CN112267391B - 一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计方法 - Google Patents

一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计方法，包括：斗拱节点域、横梁、立柱。所述斗拱节点域包括：型钢构件、波形壁面柱状弹塑性缓冲器、U形滑移连接槽和高强螺栓。型钢构件多层正交叠放成斗拱形状，相邻层型钢构件之间安置波形壁面柱状弹塑性缓冲器，缓冲器上下端设置U形滑移连接槽，实现缓冲器与正交两个方向型钢的连接。在小能量落石冲击作用下，可以利用斗拱节点域的弹性变形实现缓冲，在大能量落石冲击作用下可以利用斗拱节点域的弹塑性变形及摩擦滑移实现耗能，因此具备两级缓冲能力，形成了落石防护棚洞的新型耗能支撑结构。

Description

一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计 方法
技术领域
本申请涉及边坡地质灾害防护领域，具体为一种采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计方法，适用于崩塌落石灾害防护结构关键传力部位的节点连接。
背景技术
中国是多山国家，崩塌落石灾害常对交通、城镇基础设施造成破坏性影响，关系着民生安全。因此，公路、铁路等交通干线对崩塌落石灾害防护需求非常迫切。
目前普遍采用钢筋混凝土棚洞或柔性防护棚洞进行落石冲击防护，其基本型式为“支撑结构+缓冲层”。传统棚洞支撑结构的梁柱连接节点多采用普通栓焊连接，支撑结构往往只起到支撑作用，自身不具备缓冲耗能能力。因此，在结构受到落石冲击时，一旦缓冲层失效，支撑结构尤其是梁柱节点处往往因为冲击作用影响也伴随失效破坏，并且难以快速修复，对城镇交通的抢险应急造成严重影响。
发明内容
针对上述问题，本申请目的在于提供一种具有缓冲耗能能力的新型棚洞支撑结构，本申请通过借鉴中国古建筑斗拱原理，提供了一种采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构及其设计方法。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
一方面，本申请保护一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构，包括：
斗拱节点域、横梁和立柱，所述斗拱节点域下端支撑在立柱上，上端支撑所述横梁；
所述的斗拱节点域包括型钢构件、缓冲器、U形滑移连接槽；
所述型钢构件分层设置，上下两层的所述型钢构件通过缓冲器相连，多层所述型钢构件正交叠放成“拱”；
“斗”状支撑结构包括所述缓冲器和设置在其两端的U形滑移连接槽，所述缓冲器两端的所述连接槽分别与上下层的所述型钢构件连接。
进一步地，所述横梁支撑在所述斗拱节点域的顶层型钢构件上，角钢一边固定在顶层型钢构件上，另一边固定在所述横梁。
进一步地，所述斗拱节点域的底层型钢构件下方的缓冲器的底端固定设置有钢板，高强螺栓B穿过钢板并将其固定在所述立柱上。
进一步地，所述U形滑移连接槽设置长圆孔，对穿高强螺栓A穿过所述长圆孔固定在相应型钢构件侧壁的相应预留孔中。
进一步地，角钢与横梁的连接面相应位置分别预设长圆孔，对穿高强螺栓B穿过角钢和横梁并预紧，结构遭受冲击时，横梁可沿长圆孔有控制地滑移，形成摩擦耗能面。
进一步地，横梁与顶层型钢构件之间设置突缘，保证横梁将上部荷载准确传递到斗拱节点域预期位置。
进一步地，所述缓冲器为波形壁面柱状弹塑性缓冲器，由弹塑性材料的薄壁短管压制为波形壁面而成。
进一步地，每层所述型钢构件不少于两根。
进一步地，U形滑移连接槽侧壁与型钢构件侧壁紧密贴合，并且通过抛丸喷砂预先打磨，形成摩擦耗能面。
另一方面，本申请还保护一种根据前述之一所述的一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构的设计方法，包括如下步骤：
a.预设棚洞防护能力Eimpact；
b.设计支撑结构受到的冲击能量Estructure，计算公式为
Figure BDA0002743969090000021
其中，α为支撑结构耗能分配系数，为经验值，可取0.2-0.4；
Figure BDA0002743969090000022
为安全系数，为经验值，可取不低于2的值；
c.预估单个斗拱节点域(1)消耗能量Edougong，计算公式为
Edougong＝βEstructure
