CN112854253A - 小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，包括玻璃、铰链、钢丝绳和夹具；所述钢丝绳交叉布置，形成交叉几何网格单元，在网格交点处由夹具夹持；所述夹具由多片夹持板通过预紧螺栓扣合而成，夹持板之间设有贯通槽，所述钢丝绳自所述贯通槽穿过，夹持板的中部设有开孔，交叉的钢丝绳穿过该开孔并分别在夹持板的开孔位置预留活结；所述铰链一端穿套在在所述钢丝绳上，另一端将所述玻璃夹持固定在所述网格单元内。与传统技术相比，本发明所述柔性玻璃网，设计兼顾了结构的抗冲击性能和山地景观环境的融合性，具有良好的景观视野解；解决了传统柔性防护网系统的小粒径落石拦截难题，可用于落石防护。

Description

小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及边坡防护工程领域，具体是小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统及其设计方法。

背景技术

崩塌是指高陡边坡的岩体，突然而急剧的向下产生倾倒、滚动、跳跃等运动的一种动力地质灾害现象，害发生的时候既包含大块径落石，也包含众多散碎小粒径落石。崩塌落石灾害是交通、旅游业面临的共同难题。大块径落石冲击可砸断桥梁、破坏道路、摧毁房屋，散碎小粒径落石虽然对基础设施的破坏作用不大，但却严重危害了人员生命安全。在既有新闻报道中，很多旅游景区因较小粒径落石造成人员伤亡的事件屡见不鲜。但是，针对小粒径落石防护目前尚没有专门的技术措施。

传统的主动防护网技术和被动防护网技术，虽然是一种有效的落石防护技术，但由于绳索编制形成的网孔，均无法实现小粒径落石防护。明棚洞虽然可有效阻隔各种粒径的落石防护，但因为遮挡视野导致其缺乏景观适应性且建造过程的大开挖容易破坏自然环境生态，因此，工程使用受到限制。

针对此，本专利技术提出一种兼顾景观与生态融合需求的可完全阻隔小粒径落石冲击伤害作用的柔性玻璃网防护系统。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种结构新颖、兼具美观与优良防护性能的单元模块化柔性点支式玻璃防护网及设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，包括玻璃、铰链、钢丝绳和夹具；

所述钢丝绳交叉布置，形成交叉几何网格单元，在网格交点处由夹具夹持；

所述夹具由多片夹持板通过预紧螺栓扣合而成，夹持板之间设有贯通槽，所述钢丝绳自所述贯通槽穿过，夹持板的中部设有开孔，交叉的钢丝绳穿过该开孔并分别在夹持板的开孔位置预留活结；

所述铰链一端穿套在在所述钢丝绳上，另一端将所述玻璃夹持固定在所述网格单元内。

进一步地，所述贯通槽两端为钢绳引导槽，中间段为钢绳摩擦槽，钢绳摩擦槽横截面高度略小于钢丝绳的直径，夹具对钢丝绳的挤压力，不影响钢丝绳沿钢绳摩擦槽产生摩擦滑移耗能。

进一步地，所述铰链包括钢绳套筒和合页，钢绳套筒与合页通过螺栓连接。

进一步地，所述钢丝绳穿过钢绳套筒，钢绳套筒孔径大于钢丝绳，且可沿钢丝绳自由滑移；所述合页一端连接钢绳套筒，另一端夹持玻璃。

进一步地，铰链与夹层玻璃接触的部位设有橡胶垫层；所述合页采用阻尼型合页。

进一步地，所述贯通槽为两条，从所述贯通槽穿过的两条钢丝绳分别通过铰链连接至玻璃上。

进一步地，几何网格单元形状包括但不限于：正方形，矩形，菱形；夹具开孔形状包括但不限于圆形和椭圆形。

进一步地，所述预留活结是钢丝绳在夹具开孔位置向平面外延伸特定长度而形成的预留绳结，预留活结两端被夹具夹持，冲击作用下可与夹具相互作用产生摩擦滑移耗能。

另一方面，本申请还请求保护根据前述之一所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的设计方法，其活结绳环预留高度h的设计方法包括如下步骤：

