CN103615004B - 一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管 - Google Patents

Abstract

一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其结构由控制器（1）、传感器（2）、通讯线（3）、支护结构（4）、锚具（5）、锚固弹簧（12）、通过第一抱箍（15a）、第二抱箍（15b）和螺栓（23b）连接中空锚管（6）与变阻尼控制装置构成。变阻尼控制装置由带有第一抱箍（15a）的液压缸（14）、单向双出杆活塞（16）、油液（18）、旁通管路（19）、电液伺服阀（20）、带有螺栓（23a）的螺帽（22）和护罩（21）构成。本发明的目的是提供一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，解决了目前的锚喷支护结构体系在地震作用下变形过大、甚至破会等无法根治的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全稳定性。

Description

一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管

技术领域

本发明涉及一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，属于锚喷支护结构振动控制领域，尤其适合于隧道、矿山巷道和高陡边坡等永久性支护工程。

背景技术

地震具有明显的随机性和突发性，人们还不能准确对其进行预测，对于工程结构主要采用抗震设计思想来预防和抵御地震造成的危害。传统的抗震设计主要靠增强结构自身性能来抵御外界干扰。这种设计，结构处于被动抵御地震的地位是一种消极的设计。随着经济发展，人们对建筑物提出更为严格的抗震安全性和适用性能要求，传统抗震设计方法的局限性越来越明显，已经很难经济有效地解决这一问题，而且不能保证结构在不确定荷载作用下的安全可靠性。新的抗震设计方法应该既能满足无人员伤亡和无结构损伤又能满足设备功能不中断的要求。经过各国地震工程学家的不懈努力，1972年美籍华人Yao结合现代控制理论，提出了土木工程结构振动控制的概念，开创了结构振动控制研究的新理论。此后以振动控制技术为核心的结构抗震设计理论和方法日益受到国内外学术界和工程界的重视。结构振动控制是研究在动力荷载作用下控制结构状态响应的理论、方法和措施，它是靠结构和控制系统共同抵御结构过大的动力响应，突破了传统结构抗震设计的概念。工程结构减震控制是指在结构的特定部位配置或嵌入某种装置(如隔震支座，摩擦滑摆等)，或某种机构(如阻尼器、耗能支撑等)，或某种子结构(如调谐质量等)，或某种施加外力的设备(如液压作动器等)，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，从而合理控制工程结构在地震作用下的动力响应。智能隔震体系是将主动或半主动控制元件与隔震系统结合起来，利用传感器感应外部激励和结构响应，根据某种设定的控制算法实时改变控制器的参数，使隔震结构对不同性质的随机地震波有更强的自适应性。实践证明，土木工程领域的振动控制可以有效地减轻在车辆、风、海浪、流水及地震等动力作用下的反应和损伤积累，有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能，是抗振减振和防灾减灾极为有效的方法和技术。基于结构振动控制理论的研究和应用，国内外已建成70余座主动、半主动和智能控制的高层建筑、电视塔和桥梁等大型工程结构，这些结构在台风和地震作用下初步经受了考验，显示出了良好的抗风和抗振（震）性能，但对于锚喷支护结构的振动控制研究和应用还是一片空白。由于锚喷支护结构质量轻、柔度大，从而在隧道、矿山巷道、边坡和基坑等支护工程中发挥着不可替代的作用。然而，目前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，导致支护体失稳垮塌。另外，锚喷支护结构由于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，而半主动控制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，自身体积小，所需空间较小，既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，解决在地震作用下造成的锚喷支护结构变形过大、甚至破坏的问题，提高锚喷支护结构的抗震性和安全性。

本发明是一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，该锚管由控制器1、传感器2、通讯线3、支护结构4、锚具5、锚固弹簧12、通过第一抱箍15a、第二抱箍15b和螺栓23b连接中空锚管6与变阻尼控制装置构成；其中变阻尼控制装置由带有第一抱箍15a的液压缸14、单向双出杆活塞16、油液18、旁通管路19、电液伺服阀20、带有螺栓23a的螺帽22和护罩21构成；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20的驱动软件的该PC机能够控制电液伺服阀20的开/关状态；液压缸14的形状为圆筒状；单向双出杆活塞16的活塞套在液压缸14的内筒上，前段带有螺纹17的单向双出杆从液压缸14内穿出，单向双出杆活塞16与液压缸14之间能自由滑动。

