滑动，双出杆活塞14的左出杆上套有第一刚度弹簧19a，右出杆上套有第二刚度弹簧19b，且右出杆段末端带有螺纹15，双出杆直径等于中空锚管5的直径。

如图2所示，中空锚管5是前段带有用于连接的螺纹6，后半段带有出浆孔8、用于增大粘结力的刺棒7和用于堵浆的止浆塞9，止浆塞（9）焊接在钢管外。

如图2所示，锚固弹簧11位于锚具10和支护结构4之间，刚度系数为400N/mm~600N/mm，直径为50mm~60mm。

如图2所示，第一刚度弹簧19a和第二刚度弹簧19b的刚度系数为800N/mm~1500N/mm，直径为80mm~120mm；第二刚度弹簧19b套在套筒20、锚具10和锚固弹簧11外。

如图2、图3、图5所示，支撑箱21和垫板22为钢板，板厚度为4mm~8mm；用螺栓23将支撑箱21和垫板22与支护结构4固定连接。

如图2、图3、图5所示，油液16为粘滞阻尼液。

如图2、图3、图5所示，双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形，柱高为300mm~400mm，底面圆的直径为150mm~250mm。中空锚管5的直径为30mm~40mm，厚度为3mm~4mm。

 本发明的半主动变刚度振动控制的减振机理：以单自由度体系为例进行说明，假设系统装有一个附加变刚度构件，其刚度为                                                ，如图1所示，设当时可变刚度系统切换为ON状态，并且在时段内一直保持ON状态。则在该时段内所做的功为：

                （1）

式中，为质点在时刻的位移，为质点在时刻的位移，为质点在时刻的速度。

由式（1）可知，时，，附加刚度做负功，工程结构的能量减小。此状态对应于质点从平衡位置运动到最大位移的过程。在此时间段内，质点的位移与速度满足关系式。

当时，，可变刚度做正功，工程结构的能量增加，此状态对应质点从最大位移位置运动到平衡位置的过程。在此时间段内，质点的位移与速度满足关系式。

为了减小工程结构的震动能量，实现降低结构地震响应的目的，将半主动变刚度震动控制定律定为：

（1）当时，可变刚度系统处于ON状态；

（2）当时，可变刚度系统处于OFF状态。

该控制律表明，可变刚度系统在平衡位置由OFF状态切换为ON状态，此时。

采用上述控制律时，式（1）变为：

             （2）

可以看出，当时，可变刚度系统处于ON状态，附加刚度做负功，吸收能量；当时，可变刚度系统处于OFF状态，与装置的附加阻尼器连接，将附加刚度吸收的能量释放给阻尼器消耗掉，因此，可变刚度系统是在吸收能量并将其释放给附加阻尼器的过程中达到减小动力响应的目的。

本发明的半主动变刚度耗能减震控制锚杆的工作过程是：支护结构4的反应由传感器3反馈至控制器1，控制器1按照设定的控制算法并结合支护结构4的反应，判断半动变刚度控制装置12的刚度状态，然后将控制信号发送至电液伺服阀18，并操纵电液伺服阀18的“开”或“关”状态，实现不同的变刚度状态。当控制算法根据支护结构4的反应需要给支护结构4及不稳定岩土体附加刚度时，控制器1命令并操纵电液伺服阀18，使其处于“开”状态，这时电液伺服阀18开口全部“关闭”，双出杆活塞14及中空锚管5与液压缸13之间无相对运动，由于中空锚管5内通过压力注满水泥砂浆，故弹性模量远大于岩土体的弹性模量，相对变形小，并且中空锚管5锚固在稳定岩土体中。在地震作用下，中空锚管5和稳定岩土体之间产生了很小的相对位移，而稳定岩土体与不稳定岩土体之间产生了相对比较大的位移，也就是支护结构4和不稳定岩土体与中空锚管5之间产生相对比较大的位移，此时第一刚度弹簧19a或第二刚度弹簧19b进入工作状态，第一刚度弹簧19a或第二刚度弹簧19b的变形等于支护结构4和中空锚管5之间的相对位移差，变刚度控制装置12给支护结构4附加了第一刚度弹簧19a或第二刚度弹簧19b的刚度，阻碍支护结构4及不稳定岩土体相对稳定岩土体的变形。当按照控制算法和支护结构4的反应不需要给支护结构4附加刚度时，控制器1命令并操纵电液伺服阀18，使其处于“关”状态，这时电液伺服阀18开口“打开”，双出杆活塞14及中空锚管5与液压缸13之间产生相对运动，液压缸13的一个油腔内压力升高，油液16将从压力高的油腔通过旁通管路17流入压力低的油腔，两个油腔内的压力差即为半主动变刚度控制装置12给支护结构4提供的阻尼力，在该阶段，由于双出杆活塞14在液压缸13内自由滑动，第一刚度弹簧19a或第二刚度弹簧19b变为自由伸展状态，所以半主动变刚度控制装置12给支护结构4不提供第一刚度弹簧19a或第二刚度弹簧19b的刚度。

