CN113152323B - 一种防落石棚洞结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防落石棚洞结构，包括棚洞本体以及用于承受落石头冲击的缓冲板；所述棚洞本体包括第一支撑结构，所述第一支撑结构设置在远离斜坡侧；所述缓冲板一端连接斜坡；所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面与第一支撑结构活动接触，所述接触位置靠近所述缓冲板的另一端，通过结构设计，能够达到抗连续落石冲击的目的。

Description

一种防落石棚洞结构

技术领域

本发明涉及公路隧道防护技术领域，尤其是一种防落石棚洞结构。

背景技术

山区公路设置棚洞是应对斜坡崩塌落石地质灾害的有效措施，如何提高棚洞防落石冲击能力是棚洞设计研究的重点。

棚洞防落石冲击结构设计主要表现为洞顶结构设计和回填设计，常采用的措施包括简支结构顶梁采用耗能支座、洞顶回填采用特殊缓冲材料或结构、洞顶采用厚层回填等方式。耗能支座为一次性材料，一次冲击吸能受损后需及时更换以便应对下次冲击，无法应对连续落石冲击。

发明内容

本发明目的在于提供一种防落石棚洞结构，通过结构设计，能够达到抗连续落石冲击的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种防落石棚洞结构，包括棚洞本体以及用于承受落石头冲击的缓冲板；所述棚洞本体包括第一支撑结构，所述第一支撑结构设置在远离斜坡侧；所述缓冲板一端连接斜坡；所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面与第一支撑结构相接触，所述接触位置靠近所述缓冲板的另一端。

本方案中，棚洞本体包括洞顶以及两个支撑结构，所述两个支撑结构支撑洞顶，第一支撑结构相较于第二支撑结构远离斜坡；缓冲板的一端为连接端，该连接端与斜坡连接，缓冲板的另一端为自由端，该自由端靠近棚洞的侧面与第一支撑结构相接触；在斜坡上的落石落在该防落石棚洞结构上时，所述缓冲板直接承受落石，缓冲板在承受落石冲击力后，缓冲板的自由端与第一支撑结构的接触位置发生相对移动，缓冲板发生弹性形变用以消耗落石的冲击力，通过缓冲板的结构以及连接设计，显著的增加落石与棚洞的作用时间，减小作用于棚洞的冲击力，能够达到抗连续落石冲击的目的，且缓冲板的自由端与第一支撑结构活动连接，可随着落石的增多不断变化伸出的长度，相较于固定的连接方式，该活动接触方式避免了缓冲板在承受落石时，缓冲板与第一支撑结构的连接位置承受过大的冲击力造成损坏，提高棚洞的使用寿命。

优选的，所述缓冲板为拱板，通过将缓冲板设计为拱形结构，所述缓冲板承受落石的侧面的斜率逐渐减小，进一步扩大了缓冲板的弹性形变的范围，有效的增加棚洞结构的抗冲击效果。

优选的，还包括用于连接缓冲板以及斜坡的锚杆，所述锚杆与所述缓冲板铰接，通过锚杆以及铰接的结构设计，在落石落于缓冲板上时，缓冲板的连接端可绕铰接位置发生旋转，保证缓冲板与锚杆的连接强度，避免因为缓冲板承受的冲击力影响缓冲板与锚杆的连接，进一步保证该棚洞结构的使用寿命。

作为本发明的进一步技术方案，还包括用于支撑缓冲板的变刚度拉杆组件，所述变刚度拉杆组件的两端分别连接所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面的两端，所述变刚度拉杆组件与所述缓冲板的连接端一端靠近斜坡，另一端靠近第一支撑结构；变刚度拉杆组件包括拉杆以及变刚度弹簧，所述拉杆以及变刚度弹簧）相互串联呈杆状结构，所述杆状结构的两端分别连接所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面的两端。

