CN109284572A - 一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，本发明认为支撑结构变形产生的冲击变形量Δ₁、支撑绳(3)滑移变形量Δ_2s和网片(2)冲顶变形量Δ_3n是基于滑移变形的被动柔性防护网系统大变形的主要控制因素，包括以下步骤：(1)计算支撑结构变形量Δ₁；(2)计算支撑绳(3)滑移变形量Δ_2s；(3)计算网片(2)冲顶变形量Δ_3n；(4)将所述变形量进行线性叠加，得到被动柔性防护网系统冲击变形s。本发明建立了一种高效的被动柔性防护网系统冲击变形计算方法，为系统快速选型和设计提供了依据。

Description

一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法

技术领域

本发明涉及一种被动柔性防护网系统的变形计算方法，具体涉及一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法。

背景技术

高性能被动柔性防护网系统常由环形网片(2)、支撑结构和消能器(5)构成，是一种利用大变形提供结构缓冲耗能的地灾防护系统。当落石崩岩与柔性防护网系统发生接触冲击时，先由环形网片(2)将冲击作用传递至支撑绳(3)，再由支撑绳(3)通过牵引作用将冲击力传递至消能器(5)，使消能器(5)启动产生拉伸变形，从而形成消能缓冲并实现拦截防护，整个过程伴随着大变形、大滑移、接触分离、材料损伤等高度非线性力学行为。从物理学观点来看，这是一个功能转换过程，功能转换方程如下：

E_total＝αF_maxs_max

其中，F为系统遭受的冲击力，s为系统的冲击变形，m为落石质量，v为落石冲击速度，E_g为落石与网片(2)接触后的重力做功，根据坡形条件与冲击方向确定，E_total为落石总能量，α为根据试验统计获得的经验系数，约为0.3-0.35。

冲击力F_max与冲击能力s_max是两个相关变量，合理控制F_max与s_max，既是防护系统承载能力的需求也是正常使用时的限界需求。在特定的防护需求条件下， F_max与s_max的协同控制决定了柔性防护网系统的结构体系组成。

防护系统冲击大变形的发展程度直接影响系统缓冲性能，当限界要求满足时，系统的冲击变形s_max越大，相应的F_max越小，缓冲性能越好。如果能高效计算得到s_max，则可以估算获得F_max，进而可以根据经典力学计算得到构件内力，这为系统快速选型、构件设计提供便利。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，用于对系统进行针对性设计。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法包括以下步骤：

(1)计算支撑结构变形量Δ₁；

(2)计算支撑绳滑移变形量Δ_2s；

(3)计算网片冲顶变形量Δ_3n；

(4)将所述变形量进行线性叠加，得到被动柔性防护网系统冲击变形s。

进一步地，所述步骤(1)具体计算方法如下：

Δ₁＝H-h＝L_AB′·cosα-(H_d-H_psinβ)

其中，H_d为拉锚绳锚固点沿Z轴方向至钢柱基础的距离，H_p为支撑钢柱的长度，L₀为拉锚绳的初始长度，U_h为拉锚绳锚固点间距，钢柱(1)与XY平面的初始夹角为β，均可由设计确定的，投影角α为辅助线L_AB′与XZ面的夹角，可根据三角函数关系确定，δ₁为拉锚绳消能器极限伸长量，μ₁和μ₂分别为两侧拉锚绳上的消能器1、2的拉伸效率系数，可根据足尺试验和数值仿真结果统计确定，L₁和L₂为冲击结束后，拉锚绳1、2的长度，分别为初始长度L₀和消能器1、2的伸长量之和。

进一步地，所述步骤(2)具体计算方法如下：

其中，L_d为钢柱(1)间距，w_s为落石直径，f_c为支撑绳(3)的初始下垂量，均为已知参数，μ_3L,μ_3R分别为支撑绳(3)左右两端消能器(5)的效率系数，可根据足尺试验统计确定，δ_3L,δ_3R分别为左右支撑绳消能器(5)的实际极限拉伸长度。

进一步地，所述步骤(2)中支撑绳(3)滑移量Δ_2s需考虑“规避区”网环极限拉伸长度Δ_trans的牵制，几何关系上，Δ_trans可由单个网环的最大径向拉伸变形量与“规避区”边缘网环对径拉伸数量n_t确定，还需考虑该区域网环径向拉伸的不充分发育程度，因此，需引入系数进行折减，Δ_trans计算方法如下：