其中，β为单个斗拱节点域的耗能系数；
d.根据构造需求设计节点层数n；
e.根据单个斗拱节点域(1)消耗能量Edougong与节点层数n设计单个波形壁面柱状弹塑性缓冲器的缓冲耗能能力ES，满足
4nES≥Edougong
f.根据所需耗能能力ES选定相应规格的波形壁面柱状弹塑性缓冲器(12)，其规格参数为：材料种类、壁厚、圆柱直径及高度、波形波数；
g.根据抗弯承载力设计相应规格的型钢构件(11)，设计原则是在额定耗能需求下，只考虑截面部分发展塑性变形，满足
Figure BDA0002743969090000023
其中，M为构件承受的最大弯矩，构件基本只受单轴弯矩，弯矩值可通过数值计算获得；W为对弯矩对应轴的净截面模量；γ为截面塑性发展系数，取值不大于1.1；f为钢材的抗弯强度设计值；
h.通过数值计算获得横梁(2)、立柱(3)所需承载力，对支撑结构横梁、立柱进行设计；
i.通过数值计算或者试验检验是否满足防护需求。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1.本申请将具有缓冲能力的斗拱节点域引入防护棚洞支撑结构，增加了缓冲器和摩擦耗能面两种耗能路径，提升了落石防护棚洞整体耗能能力。斗拱型式的节点域上大下小，上部悬伸加大了受力面积。在小能量落石冲击作用下，可以利用斗拱节点域的弹性变形和摩擦耗能实现缓冲，在大能量落石冲击作用下可以利用斗拱节点域的弹塑性变形和摩擦耗能实现耗能，因此具备两级缓冲耗能能力，可满足较大能量冲击的防护需求。
2.本申请改进了防护棚洞支撑结构的梁柱节点，采用易发生弹塑性变形的斗拱节点域连接梁柱，所述斗拱节点为预制装配式、易加工、易替换装置，一旦棚洞遭受冲击，节点完成缓冲耗能工作，可快速更替，防护棚洞快速恢复至正常工作状态，保障交通生命线的畅通；同时，缓冲性能的斗拱节点域保护了梁柱端部，延长了结构的使用寿命，具有显著的经济优势；
3.本申请所述耗能型防护棚洞支撑结构，可灵活用于钢筋混凝土棚洞和柔性防护钢棚洞，形式多变。可根据防护需求、构造要求进行设计，结构适宜性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的设计方法流程图。
图2为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的整体结构示意图。
图3为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的斗拱节点域俯视图。
图4为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的斗拱节点域侧视图。
图5为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的波形壁面柱状弹塑性缓冲器示意图。
图6为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的安装示意图。
图7为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构组合使用实施例1。
图8为本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构组合使用实施例2。
上述附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或部件，附图标记对应的结构或部件名称如下：
1—斗拱节点域；11—型钢构件；12—波形壁面柱状弹塑性缓冲器；13—U形滑移连接槽；14—高强螺栓A；2—横梁；3—立柱；4—角钢；5—矩形钢板；6—高强螺栓B；7—牛腿；8—突缘；9—缓冲层；10—混凝土板。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请基于中国古建筑斗拱原理，形成耗能缓冲型梁柱连接节点，实现与板状弹簧相似的弹塑性变形缓冲、摩擦耗能、伸臂支撑等效果。在小能量落石冲击作用下，可以利用斗拱节点域的弹性变形实现缓冲，在大能量落石冲击作用下可以利用斗拱节点域的弹塑性变形和构件间摩擦实现耗能，因此具备两级缓冲耗能能力，从而形成了新型落石防护棚洞支撑结构。该支撑结构的斗拱节点域可实现完全预制化、系列化和定型化，装配工序简单、可独立更换，提高了棚洞结构的装配性与易维护性。
如图2所示，本申请实施例的一种采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构，包括斗拱节点域1、横梁2和立柱3。