优选的，所述变刚度弹簧的刚度曲线为下凹曲线，所述下凹曲线的斜率逐渐增大。

在本方案中，所述变刚度拉杆组件用于支撑缓冲板，在落石落于缓冲板上时，缓冲板发生弹性形变，所述变刚度拉杆组件拉伸，在冲击力较小时，缓冲板形变较小，变刚度拉杆组件的拉伸长度较小，变刚度拉杆组件提供的拉力较小，该状态下时，主要由缓冲板直接承受落石的冲击力；在冲击力较大时，缓冲板形变较大，变刚度拉杆组件的拉伸长度较大，变刚度拉杆组件提供的拉力较大，该状态下时，由缓冲板以及变刚度拉杆组件共同承受落石的冲击力；通过采用刚度曲线为下凹曲线的变刚度弹簧，所述变刚度弹簧的刚度由小变大，在随着弹性形变逐渐增大的，所述变刚度弹簧提供的抗冲击力的变化逐渐增大；在弹性形变较大时，变刚度拉杆组件发生同等形变大小提供的抗冲击力的变化相较于在弹性形变较小时，变化更加明显，进一步保证了防落石棚洞结构在承受连续落石冲击的抗冲击效果。

作为本发明的进一步技术方案，还包括用于支撑缓冲板的变刚度拉杆组件，所述变刚度拉杆组件的一端连接所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面，所述连接位置靠近第一支撑结构；所述变刚度拉杆组件的另一端连接斜坡；变刚度拉杆组件包括拉杆以及变刚度弹簧，所述拉杆以及变刚度弹簧相互串联呈杆状结构，所述杆状结构的两端分别连接所述缓冲板靠近棚洞本体的侧面的两端。

在本方案中，通过变刚度拉杆组件的位置设计，将变刚度拉杆组件的一端直接顶端锚固于边坡之上，如此，拱形板材具有更大的变形空间可承受更大的落石冲击。

优选的，所述缓冲板包括至少一个第一缓冲单元以及至少一个第二缓冲单元，所述第一缓冲单元与第二缓冲单元相互配合实现缓冲板的延长；所述第一缓冲单元的配合侧设有呈“L”状的第一搭接部，所述第一搭接部包括上臂以及与第一缓冲单元的配合侧连接的第一侧臂；所述第二缓冲单元的配合侧设有呈“L”状的第二搭接部，所述第二搭接部包括下臂以及与第二缓冲单元的配合侧连接的第二侧臂，所述第一侧臂的下表面与第二侧壁的上表面相互配合，通过缓冲板的结构设计，在缓冲板承受落石时，缓冲单元间的搭接位置错开，落石碎屑坠落冲击由洞顶回填层承受，提升棚洞结构的抗冲击能力。

优选的，所述第一支撑结构与所述缓冲板的接触端设置弧形钢板，在所述缓冲板承受落石时，缓冲板发生弹性形变，缓冲板与第一支撑结构发生相对移动，通过设置弧形钢板，在避免钢板对缓冲板与第一支撑结构的相对移动发生阻碍的前提下，保证第一支撑结构的结构强度，避免缓冲板与第一支撑结构相对移动对接触位置造成影响。

优选的，所述弧形钢板与所述缓冲板的接触表面为光滑表面，降低缓冲板与弧形钢板的摩擦系数，保证缓冲板的抗冲击力。

优选的，还包括回填结构，所述回填结构设置于所述棚洞本体与斜坡的交界侧以及棚洞本体上侧，通过回填结构的结构设计，避免落石的冲击力直接由棚洞本体的洞顶承受，进一步保证了棚洞的使用寿命。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明涉及一种防落石棚洞结构，通过结构设计，达到解决连续落石冲击问题的目的，且提升抗冲击结构的使用寿命；

2、本发明涉及一种防落石棚洞结构，通过将缓冲板设计为拱形结构，进一步扩大了缓冲板的弹性形变的范围，有效的增加棚洞结构的抗冲击效果；

3、本发明涉及一种防落石棚洞结构，通过变刚度拉伸组件的结构设计，进一步保证了防落石棚洞结构在承受连续落石冲击的抗冲击效果；

4、本发明涉及一种防落石棚洞结构，通过多个缓冲单元的结构设计，在缓冲板承受落石时，缓冲单元间的搭接位置错开，落石碎屑坠落冲击由洞顶回填层承受，提升棚洞结构的抗冲击能力；

5、本发明涉及一种防落石棚洞结构，通过设置弧形钢板，在避免钢板对缓冲板与第一支撑结构的相对移动发生阻碍的前提下，保证第一支撑结构的结构强度，避免缓冲板与第一支撑结构相对移动对接触位置造成影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为图1A区域局部放大图；