本发明在隧道支护工程中的应用，如图5所示。在隧道支护工程中实施时的具体施工步骤如下：

（1）制作变刚度控制装置12：制作双出杆活塞14和液压缸13，并进行组装，连接旁通管路17，在液压缸13内充填油液16，排气调试，安装电液伺服阀18。此装置由生产厂家预制；

（2）制作中空锚管5:在钢管的前段车削螺纹6，后段焊接止浆塞9、刺棒7，钻出浆孔8；

（3）放线定位：根据工程设计要求，用测量工具进行定位；

（4）钻孔：用钻机在隧道围岩钻孔24，孔24的直径等于止浆塞9的直径，将中空锚管5安置于孔24中；

（5）注浆：在中空锚管5中压力注入水泥砂浆25，且它能从出浆孔8渗出，使得中空锚管5锚固在稳定区29中；

（6）施作支护结构4，将垫板22和锚固弹簧11套在中空锚管5上，之后用锚具10将中空锚管5锚固在支护结构4上；

（7）安装变刚度控制装置12：

（a）将套筒20的一端与中空锚管5通过螺纹6连接；

（b）在预制好的变刚度控制装置12的双出杆活塞14右出杆上套装第二刚度弹簧19b，将套筒20的另一端与双出杆活塞14的右出杆通过螺纹15连接，实现中空锚管5与双出杆活塞14的连接；

（c）在双出杆活塞14的左出杆上套装第一刚度弹簧19a；

（d）将通讯线2的一端与电液伺服阀18连接；

（e）将支撑箱21套在双出杆活塞14上，并用螺栓23将支撑箱21、垫板22固定支护结构4上；

（8）在支护结构4上安装传感器3，将控制器1安放在洞壁26不宜受到干扰的地方；

（9）用通讯线2将传感器3、电液伺服阀18与控制器1连接。至此半主动变刚度耗能减震控制锚杆安装完成；

（10）按照第（4）、（5）、（6）、（7）、（8）和（9）的步骤施工下一个半主动变刚度耗能减震控制锚杆。

本发明在隧道支护工程中实施时的工作原理：

隧道围岩在开挖的过程中由于地应力的释放，会破坏原有的平衡，形成破裂松动圈27和稳定区29，在地震作用下，为了控制隧道破裂松动圈27的地震反应，不发生失稳，发明了一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆进行支护。

在静态时，中空锚管5和支护结构4将破裂松动圈27的围岩锚固在稳定区29，支护结构4承受来自破裂松动圈27的围岩压力，锚固弹簧11处于受压状态，中空锚管5处于受拉状态，通过中空锚管5将围岩压力传至稳定区29围岩中，维持着破裂松动圈27的稳定；变刚度控制装置12的电液伺服阀18处于完全“打开”状态，第一刚度弹簧19a和第二刚度弹簧19b处于自由状态，液压缸13与双出杆活塞14之间可以自由滑动，变刚度控制装置12没有进入工作状态，半主动变刚度耗能减震控制锚杆的作用相当于普通锚喷支护结构中的锚杆。

