CN111455994A - 用于高烈度地震区的调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构及方法，结构位于混凝土垫墩内，包括BFRP锚索及依次设置于支护面层上的钢垫板、EPS减震板和调谐阻尼系统，BFRP锚索的一端插入支护面层中，另一端依次穿出钢垫板、EPS减震板及调谐阻尼系统；调谐阻尼系统包括调谐阻尼约束限位护筒、顶端盖板及调谐阻尼器，调谐阻尼器由固体质量、线性粘滞阻尼器和弹簧组成，顶端盖板设置于调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处。本发明能将地震作用下阻尼器系统自身的振动频率自动调整到BFRP锚索主受力结构振动的主要频率附近，通过调谐阻尼系统与BFRP锚索间的相互作用实现地震作用能量从BFRP锚索向调谐阻尼系统的转移，减小地震发生时对主受力结构的破坏性。
Description
技术领域
本发明属于高烈度特殊土地区岩土锚固工程技术领域，尤其涉及一种用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构及方法。
背景技术
锚索支护方式因具有较大的承载力和较深的锚固能力已成为当前铁路、公路、水利等工程领域安全生产和提高经济效益的重要技术手段之一。然而，高烈度地震区，在受到地震作用时，荷载由内部传递至锚头、垫墩，其不能在再向周围传递地震能量，出现应力集中的问题；且传统外锚头主要包括钢筋、锚筋、墩头混凝土及钢垫板等连接构件，在强震作用下会有不同的动力响应，从而产生相对位移致使锁定螺母或夹片等震动松弛，锚头各部件短时间无法做到很好的协调受力，常常导致锚索外锚头破坏，对地震扰动区的锚固工程安全性造成严重的威胁。基于此，技术人员对传统的锚索结构进行了不断改进，但其主体结构仍然是传统的高强度钢绞线，锚索头部仍然是传统的锚具垫墩刚性连接系统，仅是在预应力锚索的某一个部位设置屈服装置，根据屈服装置的设置位置，可将屈服锚索区分为外部屈服锚索和内部屈服锚索，外部屈服锚索就是将屈服装置设置在锚索根部，内部屈服锚索就是将屈服装置设置在锚索头部。现有的屈服装置主要有：滑丝式屈服螺帽，弹性减震体屈服装置，胀壳拉模屈服装置，椭圆管状摩擦屈服装置，管缝式摩擦屈服装置，标准挤压屈服套屈服装置，让压泡(管)等。
上述这些屈服装置，主要适用于拟静力条件下的岩体加固，且需改变锚索的主体结构，屈服装置与索体的连接及施工标准要求高，且存在变形协调性差、不可逆等缺陷。目前还没有适用于地震动载条件下，针对岩体产生大变形的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)锚索头部减震屈服结构。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构及方法，能适用于高烈度特殊土地区，锚索采用玄武岩纤维(BFRP)增强复合材料制作而成，通过调谐阻尼系统与BFRP锚索主受力结构间的相互作用，可实现地震作用能量从BFRP锚索主受力结构向调谐阻尼系统转移，减少地震作用下主受力结构破坏的程度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构，所述调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构位于混凝土垫墩内，包括BFRP锚索及依次设置于支护面层上的钢垫板、EPS减震板和调谐阻尼系统，所述BFRP锚索的一端插入支护面层的中，BFRP锚索的另一端依次穿出所述钢垫板、EPS减震板及调谐阻尼系统。
优选地，所述调谐阻尼系统包括调谐阻尼约束限位护筒、顶端盖板及设置于调谐阻尼约束限位护筒内的调谐阻尼器，所述调谐阻尼器由固体质量、线性粘滞阻尼器和弹簧组成，所述顶端盖板设置于调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处，所述顶端盖板外设置锚具。
优选地，所述钢垫板和EPS减震板均为中心开孔的圆形板。
优选地，所述钢垫板的外径大于所述EPS减震板的外径，所述EPS减震板的外径大于所述调谐阻尼约束限位护筒的外径。
