CN116289921B - 一种抗震韧性锚杆结构及锚杆结构的抗震方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗震韧性锚杆结构及锚杆结构的抗震方法，该锚杆结构包括锚头、自由段和锚固段，在锚固段上沿其长度方向设有若干个抗震结构，震结构包括限位卡环、以及钢弧片，钢弧片一端与限位卡环固定连接，另一端呈弧形结构逐渐向外延伸，与抗震结构对应位置的锚孔处向外扩张形成扩张孔，钢弧片远离其连接限位卡环的一端与对应位置扩张孔的孔壁相抵接，抗震结构能够在扩张孔内运动，使得钢弧片与扩张孔的孔壁相互挤压接触面积不断变化以进行弹性压缩或弹性复位。本发明具有抵抗一定地震作用的能力，同时在震后能够恢复锚固力并正常工作，进而大大提高锚杆使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及边坡防治抗震技术领域，具体涉及一种抗震韧性锚杆结构及锚杆结构的抗震方法。
背景技术
随着近些年我国交通建设事业的快速发展和路堑高边坡的大量涌现，人工高路堑边坡加固工艺已不断完善起来，锚杆支护边坡的加固形式，也更加广泛的应用于工程实际当中，由于其结构比较简单，施工便捷，适用广泛，在边坡防治工程中，锚杆支护已成为常用的治理措施。
锚杆在使用时一般是安装在框架梁内使用，通过钻孔机在框架梁内部钻出用于锚杆安装的锚孔，然后将锚杆伸入到锚孔内，锚杆结构一般包括锚头、自由段和锚固段，其中，锚杆伸出锚孔的位置为锚头，锚杆在锚孔内的部分根据受力情况分为两段，即锚固段和自由段，其中锚固段提供的巨大锚固力(即锚固段的极限抗拔力)。由于其本身锚杆材料以及采用的锁力措施基本都是刚性结构，允许发生的变形位移较小，形变恢复能力差，对动力破坏作用的抵抗能力较弱。当锚杆支护的边坡地区发生地震时，在地震作用下锚固岩体及锚固段发生变形，此时锚杆极易因变形能力不足或瞬时冲击荷载作用下过载而被拉断，导致锚杆结构发生破坏，一旦锚杆失效便是永久生效，直接影响边坡的稳定性，从而引发边坡失稳破坏。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种具有抵抗一定地震作用的能力，同时在震后能够恢复锚固力并正常工作，进而大大提高锚杆使用寿命的抗震韧性锚杆结构及锚杆结构的抗震方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种抗震韧性锚杆结构，包括锚头、自由段和锚固段，在所述锚固段上沿其长度方向设有若干个抗震结构，所述抗震结构包括套设在所述锚固段上的限位卡环、以及沿所述锚固段周向分布的多个具有弹性的钢弧片，所述钢弧片一端与所述限位卡环固定连接，所述钢弧片的另一端沿所述自由段方向呈弧形结构逐渐向外延伸，与所述抗震结构对应位置的锚孔处向外扩张形成扩张孔，所述钢弧片远离其连接所述限位卡环的一端与对应位置扩张孔的孔壁相抵接，所述抗震结构能够在所述扩张孔内运动，使得所述钢弧片与所述扩张孔的孔壁相互挤压接触面积不断变化以进行弹性压缩或弹性复位。
本发明的工作原理是：本方案的抗震韧性锚杆结构中的钢弧片具有高强度高弹性以及自恢复能力，在地震响应时，锚固段发生位移，由于在锚杆结构的锚固段通过限位卡环固定有钢弧片，能够将锚杆结构上多余的地震力传到钢弧片上，钢弧片与扩张孔的孔壁相互挤压，钢弧片发生压缩弹性变形对锚杆结构产生反方向作用力，从而对锚杆结构起到减震缓冲效果，同时，在地震响应过程中，由于钢弧片与扩张孔孔壁的接触面积不断增加，避免钢弧片因为局部应力过大发生破坏；当地震结束后，钢弧片将回弹恢复受力前的状态，锚杆结构回到初始状态，恢复原有的锚固力，保持地震前的锚固状态。因此，本方案的抗震韧性锚杆结构在整个地震响应过程中，通过抗震结构中钢弧片的压缩-回弹变形作用来起到抗震与自恢复效果，使得本方案的抗震韧性锚杆结构具有抵抗一定地震作用的能力，同时在震后能够恢复锚固力并正常工作，进而大大提高锚杆结构的使用寿命。
