CN113605928B - 可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道o型棚支护 - Google Patents
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Abstract
一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，包括U型钢外圈支架、U型钢内圈支架及二维负刚度结构带；U型钢内外圈支架为同心分布，二维负刚度结构带设在U型钢内外圈支架间的环形空间内；U型钢内外圈支架均由四根U型钢首尾相接而成，U型钢外圈支架的相邻U型钢之间由缓冲吸能接头构件固连，U型钢内圈支架的相邻U型钢之间由卡子固连；二维负刚度结构带与U型钢内外圈支架间均由卡缆固接。本发明在巷道支护体系内引入了负刚度结构和吸能结构，对巷道支护系统的防冲和减震控制更加理想，充分利用负刚度结构可重复性，使巷道支护系统具有持续防冲、多次吸能及减震的能力，延长了巷道支护系统的使用寿命，提高了结构承载力。
Description
技术领域
本发明属于巷道支护技术领域，特别是涉及一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护。
背景技术
目前，煤矿逐步进入深部开采阶段，导致冲击地压事故在深部开采过程中的出现频率和破坏程度越来越大，不但严重影响开采进度，而且威胁开采过程中的人身安全及设备安全。由于岩体的块系构造特性，巷道在受到强冲击作用下，巷道周围的岩体会出现长时间的低频振动，进而对巷道支护系统造成损坏。
在现有的巷道支护技术中，传统的U型钢支护被广泛应用，通过U型断面使巷道形成封闭或者半封闭支护体系。其中，O型棚支护就是一种典型的U型钢支护，其是由多根U型钢通过一定的连接方式首尾相接而成，并近似O型形状，属于全断面封闭式支护。
虽然传统的O型棚支护通过利用U型钢的断面形式和O型的支护形式，对提升自身的支护强度以及增强巷道稳定性有重要意义。但是，传统的O型棚支护对巷道减振的控制并不理想，无法适应块系岩体的长时间低频振动特性，并且只能满足一次支护，倘若传统的O型棚支护出现变形或被整体压垮时，将彻底失去抵抗能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，在巷道支护体系内引入了负刚度结构和吸能结构，对巷道支护系统的防冲和减震控制更加理想，充分利用了负刚度结构的可重复性，使得巷道支护系统具有了持续防冲、多次吸能及减震的能力，大幅度延长了巷道支护系统的使用寿命，进一步提高了结构承载力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，包括U型钢外圈支架、U型钢内圈支架及二维负刚度结构带；所述U型钢外圈支架与U型钢内圈支架同心分布，所述二维负刚度结构带设置在U型钢外圈支架与U型钢内圈支架之间的环形空间内；所述U型钢外圈支架由四根U型钢首尾相接而成，U型钢外圈支架内的相邻U型钢之间通过缓冲吸能接头构件固定连接；所述U型钢内圈支架也由四根U型钢收尾相接而成，U型钢内圈支架内的相邻U型钢之间通过卡子固定连接；所述U型钢外圈支架和U型钢内圈支架内的U型钢与二维负刚度结构带之间均通过卡缆固定连接。
所述缓冲吸能接头构件包括支撑套筒、左转接块、左挤压块、左转接套管、多面体折棱缓冲吸能管、右转接块、右挤压块及右转接套管；所述支撑套筒套装在多面体折棱缓冲吸能管外侧；所述左挤压块和右挤压块分别设置在多面体折棱缓冲吸能管的左右两端，在支撑套筒的内表面分别设置由左挤压块限位挡环和右挤压块限位挡环；所述左转接套管一端与左挤压块螺接固连在一起，所述左转接块与左转接套管另一端滑动连接配合，在左转接块与左挤压块之间连接有若干高强拉伸弹簧；所述右转接套管一端与右挤压块螺接固连在一起，所述右转接块与右转接套管另一端滑动连接配合，在右转接块与右挤压块之间连接有若干高强拉伸弹簧；在所述左转接块和右转接块的外侧表面均开设有U型钢插槽，U型钢插槽与U型钢插接配合，所述左转接块、右转接块与插接的U型钢之间均通过螺栓组件进行固定。
所述二维负刚度结构带由若干负刚度单胞结构件矩阵式排列组合而成；所述负刚度单胞包括圆形连接器、支撑杆、负刚度曲梁及支撑直梁；所述支撑杆数量为六根，六根支撑杆沿圆形连接器周向呈辐射状均布设置，在每根支撑杆的外端均固连有一根负刚度曲梁，且支撑杆的外端与负刚度曲梁的拱顶相连，负刚度曲梁的开口朝外，所述支撑直梁连接在负刚度曲梁的两条直臂之间。