本发明进一步提供了一种用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服方法，以BFRP锚索作为主受力结构，通过EPS减震板的压缩变形避免钢垫板与调谐阻尼系统内部结构的刚性接触；调谐阻尼系统与BFRP锚索之间相互作用实现能量转移，抵抗地震作用引起的岩体大变形，避免锚索失效，从而实现对岩体加固，其步骤如下：
(1)制作BFRP锚索、钢垫板及EPS减震板，在支护面层的预定位置钻孔、清孔，将BFRP锚索的一端插入支护面层的孔中，然后进行注浆，注浆压力保持在0.3～0.6MPa，待注浆至孔口返浆完成第一次注浆，视现场情况进行第二次补浆；
(2)待砂浆强度达到设计值的70％时，坡面喷射混凝土形成混凝土面层，然后安装钢垫板，将BFRP锚索的另一端穿出钢垫板的约束限位中心孔；
(3)安装EPS减震板，将BFRP锚索的外端穿出EPS减震板的约束限位中心孔，使EPS减震板置于钢垫板上；
(4)安装调谐阻尼系统，首先将BFRP锚索的外端穿出调谐阻尼约束限位护筒，使调谐阻尼约束限位护筒置于EPS减震板上，然后将组装的调谐阻尼器安装于所述调谐阻尼约束限位护筒内，再在调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处安装顶端盖板；
(5)配合锚具进行锁锚，钢垫板、EPS减震板、调谐阻尼系统及外端BFRP锚索的外表面喷射混凝土形成保护层，完成锚头封锚；
(6)待第一道BFRP锚索施工完成，重复以上步骤完成下一道BFRP锚索施工。
优选地，所述EPS减震板是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用的BFRP锚索由玄武岩纤维增强复合材料制作而成，代替传统普通钢绞线锚索作为主受力结构，能充分发挥玄武岩纤维复合材料(BFRP)抗拉强度高、韧性佳、耐酸碱腐蚀性好的特性，实现节约经济开支，达到保护环境的目的。
(2)本发明在钢垫板和调谐阻尼系统之间设置EPS减震板，EPS减震板作为一种压缩性能好、耐腐蚀的柔性材料，一方面本身可发挥消能减震的作用，另一方面可避免钢垫板与调谐阻尼装置直接接触而造成的刚性接触破坏，解决了锚头内部结构因刚性接触造成损坏的问题。
(3)在地震作用下，本发明能将阻尼器系统自身的振动频率自动调整到BFRP锚索主受力结构振动的主要频率附近，通过调谐阻尼系统与BFRP锚索主受力结构间的相互作用，可实现地震作用能量从BFRP锚索向调谐阻尼系统的转移，达到减小地震发生时主受力结构被破坏的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构的示意图。
图中：1-混凝土垫墩；2-BFRP锚索；3-钢垫板；4-EPS减震板；5-调谐阻尼系统；6-调谐阻尼约束限位护筒；7-固体质量；8-线性粘滞阻尼器；9-弹簧；10-顶端盖板；11-锚具；12-支护面层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构参照图1，整个调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构位于混凝土垫墩1内，该结构包括BFRP锚索2，钢垫板3、EPS减震板4和调谐阻尼系统5，钢垫板3和EPS减震板4均采用中心开孔的圆形板。BFRP锚索2的一端插入支护面层的中，另一端为外端，BFRP锚索2的外端从钢垫板3的约束限位中心孔中穿出，使钢垫板3设置于支护面层上，再在钢垫板3上设置EPS减震板4，BFRP锚索2的外端从EPS减震板4的约束限位中心孔中穿出，EPS减震板4上设置调谐阻尼系统5，调谐阻尼系统5包括调谐阻尼约束限位护筒6、顶端盖板10及设置于调谐阻尼约束限位护筒6内的调谐阻尼器，调谐阻尼器由固体质量7、线性粘滞阻尼器8和弹簧9组成，顶端盖板10设置于调谐阻尼约束限位护筒6的顶端开口处，顶端盖板外通过设置锚具11进行锁锚。BFRP锚索2的外端从调谐阻尼约束限位护筒6的轴线孔中穿出并通过顶端盖板10的中心孔后进行固定。EPS减震板4作为一种压缩性能好、耐腐蚀的柔性材料，一方面本身可发挥消能减震的结构作用；另一方面可避免钢垫板3与调谐阻尼装置直接接触而造成的刚性接触破坏，防止锚头内部结构损坏，为了提高EPS减震板4的作用，本发明中使用的钢垫板3的外径应大于EPS减震板4的外径，EPS减震板4的外径大于调谐阻尼约束限位护筒6的外径，通过EPS减震板4的压缩变形避免钢垫板3与调谐阻尼系统5内部结构的刚性接触。