计算钢绳摩擦槽对钢丝绳的挤压力；

预设钢丝绳的直径为d，钢绳摩擦槽横截面的空间高度为d’；夹具夹紧钢丝绳，槽道内壁对单根钢丝绳的挤压力P为：

P＝α[βA₀σ₀lnλ+μσ₀π(d+d')2L]

式中，α为变形修正系数，根据材料截面形状取值；β为材料修正系数，根据材料属性取值，取值范围为1.3-1.5；A₀为钢绳摩擦槽与钢丝绳的截面积差值；σ₀为钢丝绳材料的屈服强度；λ为挤压系数，μ为钢丝绳与钢绳摩擦槽的摩擦系数；L为钢绳摩擦槽的长度；

计算耗能节点单根钢丝绳的工作拉力F；

钢丝绳在摩擦槽内滑移时所受的摩擦力f为：

f＝μP

单根钢丝绳的工作拉力F为：

F＝f

单根钢丝绳的工作拉力F应该满足如下要求：

F≤[F₀]

式中，F₀为钢丝绳的最小破断拉力；

设计预紧螺栓的规格数量；

预紧螺栓提供的总预紧力N的计算方法为：

N＝n·N₁

N≥4P

式中，n为预紧螺栓的个数；N₁为单个预紧螺栓的预紧力；

根据防护需求设计钢丝绳预留活结高度h；

夹具处单根钢丝绳预留活结的长度S为：

式中，E为柔性玻璃网片单元设计耗能能力；

预留活结的形状可简化为两段直线段和一端半圆弧，直线段的长度h’计算方法为：

钢丝绳预留活结高度h的计算方法为：

进一步地，其玻璃板块的选型设计方法包括如下步骤：

夹层玻璃的许用面积和厚度；

建筑玻璃的强度设计值f_g的计算方法为：

f_g＝c₁c₂c₃c₄f₀

式中，c₁为玻璃种类系数，c₂为玻璃强度位置系数；c₃为荷载类型系数；c₄玻璃厚度系数；f₀为短期荷载作用下，平板玻璃中部强度设计值，取28MPa；

钢丝绳的设计工作拉力为F_i，系统工作时，假设系统变形最大时刻为系统受冲击力达到峰值，此时夹具耗能结构完全启动，单根钢丝绳在铰链处变形量最大，此处钢丝绳形成的夹角

计算方法为：

式中，l_ri为钢丝绳形成的交叉几何网格内第i条钢丝绳边的长度；

则，对应的第i条钢丝绳边连接单侧玻璃的合页的力P_i的计算方法为：

因此，忽略玻璃板块重力的作用，受冲击作用的夹层玻璃，其冲击力大小P_I的计算方法为：

式中，i＝1,2……，j；j为交叉几何网格的最大边数，若交叉几何网格为正方形，j＝4；

夹层玻璃受到冲击荷载时，夹层玻璃的最大拉应力σ_max为：

式中，A为夹层玻璃的面积，M_max为玻璃板块受冲击力时的最大弯矩，W为弯矩最大处的截面模量，u为弯矩最大处截面的长度，t为夹层玻璃的厚度；

夹层玻璃的最大应力σ_max应该满足条件：

σ_max≤[f_g]

玻璃圆孔的设计；

玻璃的开孔应该满足条件：

d≥t₁

式中，t₁为玻璃厚度；d为玻璃圆孔孔径；

玻璃圆孔的边部距离玻璃边部距离a应该满足：

a≥2t₁

两个玻璃圆孔孔边之间的距离b应该满足：

b≥2t₁

玻璃圆孔的边部距玻璃角部的距离c应该满足：

c≥6t₁。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具有良好的耗能缓冲性能，一是落石冲击作用下，钢丝绳和夹具相互作用产生摩擦耗能；二是连接玻璃板块的阻尼型合页，转动时起缓冲耗能作用。

(2)柔性玻璃网落石防护系统具有良好柔性，具体体现为：没有预应力的钢丝绳，具有柔性变形能力；玻璃板块间转动自由，且相邻板块间变形独立；钢丝绳预留的活结在受力启动的情况下，进一步增强了结构的柔性。

(3)结构设计采用夹层玻璃，兼顾了抗冲击性能和生态环境融合性，适用于小粒径落石防护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统整体示意图；

