CN113339437B - 一种穿孔式屈服型耗能器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，包括带孔金属盘、夹具、保护绳与连接结构，金属盘带有螺旋分布的贯穿小孔，形成预设撕裂路径，金属盘两端预留孔洞与柔性防护系统的钢丝绳可拆卸式连接，保护绳通过连接结构与钢丝绳连接。当柔性防护系统受到冲击时，金属盘沿着穿孔路径撕裂，形成两个拉伸臂，并沿相反的方向延伸，通过钢的屈服变形达到缓冲和耗能的目的。本发明将钢的变形和脆性制动性能结合到模块化耗能器上，可根据实际耗能需求设计耗能器的个数进行装配，通过调整特性响应曲线，优化边坡柔性防护系统中组件之间的相互作用。本发明所述的耗能器设计合理，耗能机制明确，可组合使用，有效地提高防护系统的耗能能力。

Description

一种穿孔式屈服型耗能器

技术领域

本发明涉及一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，属于边坡地质灾害防护领域。

背景技术

随着现代基础设施、交通设施和山地景区面临崩塌、落石、滑坡、泥石流等灾害的威胁日益增加，柔性防护系统逐渐发展成为最有效的防护措施之一。柔性防护系统由支撑柱、柔性金属拦截网、耗能器、拉锚系统组成，防护系统受到冲击时通过网环变形、拉锚系统张紧、耗能器工作从而耗散冲击能量、延长冲击时间并减小冲击力。落石防护系统中早期使用的是摩擦型耗能装置，其由钢丝绳索通过索夹组装而成，落石的冲击能量被移动绳索之间的摩擦所消耗，典型的实例如中国专利CN201520922570.6，一种边坡柔性防护系统中的新型穿孔式摩擦型耗能器，公开了一种边坡柔性防护系统中的新型穿孔式摩擦型耗能器，包括钢丝绳、带孔金属板、夹具和限位装置，其中，钢丝绳通过多次穿绕带孔金属板上的孔洞与带孔金属板连接，由于钢丝绳与带孔金属板的孔洞及表面存在摩擦力，当钢丝绳相对于带孔金属板滑动时便形成了摩擦型的耗能机制。此种形式的耗能器依靠摩擦力进行耗能，天然存在耗能能力不足的问题。

现有技术中的另一种耗能器是变形型耗能器，其是借助钢弹簧、杆或型材的变形来耗散能量。这种类型的耗能器比早期的基于摩擦的耗能器表现出更好的性能和效率，可以通过选择使用的材料来调节制动距离和启动力。变形型耗能器的耗能能力有所提高，但由于结构复杂，安装合更换都很不方便，很难在现有结构的基础上进行优化以大幅度提升其耗能能力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种穿孔式屈服型耗能器及其设计方法，在较小能级累次冲击作用下不用频繁更换耗能器、在受到较大能级冲击作用下可增加耗能器装配个数来为系统提供充足的耗能能力、同时能为系统提供较好的缓冲。

为了实现上述目的，本发明所述耗能器采用的技术方案如下：

一种穿孔式屈服型耗能器，包括：金属盘、保护绳与连接结构，其中，

金属盘上设置有沿预设撕裂路径分布的贯穿小孔，两端设有伸出部，使得所述伸出部受力达到预设值时，所述金属盘沿所述预设撕裂路径撕裂而形成系统的耗能机制；金属盘两端与柔性防护系统的钢丝绳可拆卸式连接，保护绳通过卸扣与钢丝绳连接；

所述耗能机制包括：在工作状态，所述金属盘沿着预设撕裂路径撕裂，从而使得金属盘形成两个拉伸臂，两个所述拉伸臂沿相反的方向延伸，经过弯曲状态变为拉直状态，完全撕裂后，圆盘变成条状，通过钢的屈服变形来耗能。