优选的，在所述锚固段上沿其长度方向均匀分布有若干个抗震结构，且在与每个抗震结构对应位置的锚孔处均向外扩张形成扩张孔。
这样，通过设置多个抗震结构，能够起到对地震作用力进行分担的效果，避免单个抗震结构受到的作用力过大。
优选的，所述抗震结构包括套设在所述锚固段上的两个限位卡环，所述钢弧片靠近所述限位卡环的一端依次与两个所述限位卡环固定连接。
这样，两个限位卡环可以更好的起到对钢弧片的限位效果。
优选的，所述抗震结构包括沿所述锚固段周向均匀分布的四个钢弧片，且所述钢弧片采用弹簧钢制成。
这样，在锚杆结构受到地震作用力时，由每个扩张孔处的四个钢弧片分别承担，各个扩张孔中每个钢弧片受力均匀分布，确保锚杆结构不会发生偏移，提高抗震效果。
优选的，在与所述锚固段对应位置的锚孔内填充弹性混凝土进行锚固。
这样，锚固段选用弹性混凝土，该材料具有一定弹性，起到吸能抗震作用，在抗震过程中，锚固段的弹性混凝土具有一定弹性，可以达到吸能抗震作用，配合具有高强度高弹性的钢弧片发生局部变形，大大条锚杆结构的抗震增韧效果。
优选的，所述锚杆结构在地震响应过程中的受力F采用如下公式进行表征：
F＝F1+F2+…+Fn
式中：F为锚杆结构在地震作用下整体受力；
Fn为任意扩张孔中的总体受力，其中，n为扩张孔数量；
为扩张孔处某一个钢弧片的受力，其中，m为钢弧片数量。
优选的，所述钢弧片在地震响应过程中的变形特征用如下公式进行表征；
式中：θ为钢弧片的变形转角；
ω为钢弧片的变形挠度；
L为钢弧片固定端到扩张孔孔壁的距离；
Δx为钢弧片与扩张孔接触长度；
E为钢弧片弹性模量；
I为钢弧片截面惯性矩。
优选的，所述钢弧片的截面惯性矩I采用如下公式进行计算：
式中：h为钢弧片的厚度；
b为钢弧片的宽度。
优选的，所述钢弧片的应力值采用如下公式进行计算：
式中：σ为钢弧片的应力值；
M(L)为钢弧片的弯矩；
W为钢弧片的抗弯截面系数。
一种锚杆结构的抗震方法，该抗震方法采用上述的抗震韧性锚杆结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的抗震韧性锚杆结构可以抵抗一定程度的地震力作用以及其他动力作用，具有高韧性以及自恢复能力，在地震作用后锚杆结构能够恢复正常工作，具备较好的抗震韧性功能。
2、本发明提供的抗震结构能在不破坏原有锚杆结构锚固力的前提下，提高锚杆结构抗震性能，延长了锚杆结构的使用寿命。
3、本发明提供的抗震韧性锚杆结构具有施工便捷，结构构造简单，结构成本较低，适宜性较强的优点。
附图说明
图1为本发明抗震韧性锚杆结构的结构示意图；
图2为本发明抗震韧性锚杆结构中抗震结构处的局部放大图；
图3为本发明抗震韧性锚杆结构中抗震结构的立体示意图；
图4为本发明抗震韧性锚杆结构中抗震结构处在抗震响应过程中的状态示意图。
附图标记说明：锚头砼1、锚具2、反力钢垫板3、锚托4、锚杆结构5、锚孔6、扩张孔7、钢弧片8、第一限位卡环9、第二限位卡环10。