 本发明的有益效果是：本发明集合半主动变阻尼控制装置与中空锚管于一体形成一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，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，减轻地震动造成的危害。变阻尼控制装置是通过调节电液伺服阀的开口“大小”来实现不同程度的阻尼力大小，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。变阻尼控制装置的控制方向单一，只能实现与支护结构运动方向相反的控制，即提供阻止支护结构运动的反向力，所以它性能稳定，鲁棒性好。另外，它既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性，且具有结构简单，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带有半主动变阻尼控制装置的锚管，解决了目前的锚喷支护结构体系在地震作用下变形过大、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6右侧的结构与图5相同，图3是图2中的变阻尼控制装置的结构示意图，图4是图2中的螺栓23b和抱箍15b的结构示意图，图5是中空锚管6的结构示意图，图6是本发明在边坡支护工程中实施的结构示意图。

具体实施方式

如图2、图3、图4所示，本发明是一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，该锚管由控制器1、传感器2、通讯线3、支护结构4、锚具5、锚固弹簧12、通过第一抱箍15a、第二抱箍15b和螺栓23b连接中空锚管6与变阻尼控制装置构成；其中变阻尼控制装置由带有第一抱箍15a的液压缸14、单向双出杆活塞16、油液18、旁通管路19、电液伺服阀20、带有螺栓23a的螺帽22和护罩21构成；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20的驱动软件的该PC机能够控制电液伺服阀20的开/关状态；液压缸14的形状为圆筒状；单向双出杆活塞16的活塞套在液压缸14的内筒上，前段带有螺纹17的单向双出杆从液压缸14内穿出，单向双出杆活塞16与液压缸14之间能自由滑动。

 如图2、图3所示，电液伺服阀20是电液比例节流伺服阀或电液比例溢流伺服阀；油液18为粘滞阻尼液。

如图2、图3所示，传感器2安装在支护结构4上；带有螺栓23a的螺帽22将单向双出杆活塞16的双出杆固定连接在支护结构4上。

如图2、图5、图6所示，中空锚管6的前段带有用于连接的螺纹7，在中空锚管6距前段0.7m~1m处焊接用于阻挡液压缸14滑动的挡板8，中空锚管6的后半段带有出浆孔11、用于增大粘结力的刺棒10和用于堵浆的止浆塞9，止浆塞9焊接在钢管外。

如图2、图3、图4所示，第一抱箍15a、第二抱箍15b通过螺栓23b将中空锚管6与液压缸14固定连接。

如图2所示，锚固弹簧12位于锚具5和支护结构4之间，刚度系数为400N/mm~600N/mm，直径为50mm~60mm。

如图3所示，液压缸14的内筒前段带有第一抱箍15a，内筒直径为50mm~60mm，外筒直径为150mm~250mm，筒长为200mm~300mm。

如图2、图3所示，油液18为硅树脂油。

如图5所示，中空锚管6直径为30mm~40mm，厚度为3mm~4mm。

本发明的半主动变阻尼振动控制的减振机理：以单自由度体系为例进行说明，如图1所示，半主动变阻尼控制系统的运动方程可以表示为：

无控                                                    

Passive—on     

Passive—off       

   半主动控制     

 式中，是结构的质量；是结构的刚度系数；是结构的阻尼系数；是干扰；是半主动变阻尼控制装置提供的阻尼系数，它可以是电压和时间的函数。半主动变阻尼控制装置在电液伺服阀完全打开时，提供最小阻尼力，阻尼系数为，称为passive—off状态；在电液伺服阀完全关闭时，提供最大的阻尼力，阻尼系数，称为passive—on状态。

本发明的带有半主动变阻尼控制装置的锚管工作过程为：支护结构4的反应由传感器2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，判断半主动变阻尼控制装置提供的阻尼力大小，然后将控制信号发送至电液伺服阀20，并通过操纵电液伺服阀20开口的“大小”，控制流过电液伺服阀20的油液18流量，使得单向双出杆活塞16与液压缸14之间产生相对位移，调解液压缸14两腔内的压力差，从而给支护结构4提供连续可变的阻尼力，实现对支护结构4振（震）动的有效控制，减小支护结构4和不稳定区的位移。当在控制实施过程中电液伺服阀20开口始终保持完全“打开”状态，半主动变阻尼控制装置提供最小阻尼力。当在控制实施过程中电液伺服阀20开口始终保持完全“关闭”状态，半主动变阻尼控制装置提供最大的阻尼力。