在本申请的实施例中，如图3、4所示，斗拱节点域1，由型钢构件11、波形壁面柱状弹塑性缓冲器12、U形滑移连接槽13和高强螺栓A 14组成。
其中的型钢构件11，每层不少于两根，纵横两个方向正交搭接、多层叠放成“拱”。叠放的相邻层型钢构件11之间具有一定高差，用于安置缓冲器。
如图5，波形壁面柱状弹塑性缓冲器12，为弹塑性材料的薄壁短管，压制为波形壁面。波形壁面柱状弹塑性缓冲器12上下端焊接U形滑移连接槽13，两U形槽开口方向正交，实现缓冲器与上下两层正交型钢构件11的连接。
波形壁面柱状弹塑性缓冲器12和U形滑移连接槽13组成“斗”。U形滑移连接槽13设置长圆孔，与型钢侧壁相应位置预设长圆孔对其，采用对穿高强螺栓A14预紧。U形滑移连接槽13侧壁与型钢侧壁紧贴，并且通过抛丸喷砂预先打磨，形成摩擦耗能面。
如图6，斗拱节点域1的顶层型钢构件11上方，采用角钢4、高强螺栓B 6连接所述斗拱节点域1和支撑结构的横梁2。
角钢4与横梁2侧壁的连接面相应位置预设长圆孔对齐，采用对穿高强螺栓B6预紧，结构遭受冲击时，横梁2可沿长圆孔有控制地滑移，形成摩擦耗能面。
横梁2与节点顶层型钢构件11之间设置突缘8，保证横梁将上部荷载准确传递到斗拱节点域1预期位置。
斗拱节点域1的底层型钢构件11下方，设一层波形壁面柱状弹塑性缓冲器12，该波形壁面柱状弹塑性缓冲器12与型钢构件11仍采用U形滑移连接槽13进行连接，而缓冲器下部焊接矩形钢板5，钢板5上打孔并采用高强螺栓B 6连接所述斗拱节点域1与支撑结构的立柱3。
如图7、图8所示，本申请采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构，还可在横梁2上铺设柔性缓冲层，构成柔性防护钢棚洞。
本申请的采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的防护棚洞，增加了耗能路径，提升了落石防护棚洞整体耗能能力。在小能量落石冲击作用下，可以利用斗拱节点域的弹性变形实现缓冲，在大能量落石冲击作用下可以利用斗拱节点域的弹塑性变形实现耗能，因此具备两级缓冲耗能能力，可满足较大能量冲击的防护需求。采用易发生弹塑性变形的斗拱节点域连接梁柱，所述斗拱节点为预制装配式、易加工、易替换装置，一旦棚洞遭受冲击，节点完成缓冲耗能工作，可快速更替，防护棚洞快速恢复至正常工作状态，保障交通生命线的畅通；同时，缓冲性能的斗拱节点域保护了梁柱端部，延长了结构的使用寿命，具有显著的经济优势。
设计方法实施例
下面结合某落石灾害点，具体说明本申请一种采用斗拱节点域连接的两级耗能型棚洞支撑结构的设计方法具体过程，如下：
如图1所示，根据地质勘测资料，获得该处落石崩塌灾害的防护目标为拦截冲击能量为Eimpact＝1000kJ，拟采用钢筋混凝土棚洞进行防护，棚洞上方铺设缓冲耗能垫层，其耗能效率为0.6。此处说明，不考虑多跨结构共同作用消耗冲击能量，预设在一跨即两榀支撑结构之间将冲击能量耗尽；
两榀支撑结构受到的冲击能量为
Figure BDA0002743969090000051
α为支撑结构耗能分配系数，此处取0.4；
Figure BDA0002743969090000052
为安全系数，取值2，则Estructure＝0.4*2*1000＝800kJ；
单个斗拱节点域消耗能量Edougong＝βEstructure，两榀支撑结构共四个缓冲节点，故β取值为0.25，Edougong＝200kJ；
预设该斗拱节点层数为n＝4；
单个波形壁面柱状弹塑性缓冲器的缓冲耗能能力ES≥Edougong/4n，即ES≥12.5kJ；
根据所需耗能能力选定相应规格的波形壁面柱状弹塑性缓冲器，其规格参数为：材料种类、壁厚、圆柱直径及高度、波形波数。此处不再赘述；
根据抗弯承载力设计相应规格的型钢构件，设计原则是在额定耗能需求下，只考虑截面部分发展塑性变形，满足
Figure BDA0002743969090000061
其中，M为构件承受的最大弯矩，构件基本只受单轴弯矩，弯矩值可通过数值计算获得；W为对弯矩对应轴的净截面模量；γ为截面塑性发展系数，取值不大于1.1；f为钢材的抗弯强度设计值；
通过数值计算获得梁、柱所需承载力，依据《钢结构设计标准GB50017-2017》和《混凝土结构设计规范GB 50010-2010》对支撑结构横梁、立柱进行设计；
通过数值计算或者试验检验是否满足防护需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构，其特征在于，包括：