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如附图1到附图3所示，一种抗震韧性锚杆结构，包括锚头、自由段和锚固段，锚头包括锚头砼1、锚具2、反力钢垫板3与锚托4，在锚固段上沿其长度方向设有若干个抗震结构，抗震结构包括套设在锚固段上的限位卡环、以及沿锚固段周向分布的多个具有弹性的钢弧片8，钢弧片8一端与限位卡环固定连接，钢弧片8的另一端沿自由段方向呈弧形结构逐渐向外延伸，与抗震结构对应位置的锚孔6处向外扩张形成扩张孔7，钢弧片8远离其连接限位卡环的一端与对应位置扩张孔7的孔壁相抵接，抗震结构能够在扩张孔7内运动，使得钢弧片8与扩张孔7的孔壁相互挤压接触面积不断变化以进行弹性压缩或弹性复位。如附图4所示依次为安装阶段、初始阶段和受力阶段时抗震结构处的状态示意图，通过附图4可以看出，当在受力阶段时，钢弧片8被弹性压缩，与扩张孔7孔壁的接触面积增大，以此来起到抗震缓冲效果。
本发明的工作原理是：本方案的抗震韧性锚杆结构中的钢弧片8具有高强度高弹性以及自恢复能力，在地震响应时，锚固段发生位移，由于在锚杆结构的锚固段通过限位卡环固定有钢弧片8，能够将锚杆结构上多余的地震力传到钢弧片8上，钢弧片8与扩张孔7的孔壁相互挤压，钢弧片8发生压缩弹性变形对锚杆结构产生反方向作用力(如附图4中的受力阶段状态图所示)，从而对锚杆结构起到减震缓冲效果，同时，在地震响应过程中，由于钢弧片8与扩张孔7孔壁的接触面积不断增加，避免钢弧片8因为局部应力过大发生破坏；当地震结束后，钢弧片8将回弹恢复受力前的状态，锚杆结构回到初始状态(如附图4中的初始阶段状态图所示)，恢复原有的锚固力，保持地震前的锚固状态。因此，本方案的抗震韧性锚杆结构在整个地震响应过程中，通过抗震结构中钢弧片8的压缩-回弹变形作用来起到抗震与自恢复效果，使得本方案的抗震韧性锚杆结构具有抵抗一定地震作用的能力，同时在震后能够恢复锚固力并正常工作，进而大大提高锚杆结构的使用寿命。
在本实施例中，在锚固段上沿其长度方向均匀分布有若干个抗震结构，且在与每个抗震结构对应位置的锚孔6处均向外扩张形成扩张孔7。
这样，通过设置多个抗震结构，能够起到对地震作用力进行分担的效果，避免单个抗震结构受到的作用力过大。
在本实施例中，抗震结构包括套设在锚固段上的两个限位卡环，两个限位卡环分别为第一限位卡环9和第二限位卡环10，钢弧片8靠近限位卡环的一端依次与两个限位卡环固定连接。
这样，两个限位卡环可以更好的起到对钢弧片8的限位效果。
又如附图3所示，在本实施例中，抗震结构包括沿锚固段周向均匀分布的四个钢弧片8，且钢弧片8采用弹簧钢制成。
这样，在锚杆结构受到地震作用力时，由每个扩张孔7处的四个钢弧片8分别承担，各个扩张孔7中每个钢弧片8受力均匀分布，确保锚杆结构不会发生偏移，提高抗震效果。
在本实施例中，在与锚固段对应位置的锚孔6内填充弹性混凝土进行锚固。
这样，锚固段选用弹性混凝土，该材料具有一定弹性，起到吸能抗震作用，在抗震过程中，锚固段的弹性混凝土具有一定弹性，可以达到吸能抗震作用，配合具有高强度高弹性的钢弧片8发生局部变形，大大条锚杆结构的抗震增韧效果。
在本实施例中，锚杆结构在地震响应过程中的受力F采用如下公式进行表征：
F＝F1+F2+…+Fn
式中：F为锚杆结构在地震作用下整体受力；
Fn为任意扩张孔7中的总体受力，其中，n为扩张孔7数量；
为扩张孔7处某一个钢弧片8的受力，其中，m为钢弧片8数量。
在本实施例中，钢弧片8在地震响应过程中的变形特征用如下公式进行表征；
式中：θ为钢弧片8的变形转角；
ω为钢弧片8的变形挠度；
L为钢弧片8固定端到扩张孔7孔壁的距离；
Δx为钢弧片8与扩张孔7接触长度；
E为钢弧片8弹性模量；
I为钢弧片8截面惯性矩。
在本实施例中，钢弧片8的截面惯性矩I采用如下公式进行计算：
式中：h为钢弧片8的厚度；
b为钢弧片8的宽度。
在本实施例中，钢弧片8的应力值采用如下公式进行计算：
式中：σ为钢弧片8的应力值；
M(L)为钢弧片8的弯矩；
W为钢弧片8的抗弯截面系数；
一种锚杆结构的抗震方法，该抗震方法采用上述的抗震韧性锚杆结构。
