CN115263393A - 一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统 - Google Patents

Abstract

一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，包括锚固杆杆体和与锚固杆杆体配合使用的缓冲套管，锚固杆杆体端部连接设置有连接盘，缓冲套管套设在连接盘的外周，缓冲套管的内壁与连接盘的外周形成缝隙X，该缝隙X使得锚固杆杆体在受到向内或向外的轴向载荷时，连接盘的外周与缓冲套管的内壁之间不产生摩擦阻力，在缓冲套管的内壁制造有多排止挡筋块，多排止挡筋块在缓冲套管的底端和出口端之间排列布置，止挡筋块的侧壁与连接盘的侧壁形成抵接，在锚固杆杆体受到向外的轴向载荷时，通过连接盘将多排止挡筋块依次拉断来形成支护缓冲。本发明避免了混凝土凝固收缩以及环境温度变化导致的缓冲失效，拉断力可控，工作可靠，制造方便。

Description

一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统

技术领域

本发明涉及建筑(E04H)及巷道施工(E21D)技术领域，具体涉及一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统。

背景技术

建筑及巷道施工中大量使用弹性支护锚固系统，弹性支护锚固系统一般是利用锚固杆的变形吸能来减少坍塌及地震等事故带来的破坏，提高支护抗震能力。

锚固系统的支护抗震作用一般取决于锚固杆的变形吸能的能力，锚固杆的变形吸能的能力一般取决于杆体材料，目前经过验证的强度和韧性均佳的材料例如NPR钢材，1米NPR钢材可以拉伸至1.37米，优于传统螺纹钢，但很多施工场合中仅靠钢材本身拉伸能力尚不足以提供足够的弹性支护能力，基于此而开发了带有曲度的蛇形锚固系统和带有缓冲套管的锚固系统，前者由于需要对锚固杆钢材进行变形加工并且安装和施工受曲度大小影响，应用效果并不佳，带有缓冲套管的锚固系统有望能够弥补上述不足。

带有缓冲套管的锚固系统工作原理一般如图1所示，缓冲套管2套设在锚固杆杆体1端部的连接盘3上，缓冲套管2的内壁与连接盘3外周通过预紧产生摩擦力f，在锚固杆杆体1拉伸失效之前，锚固杆杆体1受到的轴向载荷能够克服摩擦力f从而拉动连接盘3相对于缓冲套管2滑动，从而起到缓冲作用。这种结构目前验证中存在的困难是对缓冲套管2和连接盘3的预紧，因为二者必须形成合适的摩擦力f，并且确保摩擦力f在锚固杆杆体1拉伸失效之前被克服，如果锚固杆杆体1已缩颈失效或被拉断而连接盘3尚不能相对于缓冲套管2滑动，就起不到缓冲作用，但实际上，由于施工后混凝土灌注后的凝固收缩影响，以及在环境温度变化条件下套管材料、连接盘材料、混凝土材料不同膨胀/收缩系数影响，施工后一年四季始终保持期望的预紧力并形成合适的摩擦力f是困难的。

发明内容

为了解决背景技术提出的问题，本发明提供一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，通过提供一种带有可拉断的多排止挡筋块的缓冲套管结构替代现有技术中的摩擦缓冲，避免因混凝土凝固收缩以及环境温度变化导致的摩擦力变化和缓冲失效，同时通过优化结构和制造工艺提高使用效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，包括锚固杆杆体和与锚固杆杆体配合使用的缓冲套管，所述锚固杆杆体端部连接设置有连接盘，所述缓冲套管套设在所述连接盘的外周，所述缓冲套管的内壁与所述连接盘的外周形成缝隙X，该缝隙X使得所述锚固杆杆体在受到向内或向外的轴向载荷时，所述连接盘的外周与所述缓冲套管的内壁之间不产生摩擦阻力，在所述缓冲套管的内壁制造有多排止挡筋块，所述多排止挡筋块在所述缓冲套管的底端和出口端之间排列布置，所述止挡筋块的侧壁与所述连接盘的侧壁形成抵接，在所述锚固杆杆体受到向外的轴向载荷时，通过所述连接盘将多排止挡筋块依次拉断来形成支护缓冲。