所述负刚度曲梁的形状曲线满足公式w(x)＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，式中，w(x)为负刚度曲梁拱高方向上任意点坐标，h为负刚度曲梁的拱高，x为负刚度曲梁跨长方向上任意点坐标，l为负刚度曲梁的跨长。
本发明的有益效果：
本发明的可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，在巷道支护体系内引入了负刚度结构和吸能结构，对巷道支护系统的防冲和减震控制更加理想，充分利用了负刚度结构的可重复性，使得巷道支护系统具有了持续防冲、多次吸能及减震的能力，大幅度延长了巷道支护系统的使用寿命，进一步提高了结构承载力。
附图说明
图1为本发明的可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护结构示意图；
图2为本发明的缓冲吸能接头构件的结构示意图；
图3为图2中A-A剖视图；
图4为图2中B-B剖视图；
图5为本发明的二维负刚度结构带的局部结构示意图；
图6为本发明的二维负刚度结构带的负刚度单胞示意图；
图7为本发明的负刚度单胞结构件的负刚度曲梁示意图；
图中，1—U型钢外圈支架，2—U型钢内圈支架，3—二维负刚度结构带，4—U型钢，5—缓冲吸能接头构件，6—卡子，7—卡缆，8—支撑套筒，9—左转接块，10—左挤压块，11—左转接套管，12—多面体折棱缓冲吸能管，13—右转接块，14—右挤压块，15—右转接套管，16—左挤压块限位挡环，17—右挤压块限位挡环，18—高强拉伸弹簧，19—U型钢插槽，20—螺栓组件，21—负刚度单胞结构件，22—圆形连接器，23—支撑杆，24—负刚度曲梁，25—支撑直梁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～7所示，一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，包括U型钢外圈支架1、U型钢内圈支架2及二维负刚度结构带3；所述U型钢外圈支架1与U型钢内圈支架2同心分布，所述二维负刚度结构带3设置在U型钢外圈支架1与U型钢内圈支架2之间的环形空间内；所述U型钢外圈支架1由四根U型钢4首尾相接而成，U型钢外圈支架1内的相邻U型钢4之间通过缓冲吸能接头构件5固定连接；所述U型钢内圈支架2也由四根U型钢4收尾相接而成，U型钢内圈支架2内的相邻U型钢4之间通过卡子6固定连接；所述U型钢外圈支架1和U型钢内圈支架2内的U型钢4与二维负刚度结构带3之间均通过卡缆7固定连接。
所述缓冲吸能接头构件5包括支撑套筒8、左转接块9、左挤压块10、左转接套管11、多面体折棱缓冲吸能管12、右转接块13、右挤压块14及右转接套管15；所述支撑套筒8套装在多面体折棱缓冲吸能管12外侧；所述左挤压块10和右挤压块14分别设置在多面体折棱缓冲吸能管12的左右两端，在支撑套筒8的内表面分别设置由左挤压块限位挡环16和右挤压块限位挡环17；所述左转接套管11一端与左挤压块10螺接固连在一起，所述左转接块9与左转接套管11另一端滑动连接配合，在左转接块9与左挤压块10之间连接有若干高强拉伸弹簧18；所述右转接套管15一端与右挤压块14螺接固连在一起，所述右转接块13与右转接套管15另一端滑动连接配合，在右转接块13与右挤压块14之间连接有若干高强拉伸弹簧18；在所述左转接块9和右转接块13的外侧表面均开设有U型钢插槽19，U型钢插槽19与U型钢4插接配合，所述左转接块9、右转接块13与插接的U型钢4之间均通过螺栓组件20进行固定。
所述二维负刚度结构带3由若干负刚度单胞结构件21矩阵式排列组合而成；所述负刚度单胞21包括圆形连接器22、支撑杆23、负刚度曲梁24及支撑直梁25；所述支撑杆23数量为六根，六根支撑杆23沿圆形连接器22周向呈辐射状均布设置，在每根支撑杆23的外端均固连有一根负刚度曲梁24，且支撑杆23的外端与负刚度曲梁24的拱顶相连，负刚度曲梁24的开口朝外，所述支撑直梁25连接在负刚度曲梁24的两条直臂之间。