其中，为拉伸变形系数，根据足尺试验和数值模拟统计结果，可取0.8；D 为网环公称直径。

支撑绳消能器(5)的实际极限拉伸长度δ_3L、δ_3R应按下式计算：

δ_3L＝[min(δ_3L，Δ_trans)+δ_3L]/2

δ_3R＝[min(δ_3R，Δt_rans)+δ_3R]/2。

优选地，所述拉伸变形系数计算方法如下：

其中，D为网环公称直径，n为组合环链中首尾相连的网环数个，l_i为环链的拉伸变形后的长度。

进一步地，所述步骤(3)具体计算方法如下：

其中，L_n0为网片沿拦截高度方向的初始支撑宽度，绳索悬挂支撑时，可近似等于H_p，当网片为固定边界时取初始固边支撑宽度，也等于h_R，n_total为拦截高度上连续相连网环的个数，n_diagonal为顶头包裹面上的网环数量，h_c为落石的底面接触深度；f为网片初始悬垂量，近似等于15％H_p，以上参数均可由设计确定，L_n为沿拦截高度方向网片对径拉伸理论长度，为冲击区沿拦截高度方向网片拉伸发育系数，根据试验统计，网片周边为固定边界时，可取0.55，采用绳索悬挂时，可取0.9。

进一步地，所述步骤(4)具体计算方法如下：

0.5Δ₁+Δ_2s+Δ_3n≈s

本发明的有益效果是，本发明能高效计算得到s_max，这样就可以根据相应方程估算获得F_max，进而根据经典力学计算得到构件内力，为系统快速选型、构件设计提供了便利。同时，准确地解析获得系统各阶段变形组成及发展，则可有针对性地对系统变形进行控制，进而可设计出系统抗冲击能力与变形限界要求适配性最佳的防护系统。

附图说明

图1为本发明的系统冲击变形正视图。

图2为本发明的系统冲击变形侧视图。

图3为本发明的支撑结构变形空间示意图。

图4为本发明的支撑结构变形XY平面示意图。

图5为本发明的支撑结构变形XZ平面示意图。

图6为本发明的支撑绳滑移变形空间示意图。

图7为本发明的支撑绳滑移变形XY平面示意图。

图8为本发明的支撑绳滑移变形XZ平面示意图。

图9为本发明的网片冲顶变形XZ平面示意图。

图10为本发明的网片冲顶变形YZ平面示意图。

其中，附图中标记对应的零部件名称为：

1-钢柱，2-网片，3-支撑绳，4-拉锚绳，5-消能器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-2，冲击发生后，总变形量由支撑结构变形量Δ₁、支撑绳滑移变形量Δ_2s和网片冲顶变形量Δ_3n叠加构成，由此，本发明实施例提供的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法包括以下步骤：

(1)计算支撑结构变形量Δ₁；

(2)计算支撑绳滑移变形量Δ_2s；

(3)计算网片冲顶变形量Δ_3n；

(4)将所述变形量进行线性叠加，得到被动柔性防护网系统冲击变形s。

如图3-5所示，根据以下公式计算支撑结构变形量Δ₁：

Δ₁＝H-h＝L_AB′·cosα-(H_d-H_psinβ)

其中，H_d为拉锚绳4锚固点沿Z轴方向至支撑钢柱1基础的距离，H_p为支撑钢柱1的长度，L₀为拉锚绳4的初始长度，U_h为拉锚绳4锚固点间距，钢柱1 与XY平面的初始夹角为β，均可由设计确定的，投影角α为辅助线L_AB′与XZ 面的夹角，可根据三角函数关系确定，δ₁为拉锚绳消能器5极限伸长量，μ₁和μ₂分别为两侧拉锚绳4上的消能器5的拉伸效率系数，可根据足尺试验和数值仿真结果统计确定，L₁和L₂为冲击结束后，拉锚绳4的长度，分别为初始长度L₀和消能器5的伸长量之和。

如图6-8所示，根据以下公式计算支撑绳滑移变形量Δ_2s：

其中，L_d为支撑钢柱1间距，w_s为落石直径，f_c为支撑绳3的初始下垂量，均为已知参数，μ_3L,μ_3R分别为支撑绳3左右两端消能器5的效率系数，可根据足尺试验统计确定，δ_3L,δ_3R分别为左右支撑绳消能器5的实际极限拉伸长度。

支撑绳(3)滑移量需要考虑“规避区”网环极限拉伸长度Δ_trans的牵制，所以支撑绳消能器(5)的实际极限拉伸长度δ_3L、δ_3R应按下式计算：

δ_3L＝[min(δ_3L,Δ_trans)+δ_3L]/2

δ_3R＝[min(δ_3R,Δ_trans)+δ_3R]/2。

几何关系上，Δ_trans可由单个网环的最大径向拉伸变形量与“规避区”边缘网环对径拉伸数量n_t确定，尚需考虑该区域网环径向拉伸的不充分发育程度，因此，需引入系数进行折减。通过公式计算“规避区”网环极限拉伸长度Δ_trans。

公式中为拉伸变形系数，计算公式为：其中，D为网环公称直径，n为组合环链中首尾相连的网环数个，l_i为环链的拉伸变形后的长度。根据足尺试验和数值模拟统计结果，可取0.8。