图2为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的夹具示意图；

图3为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的铰链示意图；

图4为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的钢丝绳活结预留长度计算结构示意图；

图5为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的钢丝绳活结预留长度计算简化示意图；

图6为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的夹具设计计算俯视示意图；

图7为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的夹具对钢丝绳挤压力示意图；

图8为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具体实施例的子构俯视示意图；

图9为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具体实施例的夹层玻璃侧视示意图；

图10为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具体实施例的钢丝绳受力分析示意图；

图11为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具体实施例的夹层玻璃弯矩图；

图12为本发明用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统具体实施例的夹层玻璃开孔示意图。

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-玻璃；2-铰链；3-钢丝绳；4-夹具；5-夹持板；6-预紧螺栓；7-钢绳引导槽；8-钢绳摩擦槽；9-钢绳套筒；10-螺栓；11-阻尼铰链；12-橡胶垫层。

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。

如图1-3所示，本发明的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，包括玻璃1、铰链2、钢丝绳3和夹具4；玻璃1可以根据需要选用各种玻璃，例如夹层玻璃；所述钢丝绳3交叉布置，形成交叉几何网格单元，在网格交点处由夹具4夹持；所述夹具4由多片夹持板5通过预紧螺栓6扣合而成，夹持板5之间设有贯通槽，所述钢丝绳3自所述贯通槽穿过，夹持板5的中部设有开孔，交叉的钢丝绳3穿过该开孔并分别在夹持板5的开孔位置预留活结；所述铰链2一端穿套在在所述钢丝绳3上，另一端将所述玻璃1夹持固定在所述网格单元内。所述贯通槽两端为钢绳引导槽7，中间段为钢绳摩擦槽8，钢绳摩擦槽8横截面高度略小于钢丝绳3的直径，夹具4对钢丝绳3的挤压力，不影响钢丝绳3沿钢绳摩擦槽8产生摩擦滑移耗能。

所述铰链2包括钢绳套筒9和合页11，钢绳套筒9与合页11通过螺栓10连接。所述夹层玻璃1通过铰链2连接于钢丝绳3上，每个网格单元连接一个玻璃板块，玻璃板块根据防护需求选用多块夹层玻璃1组合而成；进一步的，所述钢丝绳3穿过铰链2的钢绳套筒9，钢绳套筒9孔径大于钢丝绳3，且可沿钢丝绳3自由滑移；所述合页11一端连接钢绳套筒9，另一端夹持玻璃板块，与夹层玻璃1接触的铰链2部分均设有橡胶垫层12；所述合页11优选采用阻尼型合页。

进一步的，相邻的玻璃板块分别连接于相互平行的两条钢丝绳3上，夹具4设平行的两条钢绳摩擦槽8，两条钢丝绳3分别穿过两条钢绳摩擦槽8。进一步的，交错布置的钢丝绳3形成的交叉几何网格单元形状包括但不限于：正方形，矩形，菱形等；夹具4开孔形状包括但不限于圆形和椭圆形。系统工作时，每一个钢化玻璃板块独立工作，可以完全阻隔散碎小粒径落石；同时，玻璃板块将冲击力传递至交叉绳索，钢丝绳在拉力作用下牵引夹具上的活接绳环，绳环被牵引拉入钢丝绳引导槽，进一步通过钢绳摩擦槽，实现摩擦耗能，进而实现对玻璃板块的缓冲保护。

本申请的落石防护系统柔性提现在：夹层玻璃的转动自由，相邻玻璃板块间变形独立；钢丝绳无需施加预应力，具有柔性变形能力，且钢丝绳节点处预留活结连接夹具，提升了结构的变形能力。

下面结合某崩塌落石灾害点，具体说明本一种分布耗能式柔性玻璃网的活结绳环预留高度h的设计方法，步骤如下：

参见图4-6，根据水文地质调查，获得该处使用柔性玻璃网的玻璃网单元设计耗能能力为20kJ。预设钢丝绳为6×19(a)类直径d＝10mm，钢丝绳的破断力[F₀]＝63kN；夹具摩擦槽横截面的空间高度为d’＝9mm；夹具中心圆孔的直径D＝40mm。取变形修正系数α＝0.55；材料修正系数β＝1.5，钢丝绳的屈服强度约为800Mpa；摩擦系数为0.15；摩擦槽的长度为20mm，则摩擦槽内壁对单根钢丝绳的挤压力P为：