优选地，所述止挡筋块与所述缓冲套管为一体制造结构。

优选地，在所述止挡筋块的抵接所述连接盘的一侧侧壁根部部位加工有凹槽。

优选地，所述止挡筋块的与抵接所述连接盘的一侧相对的另一侧具有弧形过渡结构，由止挡筋块的底部弧形过渡到根部，宽度逐渐增加。

优选地，相邻两个止挡筋块的间距D与止挡筋块的最大宽度W满足：2W≤D≤5W，止挡筋块的高度H与止挡筋块的最大宽度W满足：1.5W≤H≤2.5W。

优选地，所述止挡筋块的宽度自所述缓冲套管的底端向出口端呈规律变化。

优选地，所述止挡筋块的间距自所述缓冲套管的底端向出口端呈规律变化。

优选地，所述缓冲套管开口端设有封盖，所述封盖穿设或卡合在所述锚固杆杆体上并盖合到所述缓冲套管开口端。

进一步优选地，所述封盖具有盖合到所述缓冲套管开口端外壁的法兰部和伸入到所述缓冲套管开口端内壁的凸台部。

可选地，所述缓冲套管底端设有底盖。

优选地，所述缓冲套管外壁设置提高与灌注材料结合力的凹槽。

进一步优选地，当所述缓冲套管底端设有底盖时，所述底盖在向缓冲套管安装完锚固杆杆体后焊接到或者盖合到所述缓冲套管底端。

一种用于制造上述建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统的方法，直接制造内壁带止挡筋块的缓冲套管，或者，在预先制造的缓冲套管内壁生成止挡筋块。

优选地，在上述方法中，采用增材制造方式制造内壁带止挡筋块的缓冲套管，或者，采用增材制造方式在缓冲套管内壁生成止挡筋块。

本发明的有益效果是：

本发明提供的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，在缓冲套管的内壁与连接盘的外周形成缝隙X，使得锚固杆杆体在受到向内或向外的轴向载荷时，连接盘的外周与缓冲套管的内壁之间不产生摩擦阻力，进而通过在缓冲套管的内壁制造多排止挡筋块，多排止挡筋块在缓冲套管的底端和出口端之间排列布置，止挡筋块的侧壁与连接盘的侧壁形成抵接，从而在锚固杆杆体受到向外的轴向载荷时，通过连接盘将多排止挡筋块依次拉断来形成支护缓冲，避免了原来靠连接盘与缓冲套管之间的预紧和摩擦进行缓冲时因混凝土凝固收缩以及环境温度变化导致的预置摩擦力变化和缓冲失效，而且，在轴向受到双向载荷的反复冲击时，也有一定退让性。同时，本发明通过合理设计止挡筋块的尺寸、结构、间距，使其工作可靠，拉断力可控，通过对止挡筋块和缓冲套管进行一体化设计，优化了制造工艺，可以引进先进的增材制造技术制造所需要的一体结构，减少制造难度，通过封盖等与缓冲套管的配合，进一步为装配和施工提供了便利条件。

附图说明

图1为现有的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统结构原理图。

图2为本发明实施例1提供的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统结构原理图之一。

图3为本发明实施例1提供的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统结构原理图之二。

图4为图2中A处的局部放大视图(缓冲套管上设置止挡筋块的实施方式结构示意图)。

图5为缓冲套管上设置止挡筋块的第1种替代实施方式结构示意图。

图6为缓冲套管上设置止挡筋块的第2种替代实施方式结构示意图。

图7为缓冲套管上设置止挡筋块的第3种替代实施方式结构示意图。

图8为缓冲套管上设置止挡筋块的第4种替代实施方式结构示意图。

图9为对图5进一步标示尺寸关系的结构示意图。

图10为对图8进一步标示尺寸关系的结构示意图。

图11为图2和图3所示的弹性支护锚固系统中的封盖结构示意图。

图12为一种带底盖的弹性支护锚固系统结构原理图。

图13为图12的带底盖的弹性支护锚固系统的一种改型结构原理图。

图14为图2所示的弹性支护锚固系统中止挡筋块布置规律的一种结构示意图。

图15为图3所示的弹性支护锚固系统中止挡筋块布置规律的一种结构示意图。图中各附图标记所代表的组件为：

锚固杆杆体1，缓冲套管2，连接盘3，止挡筋块4，凹槽5，封盖6，盖板部61，法兰部62，凸台部63，通孔64，底盖7。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。

实施例1

图2所示的是本发明实施例1的一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，与图1所示的现有的一种弹性支护锚固系统相同的是，其整体上也是包括锚固杆杆体1和与锚固杆杆体1配合使用的缓冲套管2，锚固杆杆体1端部连接设置有连接盘3，缓冲套管2套设在连接盘3的外周。从图中可以看到，缓冲套管2外壁设置有施工时用于提高与灌注材料(混凝土)结合力的凹槽。