本发明中BFRP锚索2由玄武岩纤维增强复合材料制作而成，代替传统普通钢绞线锚索作为主受力结构，充分发挥玄武岩纤维复合材料的抗拉强度、韧性及耐酸碱腐蚀性的特性，实现节约经济开支，达到保护环境的目的。通过调谐阻尼系统与BFRP锚索之间相互作用实现能量转移，抵抗地震作用引起的岩体大变形，避免锚索失效，从而实现对岩体加固，具体步骤如下：
(1)制作BFRP锚索2、钢垫板3及EPS减震板4，EPS减震板4由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。在支护面层12的预定位置钻孔、清孔，将BFRP锚索2的一端插入支护面层12的孔中，然后进行注浆，注浆压力保持在0.3～0.6MPa，待注浆至孔口返浆完成第一次注浆，视现场情况进行第二次补浆；
(2)待砂浆强度达到设计值的70％时，坡面喷射混凝土形成混凝土面层，然后安装钢垫板3，将BFRP锚索2的另一端(即外端)穿出钢垫板3的约束限位中心孔；
(3)安装EPS减震板4，将BFRP锚索2的外端穿出EPS减震板4的约束限位中心孔，使EPS减震板4置于钢垫板3上；
(4)安装调谐阻尼系统5，首先将BFRP锚索2的外端穿出调谐阻尼约束限位护筒6，使调谐阻尼约束限位护筒6置于EPS减震板4上，然后将组装的调谐阻尼器安装于调谐阻尼约束限位护筒6内，再在调谐阻尼约束限位护筒6的顶端开口处安装顶端盖板10；
(5)配合锚具11进行锁锚，钢垫板3、EPS减震板4、调谐阻尼系统5及外端BFRP锚索2外端的外表面喷射混凝土形成保护层，完成锚头封锚；
(6)待第一道BFRP锚索施工完成，重复以上步骤完成下一道BFRP锚索施工。
本发明在钢垫板3与调谐阻尼系统5之间设置EPS减震板4，能很好的起到多向减震的作用，目前一些结构中采用了弹簧作为减震器，但若简单地认为本发明中EPS减震板4可被弹簧替代，那么弹簧将无法满足高烈度作用下消能减震的要求，仍旧会造成锚头内部结构的刚性破坏，分析说明如下：
(1)EPS减震板不仅在轴向，而且在横向及回转方向均具有隔离振动的性能，同一个EPS减震板，在直角坐标两个方向上的刚度可有较宽的选择余地，而弹簧作为减震器主要是沿单一方向发挥功能，而无法实现多方向的隔离减震功能。
(2)弹簧阻尼比一般为0.03-0.05，本身阻尼很小，在共振时传递比非常大，静态压缩量大，固有频率低(2-10Hz)，低频隔振性能好，且弹簧还存在疲劳效应，工作时对外界环境要求较高等缺陷。EPS减震板阻尼比弹簧大，阻尼比为0.07-0.13，高、低频振动隔离性能好(5-15Hz)，隔声效果也很好，由于EPS成型容易，与结构物也可牢固地粘接，因此可以设计制造出各种形状的减振器，而且质量轻，价格低，使用范围很广，安装方便，更换容易。
在地震作用下，本发明能将阻尼器系统自身的振动频率自动调整到BFRP锚索主受力结构振动的主要频率附近，通过调谐阻尼系统与BFRP锚索主受力结构间的相互作用，实现地震作用能量从BFRP锚索向调谐阻尼系统的转移，从而减小地震发生时主受力结构的破坏程度。阻尼器系统自身的振动频率实现自动调整到BFRP锚索主受力结构振动的主要频率附近的理论说明如下：阻尼器系统中设置了调谐阻尼器(TMD)，TMD实际上是一个附加在主结构上的有质量块、弹簧和阻尼器组成的二阶质量阻尼系统，由于吸振器质量的震荡与主结构相异，通过弹簧作用一个与主结构质量惯性对抗的惯性力，质量将主结构的能量转移到TMD上，阻尼作用增大了振动控制的频宽，从而可以只主结构更宽的振动。设置主结构的质量、弹簧刚度分别为M、K，一般结构阻尼很小，可忽略；TMD系统的质量、弹簧刚度和阻尼分别为m、k和c。由动力学原理可推得主结构的质量块和TMD系统的振动响应为：
式中：
TMD参数对结构振动特性的影响分析：
(1)TMD质量对结构振动特性的影响，先假设TMD无阻尼，TMD与主结构的固有频率比值恒为“1”，考虑质量比μ，TMD质量越大，减振频带宽度越高，相应的减振效果越好。但实际上，实际结构总是希望附加的质量尽可能小，所以，TMD质量只能根据实际限制条件酌情选取，通常质量比取1％或稍大一些。
(2)TMD阻尼对结构振动特性的影响：