在动荷载（地震）作用下，隧道围岩由静态转为动态，由于破裂松动圈27围岩自身的不稳定将与稳定区29围岩之间产生相对位移。中空锚管5内通过压力注浆充满水泥砂浆25，凝固后形成实心杆体共同受力，其刚度相对围岩来说比较大，变形小。由于中空锚管5并非全长锚固，在稳定区29围岩中，水泥砂浆25与周围稳定区29围岩粘结，将中空锚管5锚固在稳定区29围岩中，形成锚固段；而在破裂松动圈27中，中空锚管5与破裂松动圈27之间没有水泥砂浆25粘结，形成自由段，所以在地震作用下中空锚管5和稳定区29围岩的相对位移很小，但支护结构4及破裂松动圈27与中空锚管5之间产生了相对比较大的位移，从而锚固弹簧11也产生了变形，变刚度控制装置12开始进入工作状态。在地震作用过程中，根据破裂松动圈27离开平衡位置的方向，通过调节电液伺服阀18控制液压缸13与双出杆活塞14之间的相对滑动来控制变刚度的大小。

以一个周期内的地震动为例，在0~1/4周期内，隧道围岩向洞内运动，即从静态平衡位置向洞内运动，位移逐渐增大，在惯性力的作用下破裂松动圈27施加给支护结构4的围岩压力增大，推动支护结构4向洞内运动，该阶段，支护结构4与中空锚管5之间产生相对位移，使得锚固弹簧11被压缩，中空锚管5的受力急剧增大，而锚固弹簧11被压缩时对支护结构4产生被动耗能。同时支护结构4的地震反应由传感器3反馈至控制器1，控制器1按照设定的控制算法，将控制信号发送至电液伺服阀18，并操纵使其开口“关闭”，在油液16的作用下双出杆活塞14与液压缸13之间没有相对运动，中空锚管5和液压缸13形成整体，一起向洞内运动，但液压缸13与支护结构4之间产生相对位移，支护结构4压缩双出杆活塞14右段的第二刚度弹簧19b，在此过程中，半主动变刚度控制装置12给支护结构4附加了第二刚度弹簧19b的刚度，通过耗能减小支护结构4及破裂松动圈27的地震反应。

在1/4周期时，支护结构4向洞内的位移达到最大值。在1/4~1/2周期内，运动方向发生改变，破裂松动圈27向平衡位置运动，位移从最大值逐渐减小到零，同时支护结构4的地震反应由传感器3反馈至控制器1，控制器1按照设定的控制算法，将控制信号发送至电液伺服阀18，并操纵使其开口处于“打开”状态，液压缸13与双出杆活塞14之间可以自由滑动，第二刚度弹簧19b开始向自由伸展状态变化，附加刚度逐渐变为零，油液16将从压力高的油腔通过旁通管路17流入压力低的油腔，两个油腔内的压力差即为半主动变刚度控制装置12给支护结构4提供的阻尼力。

在1/2周期时，隧道整体回到静态平衡位置。在1/2~3/4周期内，破裂松动圈27从平衡位置向洞外稳定区29运动，在惯性力的作用下支护结构4向洞外稳定区29运动。该阶段，支护结构4与中空锚管5之间产生相对位移，同时支护结构4的地震反应由传感器3反馈至控制器1，控制器1按照设定的控制算法，将控制信号发送至电液伺服阀18，并操纵使其开口“关闭”，在油液16的作用下双出杆活塞14与液压缸13之间没有相对运动，中空锚管5和液压缸13形成整体，一起向洞外稳定区29运动，但液压缸13与支护结构4之间产生相对位移，支护结构4将力传给支撑箱21，支撑箱21压缩双出杆活塞14左段的第一刚度弹簧19a，在此过程中，半主动变刚度控制装置12给支护结构4附加了第一刚度弹簧19a的刚度，通过耗能减小支护结构4及破裂松动圈27的地震反应。