与图1不同的是，本发明不再依赖缓冲套管2的内壁与连接盘3的外周之间的摩擦力f实施缓冲，而是在缓冲套管2的内壁与连接盘3的外周形成缝隙X，该缝隙X使得所述锚固杆杆体1在受到向内或向外的轴向载荷时，所述连接盘3的外周与所述缓冲套管2的内壁之间不产生摩擦阻力，转而通过在所述缓冲套管2的内壁制造有多排止挡筋块4，通过连接盘3将多排止挡筋块4依次拉断来形成支护缓冲。

如图2所示，多排止挡筋块4在缓冲套管2的底端和出口端之间排列布置，止挡筋块4的侧壁与连接盘3的侧壁形成抵接，这种结构可以在锚固杆杆体1受到向外的轴向载荷时，实现上述的通过连接盘3将多排止挡筋块4依次拉断来形成支护缓冲。

虽然在锚固杆杆体1受到向外的轴向载荷时，无论是在锚固杆杆体1开始弹性变形前还是开始弹性变形后都可以发生止挡筋块4的拉断，但显然，优先的时机是锚固杆杆体1开始弹性变形后且尚未开始缩颈失效前发生止挡筋块4的拉断，这样，通过多排止挡筋块4依次拉断来形成支护缓冲。显而易见，锚固杆杆体1因拉伸缩颈即将断裂或发生断裂后如果尚不能将止挡筋块4拉断，缓冲套管2将起不到缓冲作用。

在图2中示出了沿着缓冲套管2的内壁轴向排列着多排止挡筋块4，并且，在缓冲套管2的周向上，至少在图中可以看到上下对齐排列的两个止挡筋块4，显然，在周向上的一圈位置，至少应当有两个止挡筋块4，更佳的是设置更多个止挡筋块4，例如，在图2中与可以看到的上下对齐排列的两个止挡筋块4相隔90度同样也设置两个止挡筋块4，即四个止挡筋块4在周向上的一圈相隔90度均匀布置。应当理解，周向一圈具体设置几个止挡筋块4也应考虑所预设的拉断力因素，而不仅局限于位置和分布。

由于在缓冲套管2的内壁与连接盘3的外周形成缝隙X，并控制该缝隙X即使在缓冲套管2被混凝土包裹以及极端环境气温变化影响下都不会完全闭合，从而使得使得锚固杆杆体1在受到向内或向外的轴向载荷时，连接盘3的外周与所述缓冲套管2的内壁之间不产生摩擦阻力，这里不产生摩擦阻力应当理解为基本不产生摩擦阻力，不是绝对不产生摩擦阻力，如果缝隙X因为缓冲套管2施工后的受力或者缓冲套管2与连接盘3的不同步膨胀/收缩影响而变小逐渐趋近于零(但未达到零)，不排除缓冲套管2的内壁与连接盘3的外周会有局部接触和摩擦，但这种摩擦不足以形成阻止锚固杆杆体1轴向运动的力，则应当视为基本不产生摩擦阻力。当然，控制该缝隙X即使在缓冲套管2被混凝土包裹以及极端环境气温变化影响下都不会完全闭合但又不至于因缝隙X初始值过大而影响锚固系统的装配精度是最佳的选择，可以优选该缝隙X的初始平均值范围在0.2-2.0mm范围。

缝隙X的存在使得在锚固杆杆体1受到向外的轴向载荷时，主要通过连接盘3将多排止挡筋块4依次拉断来形成支护缓冲，而不依赖缓冲套管2与连接盘3之间的摩擦，这样，缓冲作用就基本不会受到施工条件和材料的影响，避免了原来靠连接盘3与缓冲套管2之间的预紧和摩擦进行缓冲时因混凝土凝固收缩以及环境温度变化导致的预置摩擦力变化和缓冲失效，而且，在轴向受到双向载荷的反复冲击时，也有一定退让性。

本实施例的各组件在制造工艺上，优选将止挡筋块4与缓冲套管2设计为一体制造结构。这里需要注意，一体制造仅表示二者在制造后为一体，不代表必然是同时制造，例如，如果止挡筋块4与缓冲套管2是由同一材料直接铸造或者机加工而成，这种情况是一体同时制造，其示例的制造方式可参见图2和图4。又如，如果是先制造出具有光滑内壁的缓冲套管2，然后在缓冲套管2内壁上再制造止挡筋块4，制造后虽然也是一体，但并非是一体同时制造，其示例的制造方式可参见图3和图7。

