CN112903415B - 一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法 - Google Patents

一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性环形防护网顶破力‑拉伸位移全曲线计算方法，包括：根据防护需求，明确防护网防护宽度、长度、圆环直径、网环缠绕圈数；计算顶破端与环形网的面积比、环形网的长宽比、防护网圆环间空隙与圆环直径之比和一排的圆环数量；计算网片达到临界破坏时，钢丝的伸长量与圆环直径之比和拉伸后的圆环间空隙与圆环直径之比；计算相关系数；通过多参数归一化拟合公式，得到顶破力—拉伸位移曲线。本发明考虑钢丝缠绕圈数、圆环直径、顶破端与环形网的面积比以及环形网长宽比等影响开展参数分析，提出了环形网片顶破力—拉伸位移的解析计算方法，可为柔性环形防护网的实际单元设计提供理论指导。

Description

一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法
技术领域
本发明涉及一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，属于地质灾害防护工程领域。
背景技术
柔性防护网是由钢丝绳、钢丝等具有较高抗拉强度的金属材料，通过缠绕、编制等工艺手段而成的具有一定刚度的结构物,在施工防坠落、高楼防坠物、公路沿线防坠物、山区落石防护等许多工程防护领域中广泛使用。常见的柔性防护网有：菱形网、双绞六边形网、G.T.S网、环形网等，其中环形柔性防护网是金属柔性防护网中应用最为广泛，也是最重要的一种形式。柔性环形防护网通常由多个圆环相互套结而成，遭受冲击作用时，一方面，依靠网环大变形使冲击荷载作用持续时间延长了4-8倍，冲击力降幅达50％以上；另一方面，环形网在工作中将力传递给柔性防护系统中的其他支撑构件，实现系统协同工作,有效降低了钢柱和钢丝绳的内力，提高了系统整体的工作性能，并能承受落石的累计多次冲击。在实际工程中，柔性环形防护网长时间承受平面外荷载，其破坏也主要由平面外的顶破所引起，但现有研究主要集中于柔性环形防护网平面内的静态拉伸和防护网能量的耗散，没有柔性环形防护网的平面外顶破分析，对于柔性环形防护网的顶破力还没有一个合理有效的计算方法，无法明确环形网的所受能承受的顶破力与所对应的极限拉伸位移，从而无法有效的指导环形网的实际单元设计。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，以环形网平面外的顶破力-拉伸位移曲线为拟合数据进行多参数曲线归一化拟合，得到柔性环形防护网顶破力计算方法，并使用此方法对环形网平面外受力特征进行计算分析，能够解决环形网顶破力-拉伸位移曲线计算问题，为环形网的实际单元设计提供理论指导。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，包括如下步骤：
一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，包括如下步骤：
步骤一：根据防护需求，明确柔性环形防护网防护宽度B、长度H、圆环直径D、网环缠绕圈数N。
步骤二：计算和环形网的长宽比λ：
Figure BDA0002917780510000021
步骤三：令顶破端的面积为AS1，环形网的面积为AS2，计算顶破端与环形网的面积比μ：
Figure BDA0002917780510000022
步骤四：横、纵两个方向任意两圆环间均存在空隙d，计算柔性环形防护网圆环间空隙与圆环直径之比α：
Figure BDA0002917780510000023
步骤五：根据步骤一、步骤四中柔性环形防护网防护宽度B、圆环直径D及柔性环形防护网圆环间空隙与圆环直径之比α计算一排的圆环数量m：
Figure BDA0002917780510000024
步骤六：网片达到临界破坏时，圆环从圆形转化为正方形，令钢丝的伸长量为l计算钢丝伸长量与圆环直径之比β：
Figure BDA0002917780510000031
步骤七：网片达到临界破坏时，圆环间空隙得到拉伸，令拉伸后的圆环间空隙为d′，计算拉伸后的圆环间空隙与圆环直径之比γ：
Figure BDA0002917780510000032
步骤八：环形网达到临界破坏状态时，极限拉伸位移OA、短边半边长OC和拉伸后的网片坡长AC在空间上形成直角三角形，计算拉伸后的网片坡长AC在空间上长度：
Figure BDA0002917780510000033
Figure BDA0002917780510000034
从而确定极限拉伸位移：
Figure BDA0002917780510000035
步骤九：根据步骤一中的圆环直径D、网环缠绕圈数N、顶破端与环形网的面积比μ和环形网的长宽比λ。计算相关系数ζ1、ζ2及ζ3：
