CN116829787A - 防护结构以及用于这种防护结构的金属防护网 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于土建工程的防护结构，其包括至少一个金属防护网，该金属防护网包括多个细长阻力元件，该细长阻力元件成线材、绳索或索缆的形式，其中，该多个细长阻力元件中的至少一些由具有超弹性性能的材料来制造。

Description

防护结构以及用于这种防护结构的金属防护网

技术领域

本发明涉及用于防护地质不稳定事件(例如落石、雪崩或泥石流)的结构的领域。

本发明特别针对包括至少一个金属防护网的防护结构而开发。

背景技术

在山区中，已知提供用于防护地质不稳定或水文地质不稳定事件的结构，在该地质不稳定或水文地质不稳定事件中，由于自然和不可预测的原因(例如滑坡、雪崩或泥石流波)而存在材料(例如岩石、石头、碎屑或雪)从上游区朝向下游区的意外运动。这些防护结构通常包括至少一个金属网，该金属网防止或延迟材料沿下游方向的运动。

对落石或泥石流的防护是基础设施、建筑物、货物和人员的安全和恢复能力的关键因素。即使最小的滑坡或泥石流也能够产生严重的破坏和使用中断，并因此产生巨大的经济损失。对于在积雪山区可能发生的雪崩的破坏和不利影响也是这样。

近年来，公共管理机构越来越关注“落石”事件，该“落石”事件的特征在于尺寸在0.02m³至5m³之间的石块以能够达到和有时超过30m/s的速度而脱开和随后向下游运动，从而引起对下面结构的严重损坏。该事件还代表了对于所有结构、建筑和连接路线的公共安全的相关问题，这些结构、建筑和连接路线位于经受这些事件的区间的关注区域中。

过去，在涉及被动防护防止落石的干预措施中，主要有由金属板构成的特殊刚性屏障，例如并不是非常柔性的结构，该结构通过拦截和保持岩石而将耗散冲击能量的功能留给构成具有由钢制造的刚性元件的结构的材料。

最近，越来越普遍地使用由金属网制造并与绳索在适用时连接的更柔性屏障。适合安装在潜在的不稳定斜坡上的这些系统用于通过金属网来拦截和阻挡岩石块的下落，该金属网允许冲击力通过索缆和其他连接元件的复杂系统而传递至基础结构。不过，这种结构经受频繁维护，并可能更换在落石之后已经变形的部件，这将在结构的一些部分中产生不可逆塑性变形的潜在累积。另外，应当注意，在当前状态下，这些结构的测试将委托进行真实大小的冲击测试，这是评估每种类型的屏障的真实功效所必需。这些测试在时间和费用方面都非常困难。

在一些涉及落石危险的情况下，安装岩石保持覆盖物或表面稳定网很有利。这些防护结构包括网，该网固定在岩石斜面的表面上，以使得从壁上脱离的岩石能够掉落至斜面的底部，同时总是保持容纳在岩石和覆盖物网之间。这种防护结构的示例在来自同一申请人的WO 2005/038143和WO 2011/030316中介绍。

在其他落石危险的情况下，由于技术问题、地形问题、经济问题或接近问题，安装岩石保持覆盖物或表面稳定网并不有利。在这些情况下，有效的解决方案包括根据可用空间而沿岩石斜面或在斜坡的底部安装岩石保持屏障。这些屏障定位成用于拦截和阻挡岩石和石头的下落，从而通过结构的一些部件的塑性变形而耗散在冲击时传递的能量。

岩石保持屏障的基本特征在于拦截结构(网)、支承结构(立柱和支持绳索)和制动系统，该制动系统由牺牲元件构成，所谓的制动器或耗散器，它们将变得伸展，从而极大地耗散引入的能量。目前使用的能量耗散系统通常基于金属(铝、钢)的塑化或者在接触表面之间的摩擦。不过显然，在由具有可以与设计能量(projected energy)相比较的能量的岩石冲击之后，将记录结构的永久变形(该永久变形限制了它的性能水平)，因为该结构在随后冲击的情况下不能承受额外的变形，直到提供为更换变形的元件，从而在冲击之前再次呈现初始几何构造。

岩石保持屏障的性能水平通常以屏障的拦截能量和拦截高度来表示，该拦截高度将理解为在屏障的下部绳索和上部绳索之间的最小距离。

标准ETAG 0271确定了用于认证岩石保持屏障的两种不同的性能水平。称为MEL(最大能量水平)的第一水平使得屏障能够拦截和阻挡以最大能量水平(100％)来撞击屏障的物质，该物质相对于初始高度具有>50％的残余高度。称为SEL(服务能量水平)的第二性能水平使得屏障能够拦截和阻挡以等于MEL的30％的能量水平来撞击屏障的两个连续物质(没有任何维护)。在这种情况下，残余高度必须相对于初始高度>70％。