图3为图1B区域局部放大图；

图4为本发明另一个实施例结构示意图；

图5为本发明实施例俯视图；

图6为本发明实施例缓冲板的正视图；

图7为本发明变刚度弹簧的刚度曲线示意图。

1-棚洞本体、11-第一支撑结构、111-弧形钢板、2-缓冲板、21-第一缓冲单元、22-第二缓冲单元、3-锚杆、4-变刚度拉杆组件、41-拉杆、42-变刚度弹簧、5-回填结构、6-斜坡、7-落石、8-变刚度弹簧刚度曲线、9-常刚度弹簧刚度曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

如图1-图2所示，一种防落石7棚洞结构，包括棚洞本体1以及用于承受落石7头冲击的缓冲板2；所述棚洞本体1包括第一支撑结构11，所述第一支撑结构11设置在远离斜坡6侧；所述缓冲板2一端连接斜坡6；所述缓冲板2靠近棚洞本体1的侧面与第一支撑结构11相接触，所述接触位置靠近所述缓冲板2的另一端。

在一个具体的实施方式中，所述缓冲板2为具有大弹性变形特性、高韧性的结构，优选的，所述缓冲板2为厚钢板。

本方案中，棚洞本体1包括洞顶以及两个支撑结构，所述两个支撑结构支撑洞顶，第一支撑结构11相较于第二支撑结构远离斜坡6；缓冲板2的一端为连接端，该连接端与斜坡6连接，缓冲板2的另一端为自由端，该自由端靠近棚洞的侧面与第一支撑结构11相接触；在斜坡6上的落石7落在该防落石7棚洞结构上时，所述缓冲板2直接承受落石7，缓冲板2在承受落石7冲击力后，缓冲板2的自由端与第一支撑结构11的接触位置发生相对移动，缓冲板2发生弹性形变用以消耗落石7的冲击力，通过缓冲板2的结构以及连接设计，显著的增加落石7与棚洞的作用时间，减小作用于棚洞的冲击力，能够达到抗连续落石7冲击的目的，且缓冲板2的自由端与第一支撑结构11活动连接，可随着落石7的增多不断变化伸出的长度，相较于固定的连接方式，该活动接触方式避免了缓冲板2在承受落石7时，缓冲板2与第一支撑结构11的连接位置承受过大的冲击力造成损坏，提高棚洞的使用寿命。

优选的，所述缓冲板2为拱板，通过将缓冲板2设计为拱形结构，所述缓冲板2承受落石7的侧面的斜率逐渐减小，进一步扩大了缓冲板2的弹性形变的范围，有效的增加棚洞结构的抗冲击效果。

如图3所示，还包括用于连接缓冲板2以及斜坡6的锚杆3，所述锚杆3与所述缓冲板2铰接，通过锚杆3以及铰接的结构设计，在落石7落于缓冲板2上时，缓冲板2的连接端可绕铰接位置发生旋转，保证缓冲板2与锚杆3的连接强度，避免因为缓冲板2承受的冲击力影响缓冲板2与锚杆3的连接，进一步保证该棚洞结构的使用寿命。

在一个具体的实施方式中，所述交接位置可设置于锚杆3的端部或中间位置，优选的，所述铰接位置设置于锚杆3的端部，方便建筑施工。

在一个具体的实施方式中，所述锚杆3可平行于水平面插入斜坡6中，也可可向上或向下插入斜坡6中，优选的，所述锚杆3向下倾斜插入斜坡6中，采用向下倾斜的插入方式，保证锚杆3与斜坡6的固定强度，提升连接的稳定性。

在一个具体的实施方式中，如图3所示，缓冲板2与锚杆3的连接位置设置于斜坡6内部，即在斜坡6表面设置凹槽，通过凹槽的结构设置，避免落石7撞击连接位置，影响缓冲板2的连接强度。

如图1所示，还包括用于支撑缓冲板2的变刚度拉杆组件4，所述变刚度拉杆组件4的两端分别连接所述缓冲板2靠近棚洞本体1的侧面的两端，所述变刚度拉杆组件4与所述缓冲板2的连接端一端靠近斜坡6，另一端靠近第一支撑结构11；所述变刚度拉杆组件4包括拉杆41以及变刚度弹簧42，所述拉杆41以及变刚度弹簧42相互串联呈杆状结构，所述杆状结构的两端分别连接所述缓冲板2靠近棚洞本体1的侧面的两端。