在3/4周期时，支护结构4向洞外稳定区29的位移达到最大值。在3/4~1周期内，运动方向发生改变，从稳定区27向静态平衡位置运动，位移从最大值之间减小到零，同时支护结构4的反应由传感器3反馈至控制器1，控制器1按照设定的控制算法，将控制信号发送至电液伺服阀18，并操纵使其开口处于“打开”状态，液压缸13与双出杆活塞14之间可以自由滑动，刚度弹簧19a开始向自由伸展状态变化，即附加刚度逐渐变为零，油液16将从压力高的油腔通过旁通管路17流入压力低的油腔，两个油腔内的压力差即为半主动控制系统给支护结构4提供的阻尼力。在地震作用下,半主动变刚度控制装置12重复以上过程，通过改变支护结构4刚度的大小来减小支护结构4及破裂松动圈27相对稳定区29的地震反应，从而确保了支护结构4的安全稳定。

Claims (8)

1.一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于该控制锚杆由控制器（1）、通讯线（2）、传感器（3）、变刚度控制装置（12）、套筒（20）、中空锚管（5）、锚具（10）、锚固弹簧（11）和支护结构（4）组成；其中变刚度控制装置（12）由液压缸（13）、双出杆活塞（14）、油液（16）、旁通管路（17）、电液伺服阀（18）、第一刚度弹簧（19a）、第二刚度弹簧（19b）、螺栓（23）连接的支撑箱（21）和垫板（22）组成；控制器（1）是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀（18）的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀（18）的开/关状态；双出杆活塞（14）和液压缸（13）的形状为圆柱形；双出杆活塞（14）能在液压缸（13）内自由滑动，双出杆活塞（14）的左出杆上套有第一刚度弹簧（19a），右出杆上套有第二刚度弹簧（19b），且右出杆段末端带有螺纹（15），双出杆直径等于中空锚管（5）的直径；垫板（22）和锚固弹簧（11）套在中空锚管（5）上，用锚具（10）将中空锚管（5）锚固在支护结构（4）上; 将套筒（20）的一端与中空锚管（5）通过螺纹（6）连接；套筒（20）的另一端与双出杆活塞（14）的右出杆通过螺纹（15）连接，实现中空锚管（5）与双出杆活塞（14）的连接；支撑箱（21）套在双出杆活塞（14）上，并用螺栓（23）将支撑箱（21）、垫板（22）固定支护结构（4）上；在支护结构（4）上安装传感器（3），用通讯线（2）将传感器（3）、电液伺服阀(18)与控制器（1）连接。

2.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：中空锚管（5）是前段带有用于连接的螺纹（6），后半段带有出浆孔（8）、用于增大粘结力的刺棒（7）和用于堵浆的止浆塞（9），止浆塞（9）焊接在钢管外。

3.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：锚固弹簧（11）位于锚具（10）和支护结构（4）之间，刚度系数为400N/mm~600N/mm，直径为50mm~60mm。

4.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：第一刚度弹簧（19a）和第二刚度弹簧（19b）的刚度系数为800N/mm~1500N/mm，直径为80mm~120mm；第二刚度弹簧（19b）套在套筒(20)、锚具（10）和锚固弹簧（11）外。

5.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：支撑箱（21）和垫板（22）为钢板，板厚度为4mm~8mm；用螺栓（23）将支撑箱（21）和垫板（22）与支护结构（4）固定连接。

6.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：油液（16）为粘滞阻尼液。

7.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：双出杆活塞（14）和液压缸（13）的形状为圆柱形，柱高为300mm~400mm，底面圆的直径为150mm~250mm。

8.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于：中空锚管（5）的直径为30mm~40mm，厚度为3mm~4mm。