如图9-10所示，根据以下公式计算网片冲顶变形量Δ_3n：

其中，L_n0为网片2沿拦截高度方向的初始支撑宽度，绳索悬挂支撑时，可近似等于H_p，当网片2为固定边界时取初始固边支撑宽度，也等于h_R，n_total为拦截高度上连续相连网环的个数，n_diagonal为顶头包裹面上的网环数量，h_c为落石的底面接触深度；f为网片2初始悬垂量，近似等于15％H_p，以上参数均可由设计确定，L_n为沿拦截高度方向网片2对径拉伸理论长度，为冲击区沿拦截高度方向网片2拉伸发育系数，根据试验统计，网片2周边为固定边界时，可取0.55，采用绳索悬挂时，可取0.9。

对变形量Δ₁、Δ_2s、Δ_3n进行线性叠加，得到被动柔性防护网系统冲击变形s，计算公式如下：

s≈0.5Δ₁+Δ_2s+Δ_3n

值得说明的是，以上实施例仅用以详细说明本发明的技术方案而非对其限制，基于上述说明，为解决同样的问题，对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算支撑结构变形量Δ₁；

(2)计算支撑绳滑移变形量Δ_2s；

(3)计算网片冲顶变形量Δ_3n；

(4)将所述变形量进行线性叠加，得到被动柔性防护网系统冲击变形s。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述步骤(1)具体计算方法如下：

Δ₁＝H-h＝L_AB′·cosα-(H_d-H_psinβ)

其中，H_d为拉锚绳(4)锚固点沿Z轴方向至钢柱(1)基础的距离，H_p为支撑钢柱(1)的长度，L₀为拉锚绳(4)的初始长度，U_h为拉锚绳(4)锚固点间距，钢柱(1)与XY平面的初始夹角为β，均可由设计确定的，投影角α为辅助线L_AB′与XZ面的夹角，可根据三角函数关系确定，δ₁为拉锚绳(4)消能器(5)极限伸长量，μ₁和μ₂分别为两侧拉锚绳(4)上的两个消能器(5)的拉伸效率系数，可根据足尺试验和数值仿真结果统计确定，L₁和L₂为冲击结束后，两侧拉锚绳(4)的长度，分别为初始长度L₀和两侧拉锚绳(4)上的消能器(5)的伸长量之和。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述步骤(2)具体计算方法如下：

其中，L_d为钢柱(1)间距，w_s为落石直径，f_c为支撑绳(3)的初始下垂量，均为已知参数，μ_3L,μ_3R分别为支撑绳(3)左右两端消能器(5)的效率系数，可根据足尺试验统计确定，δ_3L,δ_3R分别为左右支撑绳消能器(5)的实际极限拉伸长度。

4.根据权利要求3所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中支撑绳(3)滑移量Δ_2s需考虑“规避区”网环极限拉伸长度Δ_trans的牵制，几何关系上，Δ_trans可由单个网环的最大径向拉伸变形量与“规避区”边缘网环对径拉伸数量n_t确定，还需考虑该区域网环径向拉伸的不充分发育程度，因此，需引入系数进行折减，Δ_trans计算方法如下：

其中，为拉伸变形系数，根据足尺试验和数值模拟统计结果，可取0.8；D为网环公称直径。

支撑绳消能器(5)的实际极限拉伸长度δ_3L、δ_3R应按下式计算：

δ_3L＝[min(δ_3L,Δ_trans)+δ_3L]/2

δ_3R＝[min(δ_3R,Δ_trans)+δ_3R]/2。

5.根据权利要求4所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述拉伸变形系数计算方法如下：

其中，D为网环公称直径，n为组合环链中首尾相连的网环数个，l_i为环链的拉伸变形后的长度。

6.根据权利要求5所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述步骤(3)具体计算方法如下：

其中，L_n0为网片(2)沿拦截高度方向的初始支撑宽度，绳索悬挂支撑时，可近似等于H_p，当网片(2)为固定边界时取初始固边支撑宽度，也等于h_R，n_total为拦截高度上连续相连网环的个数，n_diagonal为顶头包裹面上的网环数量，h_c为落石的底面接触深度；f为网片(2)初始悬垂量，近似等于15％H_p，以上参数均可由设计确定，L_n为沿拦截高度方向网片(2)对径拉伸理论长度，为冲击区沿拦截高度方向网片(2)拉伸发育系数，根据试验统计，网片(2)周边为固定边界时，可取0.55，采用绳索悬挂时，可取0.9。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种基于滑移变形的被动柔性防护网系统工作状态评价方法，其特征在于，所述步骤(4)具体计算方法如下：

s≈0.5Δ₁+Δ_2s+Δ_3n。