如图7所示，横坐标S为弹簧的拉伸形变量，纵坐标F为拉力，在一定的拉伸形变范围内，所述变刚度弹簧刚度曲线8为下凹曲线，所述下凹曲线的斜率逐渐增大；所述常刚度弹簧刚度曲线9为直线。

在本方案中，所述变刚度拉杆组件4用于支撑缓冲板2，在落石7落于缓冲板2上时，缓冲板2发生弹性形变，所述变刚度拉杆组件4拉伸，在冲击力较小时，缓冲板2形变较小，变刚度拉杆组件4的拉伸长度较小，变刚度拉杆组件4提供的拉力较小，该状态下时，主要由缓冲板2直接承受落石7的冲击力；在冲击力较大时，缓冲板2形变较大，变刚度拉杆组件4的拉伸长度较大，变刚度拉杆组件4提供的拉力较大，该状态下时，由缓冲板2以及变刚度拉杆组件4共同承受落石7的冲击力；通过采用刚度曲线为下凹曲线的变刚度弹簧42，所述变刚度弹簧42的刚度由小变大，在随着弹性形变逐渐增大的，所述变刚度弹簧42提供的抗冲击力的变化逐渐增大；在弹性形变较大时，变刚度拉杆组件4发生同等形变大小提供的抗冲击力的变化相较于在弹性形变较小时，变化更加明显，进一步保证了防落石7棚洞结构在承受连续落石7冲击的抗冲击效果。

在一个具体的实施方式中，当所述缓冲板2承受落石7冲击后处于平板状态时，所述变刚度拉杆组件4靠近第一支撑结构11的连接端位于缓冲板2与第一支撑结构11接触位置的靠近斜坡6的一侧。

如图4所示，还包括用于支撑缓冲板2的变刚度拉杆组件4，所述变刚度拉杆组件4的一端连接所述缓冲板2靠近棚洞本体1的侧面，所述连接位置靠近第一支撑结构11；所述变刚度拉杆组件4的另一端连接斜坡6；所述变刚度拉杆组件4包括拉杆41以及变刚度弹簧42，所述拉杆41以及变刚度弹簧42相互串联呈杆状结构，所述杆状结构的两端分别连接所述缓冲板2靠近棚洞本体1的侧面的两端。

在本方案中，通过变刚度拉杆组件4的位置设计，将变刚度拉杆组件4的一端直接顶端锚固于边坡之上，如此，拱形板材具有更大的变形空间可承受更大的落石7冲击。

在一个具体的实施方式中，所述变刚度拉杆组件4包括拉杆41以及变刚度弹簧42，所述拉杆41以及变刚度弹簧42相互串联，可为拉杆41的一端与缓冲板2连接，另一端连接变刚度弹簧42，变刚度弹簧42的另一端与缓冲板2连接；也可为拉杆41的一端与缓冲板2连接，另一端连接变刚度弹簧42，变刚度弹簧42的另一端与另一个拉杆41的一端连接，另一个拉杆41的另一端与缓冲板2连接；也可为变刚度弹簧42的一端与缓冲板2连接，另一端拉杆41，拉杆41的另一端与另一个变刚度弹簧42的一端连接，另一个变刚度弹簧42的另一端与缓冲板2连接；两个拉杆41之间可连接一个变刚度弹簧42，也可连接多个变刚度弹簧42；优选的，拉杆41以及变刚度弹簧42间隔设置，类似于在一个完整杆件上开设至少一个断口，杆件的两端连接缓冲板2，断口位置设置一个变刚度弹簧42。

如图5-图6所示，所述缓冲板2包括至少一个第一缓冲单元21以及至少一个第二缓冲单元22，所述第一缓冲单元21与第二缓冲单元22相互配合实现缓冲板2的延长；所述第一缓冲单元21的配合侧设有呈“L”状的第一搭接部，所述第一搭接部包括上臂以及与第一缓冲单元21的配合侧连接的第一侧臂；所述第二缓冲单元22的配合侧设有呈“L”状的第二搭接部，所述第二搭接部包括下臂以及与第二缓冲单元22的配合侧连接的第二侧臂，所述第一侧臂的下表面与第二侧壁的上表面相互配合，通过缓冲板2的结构设计，在缓冲板2承受落石7时，缓冲单元间的搭接位置错开，落石7碎屑坠落冲击由洞顶回填层承受，提升棚洞结构的抗冲击能力。