钢丝绳在摩擦槽内滑移时所受的摩擦力f为：

f＝μP＝0.15×159＝24kN

即，钢丝绳的工作拉力F＝24kN，且F<[F₀]，满足要求。

预设单个预紧螺栓规格为M12，预紧螺栓的预紧力N₁＝162.2kN，螺栓的个数为：

耗能能力E＝20kJ的玻璃网单元，单根钢丝绳在一个夹具处预留活结长度S为：

即，预留活结的高度h为：

参见图7-9，根据系统抗冲击性能需求，选用规格为15+1.12PVB+15的PVB夹层玻璃，其公称厚度为t＝31.12mm，钢化玻璃的厚度t₁＝15mm，钢丝绳形成的交叉网格几何形状是边长为u＝650mm正方形。夹层玻璃的开孔位于四边中点处，圆孔的孔径d₂＝16mm，孔边距玻璃边部的距离a＝40mm。假设夹层玻璃受冲击位置位于玻璃板块中心处。则，选用的玻璃强度设计值为：

f_g＝c₁c₂c₃c₄f₀＝3×1×1×0.85×28＝72N/mm²

根据钢丝绳的设计工作拉力F_i＝24kN，系统工作时，假设系统变形最大时刻为系统受冲击力达到峰值，此时夹具耗能结构完全启动，单根钢丝绳在铰链处变形量最大，此处钢丝绳形成的夹角

为：

则，对应的合页的力P_i为：

由于，玻璃板块形状为正方形，且遭受冲击荷载在跨中，则连接玻璃板块的合页受力一致，因此，受冲击作用的夹层玻璃的冲击力P_I为：

夹层玻璃受到冲击荷载时，夹层玻璃的最大拉应力σ_max为：

所以，设计玻璃形状满足要求。

此外，在平面内，两孔的孔边之间的距离：

b₂＝u-2a-2d₂＝650-2×40-2×16＝538mm＞2t₁

孔边距离玻璃角部的距离为：

所以，夹层玻璃的预设孔位满足要求。

Claims (10)

1.一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，包括玻璃(1)、铰链(2)、钢丝绳(3)和夹具(4)；

所述钢丝绳(3)交叉布置，形成交叉几何网格单元，在网格交点处由夹具(4)夹持；

所述夹具(4)由多片夹持板(5)通过预紧螺栓(6)扣合而成，夹持板(5)之间设有贯通槽，所述钢丝绳(3)自所述贯通槽穿过，夹持板(5)的中部设有开孔，交叉的钢丝绳(3)穿过该开孔并分别在夹持板(5)的开孔位置预留活结；

所述铰链(2)一端穿套在在所述钢丝绳(3)上，另一端将所述玻璃(1)夹持固定在所述网格单元内。

2.根据权利要求1所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，所述贯通槽两端为钢绳引导槽(7)，中间段为钢绳摩擦槽(8)，钢绳摩擦槽(8)横截面高度略小于钢丝绳(3)的直径，夹具(4)对钢丝绳(3)的挤压力，不影响钢丝绳(3)沿钢绳摩擦槽(8)产生摩擦滑移耗能。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，所述铰链(2)包括钢绳套筒(9)和合页(11)，钢绳套筒(9)与合页(11)通过螺栓(10)连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，所述钢丝绳(3)穿过钢绳套筒(9)，钢绳套筒(9)孔径大于钢丝绳(3)，且可沿钢丝绳(3)自由滑移；所述合页(11)一端连接钢绳套筒(9)，另一端夹持玻璃(1)。

5.根据权利要求3所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，铰链(2)与夹层玻璃(1)接触的部位设有橡胶垫层(12)；所述合页(11)采用阻尼型合页。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，所述贯通槽为两条，从所述贯通槽穿过的两条钢丝绳(3)分别通过铰链(2)连接至玻璃(1)上。

7.根据权利要求1-5之一所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，几何网格单元形状包括但不限于：正方形，矩形，菱形；夹具(4)开孔形状包括但不限于圆形和椭圆形。

8.根据权利要求1-5之一所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统，其特征在于，所述预留活结是钢丝绳(3)在夹具(4)开孔位置向平面外延伸特定长度而形成的预留绳结，预留活结两端被夹具(4)夹持，冲击作用下可与夹具(4)相互作用产生摩擦滑移耗能。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的设计方法，其特征在于，其活结绳环预留高度h的设计方法包括如下步骤：