与现有技术相比，本发明提供的抗震韧性锚杆结构可以抵抗一定程度的地震力作用以及其他动力作用，具有高韧性以及自恢复能力，在地震作用后锚杆结构能够恢复正常工作，具备较好的抗震韧性功能。本发明提供的抗震结构能在不破坏原有锚杆结构锚固力的前提下，提高锚杆结构抗震性能，延长了锚杆结构的使用寿命。本发明提供的抗震韧性锚杆结构具有施工便捷，结构构造简单，结构成本较低，适宜性较强的优点。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种抗震韧性锚杆结构，包括锚头、自由段和锚固段，其特征在于，在所述锚固段上沿其长度方向设有若干个抗震结构，所述抗震结构包括套设在所述锚固段上的限位卡环、以及沿所述锚固段周向分布的多个具有弹性的钢弧片，所述钢弧片一端与所述限位卡环固定连接，所述钢弧片的另一端沿所述自由段方向呈弧形结构逐渐向外延伸，与所述抗震结构对应位置的锚孔处向外扩张形成扩张孔，所述钢弧片远离其连接所述限位卡环的一端与对应位置扩张孔的孔壁相抵接，所述抗震结构能够在所述扩张孔内运动，使得所述钢弧片与所述扩张孔的孔壁相互挤压接触面积不断变化以进行弹性压缩或弹性复位。
2.根据权利要求1所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，在所述锚固段上沿其长度方向均匀分布有若干个抗震结构，且在与每个抗震结构对应位置的锚孔处均向外扩张形成扩张孔。
3.根据权利要求1所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述抗震结构包括套设在所述锚固段上的两个限位卡环，所述钢弧片靠近所述限位卡环的一端依次与两个所述限位卡环固定连接。
4.根据权利要求1所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述抗震结构包括沿所述锚固段周向均匀分布的四个钢弧片，且所述钢弧片采用弹簧钢制成。
5.根据权利要求1所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，在与所述锚固段对应位置的锚孔内填充弹性混凝土进行锚固。
6.根据权利要求1所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述锚杆结构在地震响应过程中的受力F采用如下公式进行表征：
F＝F1+F2+…+Fn
式中：F为锚杆结构在地震作用下整体受力；
Fn为任意扩张孔中的总体受力，其中，n为扩张孔数量；
为扩张孔处某一个钢弧片的受力，其中，m为钢弧片数量。
7.根据权利要求6所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述钢弧片在地震响应过程中的变形特征用如下公式进行表征；
式中：θ为钢弧片的变形转角；
ω为钢弧片的变形挠度；
L为钢弧片固定端到扩张孔孔壁的距离；
Δx为钢弧片与扩张孔接触长度；
E为钢弧片弹性模量；
I为钢弧片截面惯性矩。
8.根据权利要求7所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述钢弧片的截面惯性矩I采用如下公式进行计算：
式中：h为钢弧片的厚度；
b为钢弧片的宽度。
9.根据权利要求8所述的抗震韧性锚杆结构，其特征在于，所述钢弧片的应力值采用如下公式进行计算：
式中：σ为钢弧片的应力值；
M(L)为钢弧片的弯矩；
W为钢弧片的抗弯截面系数。
10.一种锚杆结构的抗震方法，其特征在于，该抗震方法采用如权利要求1到9任一所述的抗震韧性锚杆结构。
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