考虑到屏障的残余高度的显著减小(在事件的下游具有给定大小)，必须执行特别的维护操作，该维护操作将更换制动器和任何其他损坏部件，从而恢复屏障的初始几何构造。所有这些都涉及较高的管理成本，还考虑到岩石保持屏障通常安装在岩石斜面上，通常在偏远和难以接近的地方。

岩石保持屏障的示例在同一申请人的EP 0940503中介绍。还存在已知的屏障，用于防护由于洪水而落下的碎屑(成泥浆和水基质或岩石基质)，它们能够安装在斜坡上(开放斜坡以及在山谷和峡谷内)，且它们根据形态而使用立柱或不使用立柱。这种屏障的示例在来自同一申请人的WO 2014/141096中介绍。

在这些已知类型的防护结构中，一个最大的缺点是需要在结构受到显著大小的冲击之后完全或部分地更换防护结构。更换可以完全或部分地涉及金属网或它的锚固部件，或者在屏障的情况下，涉及网或耗散元件的支持绳索或支承绳索。由于防护结构的位置(该防护结构通常安装在陡峭的斜面、不可接近的斜坡或难以接近的隔离区上)，这些维护操作很昂贵，且通常非常困难。

因此，在本领域中，认识到需要关于防护结构的性能水平的改进解决方案，它减少了对更换、修理或维护的需要和频率，且即使在用于防护撞击事件的一个或多个操作之后也能够高效和长期的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种防护结构和/或在防护结构中使用的金属防护网，例如用于泥石流的岩石保持屏障或控制屏障，它克服了现有技术的缺点。本发明的另一目的是提高防护结构(例如岩石保持屏障)的性能水平。另一目的是提供一种防护结构和/或金属防护网，它即使在受到材料例如岩石、碎屑、雪等的重大和反复冲击之后也保持单独的阻挡特性。本发明的另一目的是提高防护结构(例如岩石保持屏障)的性能水平。另一目的是提供一种防护结构和/或金属防护网，它即使在受到材料例如岩石、碎屑、雪等的重大和反复冲击之后也保持单独的阻挡特性。另一目的是提供一种防护结构、防护网和/或金属防护网，其经济和在一段时间中耐用，并能够降低维护成本。

在上述目的中，具体目的是提供一种防护结构，例如岩石保持屏障，其中保证了结构的重新定心，也就是说，在碰撞或冲击结束且一旦负载已经移除，防护结构返回至预先存在状态，此外产生集中在网中并局限于几个限制区域的塑化。另一具体目的是防止更换在岩石保持屏障中的耗散器或制动器(与岩石保持屏障一起提供)以及防止在通过高能量内能(能够与计划内能相比较)的冲击之后重新定位结构。

这些目的和其他目的通过具有附加权利要求中指示的特征的防护结构和/或防护网来实现。

本发明基于这样的原理：根据所谓的智能材料例如形状记忆合金，岩石的动能转换成防护结构的多个部件(特别是防护网或它的部分和/或支承部件或它的部分)的变形能。这种材料通常使用首字母缩略词SMA(形状记忆合金)来表示，且特征是在这些金属合金的典型弹性范围内的变形范围内(例如但非限定的，大约8％至10％)发生变形时将可逆伸长。在申请人开发的创新使用时，这种材料用于防护结构中，以便经受弹性变形，从而耗散能量和限制传递至锚固部件的力。当移除冲击负载时，由SMA型合金制造的元件再次呈现它的初始几何构造，从而至少局部消除产生的变形。因此，这种创新方法具有显著的优点。首先，在没有任何更换变形耗散元件的情况下，一旦移除负载作用，就保证在冲击结束时防护结构恢复初始构造。因此，这涉及降低在使用时的维护成本。

本发明的独创性通过缺乏关于使用SMA材料的性质来提高当前防护结构(例如岩石保持屏障等)的技术的可能性的研究和/或出版物而得到证实。因此，本发明设置成相对于当前现有技术有重大创新，因为它除了保证上述的技术和经济优势之外还引入了能够解决现有标准解决方案的典型问题的高度创新元件。

本发明中涉及的这种防护结构可以包括(但并不局限于)岩石保持屏障、雪保持屏障、混合岩石保持屏障、雪捕捉器或加固捕捉器、用于皮质增强的网、用于防止碎片掉落的网以及这种类型的其它结构。在WO 2005/038143、WO 2011/030316，WO 2018/146516，WO2014/141096和WO 2021/053592中介绍了能够修改以便包括在本发明中或以便包含本发明的元件的结构和/或防护网的示例，这些文献被本文参引。