Figure BDA0002917780510000036
ζ2＝0.01×D2μ×λ×N-201.72
ζ3＝-1.23×λ×Dμ+3.7×N-44.5
步骤十：通过多参数归一化拟合公式得到环形网产生不同位移时对应的力，进一步得到力-拉伸位移曲线，其极限拉伸位移Δmax对应的力便为顶破力：
Figure BDA0002917780510000041
其中，Δ为环形网拉伸位移。
进一步的，步骤一中所述单个圆环是由钢丝盘结一定的圈数而成，多个圆环相互套接形成整体环形网。
进一步的，步骤五中圆环数量m计算结果不为整数时，应向上取整数。
进一步的，步骤十中环形网拉伸位移Δ应满足Δ≤Δmax。
进一步的，步骤十中顶破力小于0时应取为0。
进一步的，步骤四中α的建议取值为0～0.3。
进一步的，步骤六中β的建议取值为0.01～0.02。
进一步的，步骤七中γ的建议取值为0.5～0.7。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明首次提出了环形网片顶破力-拉伸位移的解析计算方法，明确计算原则，为环形网的实际单元设计提供理论指导。
(2)进一步考虑钢丝缠绕圈数、圆环直径、顶破端与环形网的面积比以及环形网长宽比等影响开展参数分析，使其更具科学性与合理性。
附图说明
为更清楚地说明本发明的实施方法，现结合附图对本发明所用技术方案进行详细阐述，显然，所述实施方法仅为其中一部分而不是全部；而技术及施工人员在此基础上所做的改动或替换，在没有产生创造性成果的情况下，均应在本发明的保护范围内。
图1为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的流程图；
图2为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的柔性环形防护网平面示意图；
图3为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的单肢圆环及单肢圆环截面示意图；
图4为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的顶破平面示意图；
图5为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的柔性环形防护网局部放大示意图；
图6为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法的环形网临界状态示意图；
图7为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法实施例中的顶破试验装置示意图；
图8为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法实施例中的顶破试验柔性环形防护网平面布置图；
图9为本发明一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法实施例的试验结果、数值模拟结果与计算结果曲线对比图。
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。
下面以一柔性环形防护网平面外的顶破试验为例，结合图1-9，具体说明本发明的具体计算过程，如下：
1.柔性防护网防护宽度B＝3000mm、长度H＝3000mm、圆环直径D＝300mm、网环缠绕圈数N＝5、顶破端与环形网的面积比μ＝0.09和环形网的长宽比λ＝1。试验装置如图7所示，其中连接有拉力传感器1的倒漏斗状加载端2底部与柔性环形防护网3相抵接。
2.令柔性环形防护网圆环间空隙与圆环直径之比为α＝0.1。则一排的圆环数量m：
Figure BDA0002917780510000061
向上取整,取m＝10。
3.网片达到临界破坏时，令钢丝的伸长量与圆环直径之比为β＝0.01,拉伸后的圆环间空隙与圆环直径之比为γ＝0.5。
4.环形网达到临界破坏状态时，拉伸后的网片坡长AC在空间上长度(图6)：
Figure BDA0002917780510000062
极限拉伸位移：
Figure BDA0002917780510000071
5.根据1中的圆环直径D、网环缠绕圈数N、顶破端与环形网的面积比μ和环形网的长宽比λ。计算相关系数ζ1、ζ2及ζ3:
Figure BDA0002917780510000072
ζ2＝0.01×D2μ×λ×N-201.72
＝0.01×3002×0.09×1×5-201.72
＝-201.58
ζ3＝-1.23×λ×Dμ+3.7×N-44.5
＝-1.23×1×3000.09+3.7×5-44.5
＝-28.06
6.通过多参数归一化拟合公式得到环形网产生不同位移时对应的力，进一步得到力-拉伸位移曲线,并对曲线进行进一步处理，当顶破力小于0时取为0：
Figure BDA0002917780510000073