(a)计算钢绳摩擦槽(8)对钢丝绳(3)的挤压力；

预设钢丝绳(3)的直径为d，钢绳摩擦槽(8)横截面的空间高度为d’；夹具(4)夹紧钢丝绳，槽道内壁对单根钢丝绳的挤压力P为：

P＝α[βA₀σ₀lnλ+μσ₀π(d+d')2L]

式中，α为变形修正系数，根据材料截面形状取值；β为材料修正系数，根据材料属性取值，取值范围为1.3-1.5；A₀为钢绳摩擦槽(8)与钢丝绳(3)的截面积差值；σ₀为钢丝绳材料的屈服强度；λ为挤压系数，μ为钢丝绳(3)与钢绳摩擦槽(8)的摩擦系数；L为钢绳摩擦槽(8)的长度；

(b)计算耗能节点单根钢丝绳(3)的工作拉力F；

钢丝绳(3)在摩擦槽(8)内滑移时所受的摩擦力f为：

f＝μP

单根钢丝绳(3)的工作拉力F为：

F＝f

单根钢丝绳(3)的工作拉力F应该满足如下要求：

F≤[F₀]

式中，F₀为钢丝绳的最小破断拉力；

(c)设计预紧螺栓(6)的规格数量；

预紧螺栓(6)提供的总预紧力N的计算方法为：

N＝n·N₁

N≥4P

式中，n为预紧螺栓(6)的个数；N₁为单个预紧螺栓(6)的预紧力；

(d)根据防护需求设计钢丝绳(3)预留活结高度h；

夹具(4)处单根钢丝绳(3)预留活结的长度S为：

式中，E为柔性玻璃网片单元设计耗能能力；

预留活结的形状可简化为两段直线段和一端半圆弧，直线段的长度h’计算方法为：

钢丝绳(3)预留活结高度h的计算方法为：

10.根据权利要求9所述的一种用于小粒径落石防护的柔性玻璃网落石防护系统的设计方法，其特征在于，玻璃板块的选型设计方法包括如下步骤：

(a)夹层玻璃(1)的许用面积和厚度；

建筑玻璃的强度设计值f_g的计算方法为：

f_g＝c₁c₂c₃c₄f₀

式中，c₁为玻璃种类系数，c₂为玻璃强度位置系数；c₃为荷载类型系数；c₄玻璃厚度系数；f₀为短期荷载作用下，平板玻璃中部强度设计值，取28MPa；

钢丝绳(3)的设计工作拉力为F_i，系统工作时，假设系统变形最大时刻为系统受冲击力达到峰值，此时夹具(4)耗能结构完全启动，单根钢丝绳(3)在铰链(2)处变形量最大，此处钢丝绳(3)形成的夹角

计算方法为：

式中，l_ri为钢丝绳(3)形成的交叉几何网格内第i条钢丝绳(3)边的长度；

则，对应的第i条钢丝绳(3)边连接单侧玻璃的合页(12)的力P_i的计算方法为：

因此，忽略玻璃板块重力的作用，受冲击作用的夹层玻璃(1)，其冲击力大小P_I的计算方法为：

式中，i＝1,2……，j；j为交叉几何网格的最大边数，若交叉几何网格为正方形，j＝4；

夹层玻璃(1)受到冲击荷载时，夹层玻璃的最大拉应力σ_max为：

式中，A为夹层玻璃(1)的面积，M_max为玻璃板块受冲击力时的最大弯矩，W为弯矩最大处的截面模量，u为弯矩最大处截面的长度，t为夹层玻璃的厚度；

夹层玻璃(1)的最大应力σ_max应该满足条件：

σ_max≤[f_g]

(b)玻璃圆孔的设计；

玻璃(1)的开孔应该满足条件：

d≥t₁

式中，t₁为玻璃厚度；d为玻璃圆孔孔径；

玻璃圆孔的边部距离玻璃边部距离a应该满足：

a≥2t₁

两个玻璃圆孔孔边之间的距离b应该满足：

b≥2t₁

玻璃圆孔的边部距玻璃角部的距离c应该满足：

c≥6t₁。

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