本实施例优选的加工制造工艺将在实施例3中进行简单介绍。

接下来，参见图5，根据本发明的目的，多个止挡筋块4优选能够提供基本可控的阻力，在止挡筋块4的抵接连接盘3的一侧侧壁根部部位加工出凹槽5将有利于约束止挡筋块4沿着一致的部位和力度被拉断，凹槽5应当横贯止挡筋块4的整个侧面，其深度应结合载荷加载实验来确定。

优选地，如图6或图7所示，在所述止挡筋块4的与抵接所述连接盘3的一侧相对的另一侧设置弧形过渡结构，具体是由止挡筋块4的底部弧形过渡到根部，宽度逐渐增加，这种弧形过渡结构能够增加止挡筋块4的平均有效宽度，保证一定强度，同时由于底部宽度没有明显增加，基本不会对止挡筋块4排列密度产生影响，这是因为如果整体变宽，需要适当增加止挡筋块4的排列间距以防止拉断时卡齿，这样就无法很好保证排列密度。这种弧形过渡结构在制造工艺中的优点将在实施例3中进行介绍。

止挡筋块4的大小和间距应当结合载荷加载实验来确定和优化，如图9和图10所示，当相邻两个止挡筋块4的间距D与止挡筋块4的最大宽度W满足2W≤D≤5W，并且止挡筋块4的高度H与止挡筋块4的最大宽度W满足1.5W≤H≤2.5W时，能够很好满足载荷设计要求且使用中断裂效果可靠。

在图2和图3所示的弹性支护锚固系统中，可以看到缓冲套管2开口端设有封盖6，封盖6能够对缓冲套管2在锚固杆杆体1的定位起一定支撑作用，封盖6可以穿设或卡合在锚固杆杆体1上并盖合到所述缓冲套管2开口端。图11示意了封盖6的一种优选结构，该封盖6具有盖板部61，在盖板部61的边缘是法兰部62，该法兰部62盖合到所述缓冲套管2开口端外壁，在盖板部61的中心是凸台部63，该凸台部63伸入到所述缓冲套管2开口端内壁并与开口端内壁接触，封盖6的这种结构非常适合向锚固杆杆体1上安装，在该封盖6卡入缓冲套管2开口端后，对缓冲套管2在锚固杆杆体1的定位有一定支撑作用。另外，如图12所示，也可以在缓冲套管2底端设底盖7，当整个锚固系统作为一个组装成品使用或销售时，底盖7可以在向缓冲套管2安装完锚固杆杆体1后采用焊接等方式固定连接到缓冲套管2底端，当然，也可以如图13所示，将底盖7也像封盖6一样制作成简单的活动盖体盖合到缓冲套管2底端。

需要说明，缓冲套管2需要高强度材料，例如和锚固杆杆体1同类材料，而封盖6和底盖7并不需要特别选择高强度材料，在施工环节，只要操作得当，封盖6和底盖7也是可以舍去的，因此，封盖6和底盖7不能理解为对本发明方案的限制。

实施例2

在实施例1的介绍中，关于止挡筋块4的宽度，除了在力学上的要求外，并没有进一步限制其规律性，本实施例中，作为优选，使所述止挡筋块4的宽度W自所述缓冲套管2的底端向出口端呈规律变化，当然最好是多排止挡筋块4中每一排的止挡筋块4的宽度W都自所述缓冲套管2的底端向出口端呈规律变化。变化规律如图14和图15所示，止挡筋块4的宽度自所述缓冲套管2的底端向出口端(W1、W2、W3、…、Wn)呈变大趋势。

使止挡筋块4的宽度W自所述缓冲套管2的底端向出口端呈变大规律变化的优点是可以使该弹性支护锚固系统自作用初始到作用后期的阻力逐渐加大(也可以是梯度加大)，从而缓冲效果更佳，作用更明显。

在本实施例的方案中，虽然止挡筋块4的宽度(W1、W2、W3、…、Wn)不再相同，但每个止挡筋块4的宽度仍然是都应当满足在实施例1中已经介绍的力学要求如对拉断时机的力学控制要求。

作为对上述使止挡筋块4的宽度自缓冲套管2的底端向出口端呈规律变化的一种改型(或者也可以是一种组合应用方案)，还可以使所述止挡筋块4的间距D自所述缓冲套管2的底端向出口端呈规律变化，同样多排止挡筋块4中每一排的止挡筋块4的间距D都自所述缓冲套管2的底端向出口端呈规律变化。变化规律则是止挡筋块4的间距D自所述缓冲套管2的底端向出口端呈变小趋势。使止挡筋块4的间距D自缓冲套管2的底端向出口端呈变小规律变化的直接效果是使该弹性支护锚固系统自作用初始到作用后期的阻力点分布逐渐变密(也可以是梯度变密)，起到的也是提高缓冲效果的作用。