如图2所示，所述第一支撑结构11与所述缓冲板2的接触端设置弧形钢板111，在所述缓冲板2承受落石7时，缓冲板2发生弹性形变，缓冲板2与第一支撑结构11发生相对移动，通过设置弧形钢板111，在避免钢板对缓冲板2与第一支撑结构11的相对移动发生阻碍的前提下，保证第一支撑结构11的结构强度，避免缓冲板2与第一支撑结构11相对移动对接触位置造成影响。

优选的，所述弧形钢板111与所述缓冲板2的接触表面为光滑表面，降低缓冲板2与弧形钢板111的摩擦系数，保证缓冲板2的抗冲击力。

如图1所示，还包括回填结构5，所述回填结构5设置于所述棚洞本体1与斜坡6的交界侧以及棚洞本体1上侧，通过回填结构5的结构设计，避免落石7的冲击力直接由棚洞本体1的洞顶承受，进一步保证了棚洞的使用寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防落石棚洞结构，其特征在于，

包括棚洞本体（1）以及用于承受落石头冲击的缓冲板（2）；

所述棚洞本体（1）包括第一支撑结构（11），所述第一支撑结构（11）设置在远离斜坡侧；

所述缓冲板（2）一端连接斜坡；

所述缓冲板（2）靠近棚洞本体（1）的侧面与第一支撑结构（11）活动接触，所述接触位置靠近所述缓冲板（2）的另一端；

所述缓冲板（2）包括至少一个第一缓冲单元（21）以及至少一个第二缓冲单元（22），所述第一缓冲单元（21）与第二缓冲单元（22）相互配合实现缓冲板（2）的延长；所述第一缓冲单元（21）的配合侧设有呈“L”状的第一搭接部，所述第一搭接部包括上臂以及与第一缓冲单元（21）的配合侧连接的第一侧臂；所述第二缓冲单元（22）的配合侧设有呈“L”状的第二搭接部，所述第二搭接部包括下臂以及与第二缓冲单元（22）的配合侧连接的第二侧臂，所述第一侧臂的下表面与第二侧壁的上表面相互配合，在缓冲板承受落石时，缓冲单元间的搭接位置错开，落石碎屑坠落冲击由洞顶回填层承受。

2.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，所述缓冲板（2）为拱板，所述缓冲板（2）承受落石的侧面的斜率逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，还包括用于连接缓冲板（2）以及斜坡的锚杆（3），所述锚杆（3）与所述缓冲板（2）铰接。

4.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，还包括用于支撑缓冲板的变刚度拉杆组件（4），所述变刚度拉杆组件（4）的两端分别连接所述缓冲板（2）靠近棚洞本体（1）的侧面的两端，所述变刚度拉杆组件（4）与所述缓冲板（2）的连接端一端靠近斜坡，另一端靠近第一支撑结构（11）。

5.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，还包括用于支撑缓冲板的变刚度拉杆组件（4），所述变刚度拉杆组件（4）的一端连接所述缓冲板（2）靠近棚洞本体（1）的侧面，所述连接位置靠近第一支撑结构（11）；所述变刚度拉杆组件（4）的另一端连接斜坡。

6.根据权利要求4或5所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，变刚度拉杆组件（4）包括拉杆（41）以及变刚度弹簧（42），所述拉杆（41）以及变刚度弹簧（42）相互串联呈杆状结构，所述杆状结构的两端分别连接所述缓冲板（2）靠近棚洞本体（1）的侧面的两端。

7.根据权利要求6所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，所述变刚度弹簧（42）的刚度曲线为下凹曲线，所述下凹曲线的斜率逐渐增大。

8.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，所述第一支撑结构（11）与所述缓冲板（2）的接触端设置弧形钢板（111）。

9.根据权利要求1所述的一种防落石棚洞结构，其特征在于，还包括回填结构（5），所述回填结构（5）设置于所述棚洞本体（1）与斜坡的交界侧以及棚洞本体（1）上侧。

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