进一步地，所述金属盘为多个，多个所述金属盘并联或串联使用。

进一步地，所述带孔金属盘由钢材制成，贯穿小孔沿由中心向外的螺旋线分布，金属盘的端部设有用于与钢丝绳可拆卸式连接的连接孔。

进一步地，所述柔性防护系统钢丝绳通过夹具形成绳套，所述绳套通过卸扣与带孔金属盘的连接孔可拆卸式连接。

进一步地，所述金属盘的外缘设有V形切口，所述V形切口与所述预设撕裂路径在同一条螺旋线上。

另一方面，本申请请求保护根据前述之一所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，包括如下步骤：

根据防护结构中钢丝绳的允许滑移长度和空间、防护结构的防护需求，确定金属盘的拉伸长度S₁、圈数、内直径、耗能；

根据金属盘的拉伸长度S₁计算保护绳长度；

根据金属盘的拉伸长度S₁计算金属盘的外直径；

确定金属盘穿孔直径；

根据耗能需求和金属盘的拉伸长度S₁计算耗能器的平均工作拉力；

根据耗能器的平均工作拉力计算设计金属盘截面高度及穿孔间距；

根据耗能器的平均工作拉力和金属盘截面尺寸计算设计金属盘伸出部；

通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求。

进一步地，所述金属盘的拉伸长度S₁为冲击时柔性防护系统中耗能器连接的钢丝绳可允许的最大滑移量。

进一步地，所述保护绳长度l通过下式确定：

l＝1.1S₁

进一步地，所述金属盘的外直径D₂通过下式确定：

式中：L是金属盘单臂的展开长度，

D₁是金属盘的内直径，D₂是金属盘的外直径，n是金属盘单臂的螺旋圈数，θ是螺旋线圈数对应的旋转角度，令θ＝n·2π。

进一步地，所述耗能器的平均工作拉力由下式确定：

式中：F_w是耗能器的平均工作拉力，E_e是耗能器整体耗能值，S₁是金属盘的拉伸长度。

进一步地，所述金属盘穿孔间距由下式确定：

式中：H是金属盘厚度，t是金属盘穿孔间距，F_s是金属盘的启动力，取F_s等于F_w，f_y是金属盘屈服强度设计值。

进一步地，所述金属盘伸出端留有连接孔，其直径和位置由下式确定：

式中：d₁为连接孔的直径，d₂为金属盘伸出部直径,f₂为金属盘的抗拉强度，L₂为连接孔边缘与金属盘伸出部端面的距离，令

f_v1为金属盘抗剪强度设计值。

本发明有效益效果如下：

本发明的穿孔式屈服型耗能器设计合理，耗能机制明确，可通过调整金属盘的截面尺寸、预设孔的直径，预设孔的间距有效地针对耗能需求进行计算设计。

本发明所述耗能器结构简单、轻便，安装、拆卸和维护十分方便。

本发明所述耗能器在柔性防护系统受到较小能级累次冲击作用时不用频繁更换耗能器。本发明所述耗能器不仅可以单独使用，还可以组合使用，并联组合使用时可大幅度地提高其耗能能力，串联组合使用时增大耗能器的拉伸长度。本发明具有实质性特点和进步，拥有十分广泛的市场应用前景，非常适合推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的设计流程图。

图2为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的结构示意图。

图3为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的金属盘的示意图。

图4为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的连接结构示意图。

图5为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的正视图。

图6为本发明一种穿孔式屈服型耗能器的设计标识示意图。

图7为本发明一种穿孔式屈服型耗能器并联组合使用时的俯视图。

图8为本发明一种穿孔式屈服型耗能器并联组合使用时的轴测图。

图9为本发明一种穿孔式屈服型耗能器并联组合使用时金属盘的示意图。

图10为本发明一种穿孔式屈服型耗能器串联组合使用时的轴测图。

图11为本发明一种穿孔式屈服型耗能器数值仿真计算的拉力-位移曲线图。

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-金属盘，2-螺栓孔，3-贯穿小孔，4-连接孔，5-保护绳，6-卸扣，7-钢丝绳，8-夹具，9-绳套，10-螺栓，11-“8”字型钢丝绳

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

参见图2，本申请的一种穿孔式屈服型耗能器，包括：金属盘1、保护绳5与连接结构6，其中，金属盘1上设置有沿预设撕裂路径分布的贯穿小孔3，两端设有伸出部，使得所述伸出部受力达到预设值时，所述金属盘1沿所述预设撕裂路径撕裂而形成系统的耗能机制；金属盘1两端与柔性防护系统的钢丝绳7可拆卸式连接，保护绳5通过卸扣6与钢丝绳7连接；所述耗能机制包括：在工作状态，所述金属盘1沿着预设撕裂路径撕裂，从而使得金属盘1形成两个拉伸臂，两个所述拉伸臂沿相反的方向延伸，经过弯曲状态变为拉直状态，完全撕裂后，圆盘变成条状，通过钢的屈服变形来耗能。