其极限拉伸位移Δmax对应的力便为顶破力：
Figure BDA0002917780510000081
试验结果、数值模拟结果与计算结果对比如表1及图8所示。
表1顶破力和极限拉伸位移对比
Figure BDA0002917780510000082
数值模拟结果与计算结果中所得的顶破力略小于试验结果。三者在第一阶段稍有偏差，其原因在于，试验时为保证环形网平整，预先进行了张紧，即试验的初始值不为零，但数值模拟中环形网呈现自然状态，计算中对第一阶段曲线进行了进一步的归0处理，导致三者略有差别。
归一化公式计算所得环形网顶破力为313kN,较试验的317kN低1.26％；极限拉伸位移1108mm,较试验的1024mm高8.2％。顶破力与极限拉伸位移的极值取得了较好的一致性，验证了该归一化公式的有效性。
最后需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术，而并非是用于对本发明做出严格限制；其中给出的详细布置数据仅用于给予技术及施工人员以参照，皆为示例数值，技术及施工人员仍应根据其现场实际情况做出相应的变动或进行同等替换；而这些变动或者替换，在未产生创造性的实际成果的情况下，仍应属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据防护需求，明确柔性环形防护网防护宽度B、长度H、圆环直径D、网环缠绕圈数N；
步骤二：计算环形网的长宽比λ：
Figure FDA0003495173870000011
步骤三：令顶破端的面积为AS1，环形网的面积为AS2，计算顶破端与环形网的面积比μ：
Figure FDA0003495173870000012
步骤四：横、纵两个方向任意两圆环间均存在空隙d，计算柔性环形防护网圆环间空隙与圆环直径之比α：
Figure FDA0003495173870000013
步骤五：根据步骤一、步骤四中柔性环形防护网防护宽度B、圆环直径D及柔性环形防护网圆环间空隙与圆环直径之比α计算一排的圆环数量m：
Figure FDA0003495173870000014
步骤六：网片达到临界破坏时，圆环从圆形转化为正方形，令钢丝的伸长量为l，计算钢丝伸长量与圆环直径之比β：
Figure FDA0003495173870000015
步骤七：网片达到临界破坏时，圆环间空隙得到拉伸，令拉伸后的圆环间空隙为d'，计算拉伸后的圆环间空隙与圆环直径之比γ：
Figure FDA0003495173870000021
步骤八：环形网达到临界破坏状态时，极限拉伸位移OA、短边半边长OC和拉伸后的网片坡长AC在空间上形成直角三角形，计算拉伸后的网片坡长AC在空间上长度：
Figure FDA0003495173870000022
Figure FDA0003495173870000023
从而确定极限拉伸位移：
Figure FDA0003495173870000024
步骤九：根据步骤一中的圆环直径D、网环缠绕圈数N、顶破端与环形网的面积比μ和环形网的长宽比λ，计算相关系数ζ1、ζ2及ζ3：
Figure FDA0003495173870000025
ζ2＝0.01×D2μ×λ×N-201.72
ζ3＝-1.23×λ×Dμ+3.7×N-44.5
步骤十：通过多参数归一化拟合公式得到环形网产生不同位移时对应的力，进一步得到力—拉伸位移曲线，其极限拉伸位移Δmax对应的力便为顶破力：
Figure FDA0003495173870000031
其中，Δ为环形网拉伸位移。
2.根据权利要求1所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤一中所述单个圆环是由钢丝盘结一定的圈数而成，多个圆环相互套接形成整体环形网。
3.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤五中圆环数量m计算结果不为整数时，应向上取整数。
4.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤十中环形网拉伸位移Δ应满足Δ≤Δmax。
5.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤十中顶破力小于0时取为0。
6.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤四中α的建议取值为0～0.3。
7.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤六中β的建议取值为0.01～0.02。
8.根据权利要求1或2所述的一种柔性环形防护网顶破力-拉伸位移全曲线计算方法，其特征在于：步骤七中γ的建议取值为0.5～0.7。
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