选取不同的阻尼比，计算主结构的振动响应和频率比，则得到TMD的阻尼对主结构的减振效果有明显的影响，主要为：a.由于TMD阻尼影响，恢复力可抵消激振力的作用，减少主结构残存的振动响应。b.阻尼的存在显著加宽了TMD的减振频率宽度。c.TMD固有频率对结构振动特性的影响，取不同的固有频率比，计算振动响应与频率比的关系，对应不同的频率比，公共点的纵坐标值不等。如果改变固有频率比，一个公共点将升高，而另一个则降低。仅当固有频率比为某特定值时，两公共点的纵坐标才相等。此时，如果TMD阻尼比选择适当，使动力作用振动响应曲线的一个峰点与公共点重合，最大动力作用振动响应将能得到最小值。从而实现将阻尼器系统自身的振动频率自动调整到BFRP锚索主受力结构振动的主要频率附近的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构，所述调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构位于混凝土垫墩内，其特征在于，包括BFRP锚索及依次设置于支护面层上的钢垫板、EPS减震板和调谐阻尼系统，所述BFRP锚索的一端插入支护面层的中，BFRP锚索的另一端依次穿出所述钢垫板、EPS减震板及调谐阻尼系统。
2.如权利要求1所述的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构，其特征在于，所述调谐阻尼系统包括调谐阻尼约束限位护筒、顶端盖板及设置于调谐阻尼约束限位护筒内的调谐阻尼器，所述调谐阻尼器由固体质量、线性粘滞阻尼器和弹簧组成，所述顶端盖板设置于调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处，所述顶端盖板外设置锚具。
3.如权利要求2所述的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构，其特征在于，所述钢垫板和EPS减震板均为中心开孔的圆形板。
4.如权利要求3所述的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服结构，其特征在于，所述钢垫板的外径大于所述EPS减震板的外径，所述EPS减震板的外径大于所述调谐阻尼约束限位护筒的外径。
5.用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服方法，其特征在于，以BFRP锚索作为主受力结构，通过EPS减震板的压缩变形避免钢垫板与调谐阻尼系统内部结构的刚性接触；调谐阻尼系统与BFRP锚索之间相互作用实现能量转移，抵抗地震作用引起的岩体大变形，避免锚索失效，从而实现对岩体加固，其步骤如下：
(1)制作BFRP锚索、钢垫板及EPS减震板，在支护面层的预定位置钻孔、清孔，将BFRP锚索的一端插入支护面层的孔中，然后进行注浆，注浆压力保持在0.3～0.6MPa，待注浆至孔口返浆完成第一次注浆，视现场情况进行第二次补浆；
(2)待砂浆强度达到设计值的70％时，坡面喷射混凝土形成混凝土面层，然后安装钢垫板，将BFRP锚索的另一端穿出钢垫板的约束限位中心孔；
(3)安装EPS减震板，将BFRP锚索的外端穿出EPS减震板的约束限位中心孔，使EPS减震板置于钢垫板上；
(4)安装调谐阻尼系统，首先将BFRP锚索的外端穿出调谐阻尼约束限位护筒，使调谐阻尼约束限位护筒置于EPS减震板上，然后将组装的调谐阻尼器安装于所述调谐阻尼约束限位护筒内，再在调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处安装顶端盖板；
(5)配合锚具进行锁锚，钢垫板、EPS减震板、调谐阻尼系统及外端BFRP锚索的外表面喷射混凝土形成保护层，完成锚头封锚；
(6)待第一道BFRP锚索施工完成，重复以上步骤完成下一道BFRP锚索施工。
6.如权利要求5所述的用于高烈度地震区的调谐阻尼式BFRP锚索头部减震屈服方法，其特征在于，所述EPS减震板是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。
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