所述金属盘1的个数可根据实际耗能需求进行设计，相应的结构根据金属盘1的个数调整即可进行装配。在一个优选的实施例中，所述金属盘1为多个，多个所述金属盘1并联或串联使用。并联使用时，通过金属盘中部的螺栓孔2将多个所述金属盘1并联在一起。

所述带孔金属盘1由钢材制成，贯穿小孔3沿由中心向外的螺旋线分布，金属盘的端部设有用于与钢丝绳可拆卸式连接的连接孔4。

所述柔性防护系统钢丝绳7通过夹具8形成绳套9，所述绳套9通过卸扣6与带孔金属盘1的连接孔4可拆卸式连接。

所述金属盘1的伸出部设有V形切口，所述V形切口与所述预设撕裂路径在同一条螺旋线上。优选地，预设撕裂路径有2条，每个伸出部各自引导一条预设撕裂路径。

实施例1

如图2所示，一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法。该耗能器单独使用时包括1个带孔金属盘1、一根保护绳5、两个卸扣6。

按照图1所示的设计流程进行计算设计：

确定金属盘工作时的拉伸长度、螺旋圈数、内直径：根据本实施例所连接的柔性防护系统中钢丝绳的允许滑移长度和空间，本实施例耗能器拉伸长度S₁为1500mm，金属盘单臂的螺旋圈数n为1.5，内直径D₁为80mm；

根据金属盘工作时的拉伸长度计算保护绳长度：根据式l＝1.1S₁计算保护绳长度，金属盘拉伸长度S₁＝1500mm，带入数据得l＝1650mm

根据金属盘工作时的拉伸长度计算金属盘的外直径：根据式

和式

计算金属盘外直径D₂，令

金属盘拉伸长度S₁＝1500mm，金属盘的螺旋圈数n＝1.5，则θ＝3π，内直径D₁＝80mm,带入数据得D₂＝226mm，取230mm；

确定金属盘穿孔直径：金属盘穿孔直径取d＝4mm；

根据耗能需求和金属盘工作时的拉伸长度计算耗能器的平均工作拉力：本实施例耗能器耗能E_e为40kJ，根据等式

可计算得平均工作拉力为26.67kN；

根据耗能器的平均工作拉力计算设计金属盘截面尺寸及穿孔间距：根据等式

计算金属盘截面尺寸及穿孔间距，本实施例金属盘采用Q345钢，查得其屈服强度设计值f_y取345Mpa,令启动力F_s＝F_w，代入数据得,Ht＝38.65mm²，故取金属盘截面厚度H＝20mm,穿孔间距t＝2mm；

根据耗能器的工作拉力计算设计金属盘伸出部分：先根据不等式

和

计算伸出部分中连接孔的直径和位置，金属盘抗拉强度设计值f₂经查取265Mpa，抗剪强度设计值f_v1取155Mpa，金属盘伸出部分直径d₂取40mm，代入数据得连接孔的直径d₁≤34.97mm，取d₁＝10mm，L₂≥12.90mm，取L₂＝15mm。

通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求：通过LS-dyna进行数值计算可得按照本实施例设计的耗能器平均工作拉力约为27.93kN，金属盘塑性变形耗能约为41.74kJ，如图11所示。

上述设计流程中涉及的符号如图5、图6所示。

如图4所示，柔性防护系统的钢丝绳7通过夹具8形成绳套9从而形成该耗能器单独使用时的连接结构。

将耗能器主体结构(图3)通过连接结构(图4)与柔性防护系统钢丝绳进行连接，从而形成图2所示的本发明单独使用时的完整结构。

当柔性防护系统受到冲击时，钢丝绳受拉，此时与钢丝绳7连接的金属盘1会受拉由盘旋弯曲状态变为拉直状态，通过钢的屈服变形达到缓冲和耗能的目的。

按照本实施例单独使用本发明所述的耗能器时，理论计算耗能可达40kJ，经数值仿真计算得耗能为41.74kJ。此误差是由于理论计算采用的方法更为简化，且理论计算设计时考虑了施工工艺要求，从而对计算结果进行了合理地取整。通过数值模拟验证本设计方法较为精确，可满足工程需求。

实施例2

如图7、图8所示，一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法。该耗能器按本实施例并联组合使用时包括4个带孔金属盘1和1个连接螺栓10。

如图9所示，按本实施例并联组合使用该耗能器时，按照实施例1中的做法，4个带孔金属盘1通过螺栓10并联从而形成按本实施例并联组合使用时该耗能器的主体结构。

将按本实施例并联组合使用时该耗能器的主体结构(图9)通过连接结构(图4)与柔性防护系统钢丝绳进行连接，从而形成图7、图8所示的按本实施例组合使用时该耗能器的完整结构。