所述负刚度曲梁24的形状曲线满足公式w(x)＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，式中，w(x)为负刚度曲梁拱高方向上任意点坐标，h为负刚度曲梁的拱高，x为负刚度曲梁跨长方向上任意点坐标，l为负刚度曲梁的跨长。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
当巷道受到冲击载荷作用时，首先迫使U型钢外圈支架1发生变形，使U型钢外圈支架1内的四根U型钢4向内压缩，压缩力依次经过左转接块9、左挤压块10传递至多面体折棱缓冲吸能管12一侧，同时压缩力还会依次经过右转接块13、右挤压块14传递至多面体折棱缓冲吸能管12另一侧，在双向压缩力的挤压作用下，多面体折棱缓冲吸能管12会产生轴向压缩变形，进而实现第一次让位吸能。
在多面体折棱缓冲吸能管12通过压缩变形进行第一次让位吸能的同时，向内收缩的U型钢外圈支架1会对二维负刚度结构带3产生挤压作用，进而使二维负刚度结构带3内的负刚度单胞结构件21产生变形，直到负刚度单胞结构件21被压缩成封闭的正六边形状态，并且负刚度单胞结构件21压缩变形过程会先从二维负刚度结构带3外围开始，并逐渐向二维负刚度结构带3内围传递，最终通过连续的负刚度单胞结构件21压缩变形过程实现多次的让位吸能。
当冲击载荷作用结束后，由于负刚度单胞结构件21内的负刚度曲梁24具有负刚度效应，二维负刚度结构带3会产生回弹力并促使U型钢外圈支架1的U型钢4向外扩展，由于高强拉伸弹簧18的存在，在U型钢4向外扩展的同时会带动左转接块9、左挤压块10、右转接块13、右挤压块14外移复位，此时压缩变形后的多面体折棱缓冲吸能管12虽然失去了功能，但二维负刚度结构带3仍可以继续维持其功能性，因此面对后续的冲击载荷作用时，仍可凭借二维负刚度结构带3实现持续防冲、多次吸能及减震的目的。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (3)
1.一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，其特征在于：包括U型钢外圈支架、U型钢内圈支架及二维负刚度结构带；所述U型钢外圈支架与U型钢内圈支架同心分布，所述二维负刚度结构带设置在U型钢外圈支架与U型钢内圈支架之间的环形空间内；所述U型钢外圈支架由四根U型钢首尾相接而成，U型钢外圈支架内的相邻U型钢之间通过缓冲吸能接头构件固定连接；所述U型钢内圈支架也由四根U型钢收尾相接而成，U型钢内圈支架内的相邻U型钢之间通过卡子固定连接；所述U型钢外圈支架和U型钢内圈支架内的U型钢与二维负刚度结构带之间均通过卡缆固定连接；所述缓冲吸能接头构件包括支撑套筒、左转接块、左挤压块、左转接套管、多面体折棱缓冲吸能管、右转接块、右挤压块及右转接套管；所述支撑套筒套装在多面体折棱缓冲吸能管外侧；所述左挤压块和右挤压块分别设置在多面体折棱缓冲吸能管的左右两端，在支撑套筒的内表面分别设置由左挤压块限位挡环和右挤压块限位挡环；所述左转接套管一端与左挤压块螺接固连在一起，所述左转接块与左转接套管另一端滑动连接配合，在左转接块与左挤压块之间连接有若干高强拉伸弹簧；所述右转接套管一端与右挤压块螺接固连在一起，所述右转接块与右转接套管另一端滑动连接配合，在右转接块与右挤压块之间连接有若干高强拉伸弹簧；在所述左转接块和右转接块的外侧表面均开设有U型钢插槽，U型钢插槽与U型钢插接配合，所述左转接块、右转接块与插接的U型钢之间均通过螺栓组件进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，其特征在于：所述二维负刚度结构带由若干负刚度单胞结构件矩阵式排列组合而成；所述负刚度单胞包括圆形连接器、支撑杆、负刚度曲梁及支撑直梁；所述支撑杆数量为六根，六根支撑杆沿圆形连接器周向呈辐射状均布设置，在每根支撑杆的外端均固连有一根负刚度曲梁，且支撑杆的外端与负刚度曲梁的拱顶相连，负刚度曲梁的开口朝外，所述支撑直梁连接在负刚度曲梁的两条直臂之间。
3.根据权利要求2所述的一种可重复缓冲减振与吸能耦合作用的负刚度巷道O型棚支护，其特征在于：所述负刚度曲梁的形状曲线满足公式w(x) ＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，式中，w(x)为负刚度曲梁拱高方向上任意点坐标，h为负刚度曲梁的拱高，x为负刚度曲梁跨长方向上任意点坐标，l为负刚度曲梁的跨长。
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