斗拱节点域(1)、横梁(2)和立柱(3)，所述斗拱节点域(1)下端支撑在立柱(3)上，上端支撑所述横梁(2)；
所述的斗拱节点域(1)包括型钢构件(11)、缓冲器、U形滑移连接槽(13)；
所述型钢构件(11)分层设置，上下两层的所述型钢构件(11)通过缓冲器相连，多层所述型钢构件(11)正交叠放成“拱”；
“斗”状支撑结构包括所述缓冲器和设置在其两端的U形滑移连接槽(13)，所述缓冲器两端的所述U形滑移连接槽(13)分别与上下层的所述型钢构件(11)连接。
2.根据权利要求1所述的棚洞支撑结构，其特征在于，所述横梁(2)支撑在所述斗拱节点域(1)的顶层型钢构件(11)上，角钢(4)一边固定在顶层型钢构件(11)上，另一边固定在所述横梁(2)。
3.根据权利要求1或2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，所述斗拱节点域(1)的底层型钢构件(11)下方的缓冲器的底端固定设置有钢板(5)，高强螺栓B(6)穿过钢板(5)并将其固定在所述立柱(3)上。
4.根据权利要求1或2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，所述U形滑移连接槽(13)设置长圆孔，对穿高强螺栓A(14)穿过所述长圆孔固定在相应型钢构件(11)侧壁的相应预留孔中。
5.根据权利要求2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，角钢(4)与横梁(2)的连接面相应位置分别预设长圆孔，对穿高强螺栓B(6)穿过角钢(4)和横梁(2)并预紧，结构遭受冲击时，横梁(2)可沿长圆孔有控制地滑移，形成摩擦耗能面。
6.根据权利要求2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，横梁(2)与顶层型钢构件(11)之间设置突缘(8)，保证横梁将上部荷载准确传递到斗拱节点域(1)预期位置。
7.根据权利要求1或2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，所述缓冲器为波形壁面柱状弹塑性缓冲器(12)，由弹塑性材料的薄壁短管压制为波形壁面而成。
8.根据权利要求1或2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，每层所述型钢构件(11)不少于两根。
9.根据权利要求1或2所述的棚洞支撑结构，其特征在于，U形滑移连接槽(13)侧壁与型钢构件(11)侧壁紧密贴合，并且通过抛丸喷砂预先打磨，形成摩擦耗能面。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种采用斗拱原理连接的两级耗能型棚洞支撑结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.预设棚洞防护能力Eimpact；
b.设计支撑结构受到的冲击能量Estructure，计算公式为
Figure FDA0003161489890000021
其中，α为支撑结构耗能分配系数，为经验值，取0.2-0.4；
Figure FDA0003161489890000022
为安全系数，为经验值，取不低于2的值；
c.预估单个斗拱节点域(1)消耗能量Edougong，计算公式为
Edougong＝βEstructure
其中，β为单个斗拱节点域的耗能系数；
d.根据构造需求设计节点层数n；
e.根据单个斗拱节点域(1)消耗能量Edougong与节点层数n设计单个波形壁面柱状弹塑性缓冲器的缓冲耗能能力ES，满足
4nES≥Edougong
f.根据所需耗能能力ES选定相应规格的波形壁面柱状弹塑性缓冲器(12)，其规格参数为：材料种类、壁厚、圆柱直径及高度、波形波数；
g.根据抗弯承载力设计相应规格的型钢构件(11)，设计原则是在额定耗能需求下，只考虑截面部分发展塑性变形，满足
Figure FDA0003161489890000023
其中，M为构件承受的最大弯矩，构件基本只受单轴弯矩，弯矩值可通过数值计算获得；W为对弯矩对应轴的净截面模量；γ为截面塑性发展系数，取值不大于1.1；f为钢材的抗弯强度设计值；
h.通过数值计算获得横梁(2)、立柱(3)所需承载力，对支撑结构横梁、立柱进行设计；
i.通过数值计算或者试验检验是否满足防护需求。
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