当柔性防护系统受到冲击时，钢丝绳受拉，4个金属盘同时受拉从弯曲状态变为拉直状态。按照本实施例组合使用该耗能器时，耗能能力可提升4倍。

实施例3

如图10所示，一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法。该耗能器按本实施例串联组合使用时包括2个带孔金属盘1和1个“8”字型钢缆绳11。

将按本实施例串联组合使用时该耗能器的主体结构(图3)通过“8”字型钢缆绳连接，再与柔性防护系统钢丝绳进行连接，从而形成图10所示的按本实施例串联组合使用时该耗能器的完整结构。

按照本实施例串联组合使用该耗能器时，柔性防护系统钢丝绳最大滑移量可增加2倍。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的内容基础上做出一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述穿孔式屈服型耗能器包括：金属盘(1)、保护绳(5)与连接结构，其中，

金属盘(1)上设置有沿预设撕裂路径分布的贯穿小孔(3)，两端设有伸出部，使得所述伸出部受力达到预设值时，所述金属盘(1)沿所述预设撕裂路径撕裂而形成系统的耗能机制；金属盘(1)两端与柔性防护系统的钢丝绳(7)可拆卸式连接，保护绳(5)通过卸扣(6)与钢丝绳(7)连接；

所述耗能机制包括：在工作状态，所述金属盘(1)沿着预设撕裂路径撕裂，从而使得金属盘(1)形成两个拉伸臂，两个所述拉伸臂沿相反的方向延伸，经过弯曲状态变为拉直状态，完全撕裂后，圆盘变成条状，通过钢的屈服变形来耗能；

所述方法包括如下步骤：

根据防护结构中钢丝绳的允许滑移长度和空间、防护结构的防护需求，确定金属盘(1)的拉伸长度S₁、圈数、内直径、耗能；

根据金属盘的拉伸长度S₁计算保护绳长度；所述保护绳(5)长度l通过下式确定：

l＝1.1S₁

根据金属盘的拉伸长度S₁计算金属盘的外直径；

确定金属盘穿孔直径；

根据耗能需求和金属盘的拉伸长度S₁计算耗能器的平均工作拉力；所述耗能器的平均工作拉力由下式确定：

式中：F_w是耗能器的平均工作拉力，E_e是耗能器整体耗能值，S₁是金属盘的拉伸长度；

根据耗能器的平均工作拉力计算设计金属盘截面高度及穿孔间距；所述金属盘穿孔间距由下式确定：

式中：H是金属盘厚度，t是金属盘穿孔间距，F_s是金属盘的启动力，取F_s等于F_w，f_y是金属盘屈服强度设计值

根据耗能器的平均工作拉力和金属盘截面尺寸计算设计金属盘伸出部；所述金属盘(1)伸出端留有连接孔(4)，其直径和位置由下式确定：

式中：d₁为连接孔(4)的直径，d₂为金属盘伸出部直径,f₂为金属盘的抗拉强度，L₂为连接孔(4)边缘与金属盘伸出部端面的距离，令

f_v1为金属盘抗剪强度设计值；

通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求。

2.根据权利要求1所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其缓冲器特征在于，所述金属盘(1)为多个，多个所述金属盘(1)并联或串联使用。

3.根据权利要求1或2所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述金属盘(1)由带孔的钢材制成，贯穿小孔(3)沿由中心向外的螺旋线分布，金属盘的端部设有用于与钢丝绳可拆卸式连接的连接孔(4)。

4.根据权利要求1或2所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述柔性防护系统钢丝绳(7)通过夹具(8)形成绳套(9)，所述绳套(9)通过卸扣(6)与金属盘(1)的连接孔(4)可拆卸式连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述金属盘(1)的外缘设有V形切口，所述V形切口与所述预设撕裂路径在同一条螺旋线上。

6.根据权利要求1所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述金属盘(1)的拉伸长度S₁为冲击时柔性防护系统中耗能器连接的钢丝绳可允许的最大滑移量。

7.根据权利要求1所述的一种穿孔式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，所述金属盘(1)的外直径D₂通过下式确定：

式中：L是金属盘单臂的展开长度,

D₁是金属盘的内直径，D₂是金属盘的外直径，n是金属盘单臂的螺旋圈数，θ是螺旋线圈数对应的旋转角度，令θ＝n·2π。

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