实施例3

本实施例提供一种用于制造上述建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统的方法。

由于本发明需要制作一种内外壁均具有三维结构的缓冲套管2，尤其是内壁的止挡筋块4并非现有技术中已有的标准结构，因此，推荐的制造方法是直接制造内壁带止挡筋块的缓冲套管，或者，在预先制造的缓冲套管内壁生成止挡筋块。

虽然传统铸造、机械加工工序或者进一步结合焊接工序可以用来制造本发明中的缓冲套管2。但当批量可控时，优选采用增材制造方式制造该缓冲套管2，具体可以直接采用增材制造方式(SLM)制造内壁带止挡筋块4、外壁带凹槽的缓冲套管2，这种制造方式可以制造例如图2、图4、图5、图6、图8、图9、图10、图14所示结构的缓冲套管2(一体同时制造)，尤其可制造如图6、图8、图10所示结构的缓冲套管2，这是因为在图6、图8、图10所示结构的缓冲套管2中，对止挡筋块4采用了实施例1中介绍的“弧形过渡结构”，这种“弧形过渡结构”有助于在采用以自缓冲套管2的开口端到底端为制造顺序时，以简化的支撑和更高精度对凸出的每个止挡筋块4成型，而且，如果缓冲套管2外壁凹槽设计深度较深，也可以将这种“弧形过渡结构”应用到外壁凹槽，如图8所示。

另外一种可行的增材制造方式是先准备缓冲套管的管状型材(外壁凹槽采用机加工方式制造)，然后采用增材制造方式在缓冲套管的管状型材内壁生成止挡筋块4，这种制造方式不能再采用上面提到的一体同时制造方式，而是需要借助直接金属沉积方式辅助制造，这种制造方式可以制造例如图3、图7、图12、图13、图15所示结构的缓冲套管2(一体非同时制造)，材料成本更低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，包括锚固杆杆体(1)和与锚固杆杆体(1)配合使用的缓冲套管(2)，所述锚固杆杆体(1)端部连接设置有连接盘(3)，所述缓冲套管(2)套设在所述连接盘(3)的外周，其特征在于，所述缓冲套管(2)的内壁与所述连接盘(3)的外周形成缝隙X，该缝隙X使得所述锚固杆杆体(1)在受到向内或向外的轴向载荷时，所述连接盘(3)的外周与所述缓冲套管(2)的内壁之间不产生摩擦阻力，在所述缓冲套管(2)的内壁制造有多排止挡筋块(4)，所述多排止挡筋块(4)在所述缓冲套管(2)的底端和出口端之间排列布置，所述止挡筋块(4)的侧壁与所述连接盘(3)的侧壁形成抵接，在所述锚固杆杆体(1)受到向外的轴向载荷时，通过所述连接盘(3)将多排止挡筋块(4)依次拉断来形成支护缓冲。

2.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述止挡筋块(4)与所述缓冲套管(2)为一体制造结构。

3.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，在所述止挡筋块(4)的抵接所述连接盘(3)的一侧侧壁根部部位加工有凹槽(5)。

4.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述止挡筋块(4)的与抵接所述连接盘(3)的一侧相对的另一侧具有弧形过渡结构，由止挡筋块(4)的底部弧形过渡到根部，宽度逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，相邻两个止挡筋块(4)的间距D与止挡筋块(4)的最大宽度W满足：2W≤D≤5W，止挡筋块(4)的高度H与止挡筋块(4)的最大宽度W满足：1.5W≤H≤2.5W。

6.根据权利要求1-5任一项所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述止挡筋块(4)的宽度自所述缓冲套管(2)的底端向出口端呈规律变化。

7.根据权利要求1-5任一项所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述止挡筋块(4)的间距自所述缓冲套管(2)的底端向出口端呈规律变化。

8.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述缓冲套管(2)开口端设有封盖(6)，所述封盖(6)穿设或卡合在所述锚固杆杆体(1)上并盖合到所述缓冲套管(2)开口端。

9.根据权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统，其特征在于，所述缓冲套管(2)底端设有底盖(7)，所述缓冲套管(2)外壁设置提高与灌注材料结合力的凹槽。

10.一种用于制造权利要求1所述的建筑及巷道施工用弹性支护锚固系统的方法，其特征在于，直接制造内壁带止挡筋块(4)的缓冲套管(2)，或者，在预先制造的缓冲套管(2)内壁生成止挡筋块(4)。

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