本发明在边坡支护工程中的应用，如图6所示，实施时施工步骤如下：

（1）制作变阻尼控制装置：制作单向双出杆活塞16和带有第一抱箍15a的液压缸14，并进行组装，连接旁通管路19，在液压缸14内充填油液18，排气调试，安装电液伺服阀20。此装置由生产厂家预制；

（2）制作中空锚管6：在钢管前段车削螺纹7，在距前段0.7m~1m处焊接挡板8，后段焊接止浆塞9和刺棒10，并钻出浆孔11；

（3）放线定位：根据工程设计要求，用测量工具进行放线定位；

（4）钻孔：用钻机在边坡体上钻孔24，孔24的直径等于止浆塞9的直径，按锚固设计选用中空锚管6、并将其安放于孔24中；

（5）注浆：在中空锚管6中压力注入水泥砂浆25，它能从出浆孔11渗出，使得中空锚管6的后半段被水泥砂浆25锚固在稳定区28中；

（6）安装变阻尼控制装置：将预制好的变阻尼控制装置套在中空锚管6上，后端与挡板8紧靠，前端用第一抱箍15a、第二抱箍15b和螺栓23b 将变阻尼控制装置固定在中空锚管6上，通讯线3的一端与电液伺服阀20连接，并穿出护罩21；

（7）施作支护结构4：用带有螺栓23a的螺帽22将单向双出杆活塞16的双出杆锚固在支护结构4；在中空锚管6前段套上锚固弹簧12，再用锚具5将中空锚管6锚固在支护结构4上；

（8）在支护结构4上安装传感器2；控制器1安放在边坡不宜受到干扰的地方；

（9）用通讯线3将传感器2、电液伺服阀20与控制器1连接。至此一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管安装完成；

（10）按照第（4）、（5）、（6）、（7）、（8）和（9）的步骤施工下一根带有半主动变阻尼控制装置的锚管。

本发明在边坡支护工程中实施时的工作原理：

边坡包括天然斜坡和人工边坡，是地球表面具有露天侧向临空面的地质体。在不同的内外营力作用下(构造地应力、降雨、地震等)，边坡会逐渐演化沿着内部某一破裂面27（或破裂带）产生剪切滑移变形而失稳，形成滑动区26和稳定区28。为了防止地震作用下边坡失稳，并进行地震反应控制，发明了一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管进行加固。带有半主动变阻尼控制装置的锚管通过锚具5锚固在支护结构4上，支护结构4承受来自滑动区26的岩土压力，锚固弹簧12处于压缩状态，中空锚管6处于受拉状态，通过它将岩土压力传至稳定区28中，保持着滑动区26的稳定。

在静态时，变阻尼控制装置的电液伺服阀20处于完全“打开”状态，液压缸14与单向双出杆活塞16之间可以自由滑动，变阻尼控制装置没有进入工作状态，带有半主动变阻尼控制装置的锚管相当于普通锚喷支护结构中的锚杆。

在动荷载（地震）作用下，边坡岩土体由静态转为动态，由于滑动区26的不稳定岩土与稳定区28岩土之间产生相对位移。中空锚管6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，其刚度相对岩土体来说比较大，变形小。由于中空锚管6并非全长注浆锚固，在稳定区28中，水泥砂浆25与周围稳定区28岩土体粘结，将中空锚管6锚固在稳定区28中，形成锚固段；在滑动区26中，中空锚管6与滑动区26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6和稳定区28的相对位移很小，但支护结构4和滑动区26与中空锚管6之间产生了相对比较大的位移，从而锚固弹簧12也产生了变形，变阻尼控制装置开始进入工作状态。在地震作用过程中，根据支护结构4和滑动区26离开平衡位置的方向，通过电液伺服阀20控制液压缸14与单向双出杆活塞16之间的相对滑动来控制变阻尼的大小。

以一个周期内的地震动为例，在0~1/4周期内，边坡岩土体由静态平衡位置向临空面运动，位移从零逐渐增大，在惯性力的作用下滑动区26施加给支护结构4的岩土压力增大，推动支护结构4向临空面运动，该阶段，支护结构4与中空锚管6之间产生相对位移，使得锚固弹簧12被压缩，中空锚管6的受力急剧增大，而锚固弹簧12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2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20，并通过操纵使其开口程度“减小”，控制流过电液伺服阀20的油液18的流量，调解液压缸14两腔内的压力差，使得附加阻尼力增大，阻碍单向双出杆活塞16与液压缸14之间的相对运动，通过单向双出杆活塞16的双出杆给支护结构4提供连续可变的阻尼力，从而减小支护结构4及滑动区26的地震反应。

在1/4周期时，支护结构4向临空面运动的位移达到最大值。在1/4~1/2周期内，边坡运动方向发生改变，滑动区26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2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20，并操纵使其开口程度“增大”，调解液压缸14两腔内的压力差，使得附加阻尼力逐渐减小，两个油腔内的压力差即为变阻尼控制装置给支护结构4提供的阻尼力。

在1/2周期时，边坡整体回到平衡位置。在1/2~3/4周期内，边坡运动方向保持不变，从平衡位置向稳定区28运动，位移从零逐渐增大，在惯性力的作用下支护结构4向稳定区28运动。该阶段，支护结构4与中空锚管6之间产生相对位移，同时支护结构4的地震反应由传感器2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20，并操纵使其开口程度“减小”，调解液压缸14两腔内的压力差，使得附加阻尼力增大，减小单向双出杆活塞16与液压缸14之间的相对位移，通过单向双出杆活塞16的双出杆给支护结构4提供连续可变的阻尼力，从而减小支护结构4及滑动区26的地震反应。

在3/4周期时，支护结构4向边坡稳定区28的位移达到最大值。在3/4~1周期内，边坡运动方向发生改变，滑动区26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的反应由传感器2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20，并操纵使其开口程度“增大”， 调解液压缸14两腔内的压力差，使得附加阻尼力逐渐减小，两个油腔内的压力差即为变阻尼控制装置给支护结构4提供的阻尼力。在地震作用过程中，半主动变阻尼控制装置重复以上步骤，通过改变阻尼力的大小来减小支护结构4及滑动区26相对稳定区28的地震反应，从而确保了支护结构4的安全稳定。

Claims (8)

1.一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于该锚管由控制器（1）、传感器（2）、通讯线（3）、支护结构（4）、锚具（5）、锚固弹簧（12）、通过第一抱箍（15a）、第二抱箍（15b）和螺栓（23b）连接中空锚管（6）与变阻尼控制装置构成；其中变阻尼控制装置由带有第一抱箍（15a）的液压缸（14）、单向双出杆活塞（16）、油液（18）、旁通管路（19）、电液伺服阀（20）、带有螺栓（23a）的螺帽（22）和护罩（21）构成；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（20）的驱动软件的该PC机能够控制电液伺服阀（20）的开/关状态；液压缸（14）的形状为圆筒状；单向双出杆活塞（16）的活塞套在液压缸（14）的内筒上，前段带有螺纹（17）的单向双出杆从液压缸（14）内穿出，单向双出杆活塞（16）与液压缸（14）之间能自由滑动；第一抱箍（15a）、第二抱箍（15b）和螺栓（23b） 将变阻尼控制装置固定在中空锚管（6）上；带有螺栓（23a）的螺帽（22）将单向双出杆活塞（16）的双出杆锚固在支护结构（4）；中空锚管（6）前段套上锚固弹簧（12），锚具（5）将中空锚管（6）锚固在支护结构（4）上；支护结构（4）上安装传感器（2）；通讯线（3）将传感器（2）、电液伺服阀（20）与控制器（1）连接。

2.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：电液伺服阀（20）是电液比例节流伺服阀或电液比例溢流伺服阀；油液（18）为粘滞阻尼液。

3.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：中空锚管（6）的前段带有用于连接的螺纹（7），在中空锚管（6）距前段0.7m~1m处焊接用于阻挡液压缸（14）滑动的挡板（8），中空锚管（6）的后半段带有出浆孔（11）、用于增大粘结力的刺棒（10）和用于堵浆的止浆塞（9），止浆塞（9）焊接在钢管外。

4.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：第一抱箍（15a）、第二抱箍（15b）通过螺栓（23b）将中空锚管（6）与液压缸（14）固定连接。

5.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：锚固弹簧（12）位于锚具（5）和支护结构（4）之间，刚度系数为400N/mm~600N/mm，直径为50mm~60mm。

6.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：液压缸（14）的内筒前段带有第一抱箍（15a），内筒直径为50mm~60mm，外筒直径为150mm~250mm，筒长为200mm~300mm。

7.根据权利要求1或2所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：油液（18）为硅树脂油。

8.根据权利要求1所述的带有半主动变阻尼控制装置的锚管，其特征在于：中空锚管（6）直径为30mm~40mm，厚度为3mm~4mm。