附图说明

通过下面参考附图对优选实施例的详细说明，将理解另外的特征和优点，附图通过非限制示例来给出，且附图中：

-图1是包含本发明方面的、成岩石保持屏障形式的防护结构的透视图；

-图2是用于与图1的结构类似的防护结构的支承绳索的不同实施例的透视图；

-图3表示了图2的支承绳索细节，该支承绳索处于不经受负载的构造，其中，超弹性材料元件处于未负载和未变形的状态；以及

-图4表示了图3的相同细节，处于经受负载的构造，其中，超弹性材料元件处于具有最大变形的负载状态。

具体实施方式

现在参考图1，防止落石的防护屏障10(也称为岩石保持屏障)包括网面板12，该网面板12由固定在地面上的立柱14来支承。一系列绳索16a在顶部以连续方式支承网12，优选是穿过立柱14的上端。一个或多个绳索16b以纵向连续的方式与网12的下端连接，优选是穿过立柱14的基部。绳索16a和16b固定在锚固部件18上，该锚固部件18固定在地面上。立柱14还优选是通过绳索19而与屏障上游的其他锚固部件18连接。在所示实施例中，防护屏障10没有沿绳索16a、16b和19的制动器或耗散器。网面板12优选是构造有防护网，该防护网是具有由绳索制造的环或面板的类型，且可以附加具有双扭转或单扭转的金属网。

防护屏障10的一个或多个部件(例如绳索16a、16b或19中的全部或一些)由具有超弹性性能的材料来制造，它的主要特征包括经受大弹性变形(大约8％至10％)的固有能力，通过移除负载状态(也就是说，通过移除影响工作的岩石)而恢复初始构造，且没有任何实质的残余变形。更具体地说，能够使用一种或多种具有超弹性性能的金属合金，例如但非限制，铜/锌/铝Cu-Zn-Al、铜/铝/镍Cu-Al-Ni、铁/锰/硅Fe-Mn-Si、钛/镍Ti-Ni的金属合金，例如具有55.9％Ni和44.1％Ti的合金，商业上称为镍钛诺，它有良好的超弹性性能，也就是说，吸收更大弹性变形能量的能力，以及产生更大耗散能力的高迟滞。这些合金还选择为用于它们优异的耐疲劳性和耐腐蚀性，这使得它们特别适合高效地用于与外部环境直接接触的应用以及用于本发明的防护结构。

如上所述具有超弹性性能的材料由线材、索缆或绳索来形成，这些线材、电缆或绳索进行编织、交织或者在任何情况下与防护结构的防护网连接。例如，它能够完全或局部利用SMA材料(例如镍钛诺等)的绳索或线材或制动元件来构造绳索16a、16b、19；这样，在移除冲击负载之后，由于块体冲击而引起的弹性伸长将恢复，且绳索返回至在冲击之前的初始构造，如图1所示。

因此，屏障再次呈现初始几何构型，特别是拦截高度，而并不更换任何部件。所有这些都代表了维护成本的显著降低，从而保证维持屏障所能够提供的安全水平。

这种初始状态的恢复能够限制为与表示为SEL(工作能量水平)的性能水平相对应的能量，或者能够达到表示为MEL(最大能量水平)的水平：达到两个极限能够通过由SMA合金制造的绳索16a和/或16b和/或19的尺寸来实现，或者还通过将常规耗散元件与由SMA合金制造的绳索16a和/或16b和/或19相组合来实现。

除了由SMA材料制造的绳索之外或者也可选择，能够在网面板12中交织由SMA类型合金的线材来制造的一个或多个环。防护结构也能够利用SMA材料的杆或其他细长元件来增强，这些杆或其他细长元件叠置在防护网上或与防护网交织。例如，能够构造具有网面板的防护网，该网面板由一个双扭转类型的网来构造，具有一个或多个弹性增强元件，该弹性增强元件与网交织，插入它的网格中和/或结合在由SMA材料制造的一个或多个双扭转节点中。

图2表示了支承绳索20的特殊实施例，该支承绳索20适用于支承防护结构10，该防护结构10类似于图1中所示的防护结构，或者更通常是包括由立柱支承的网的防护结构，例如混合防护结构，其中，网在它的顶部由立柱支承，并在下部部分自由。

在图2的示例中，绳索20由两个绳索部分20a、20b形成，这两个绳索部分20a、20b在防护结构领域中通常已知类型的耗散器或制动器21区域中彼此连接。如下面将更清楚，耗散器或制动器21的存在对于本发明目的并不是必需，绳索20也能够不与它一起提供，因此能够构造成单件。而且，绳索20并不必须只由一件或两件来制造，或者由两件来制造，而是也能够通过将多件、多段或多部分的绳索串联和/或并联地连接在一起而构造。优选是，绳索20是由钢制造的金属绳索。

绳索20通过锚固部件18而固定在地面上。在另一端处，绳索结构20固定在立柱14的上端21上。根据本领域已知的各种技术，绳索20在它的两端处分别固定在地面和立柱14上的类型能够是与所示不同的类型。

当耗散器或制动器21设置在绳索20上时，耗散器或制动器21适用于吸收例如滑坡(该滑坡包含防护结构)的冲击能量。所示耗散器或制动器21包括彼此并排的两个金属管22，且两个相应绳索部分20a、20b在该金属管22中延伸，绳索部分20a、20b的端部在耗散器或制动器21的相对侧处凸出。定位在金属管22的端部处的两个压缩头部23也由绳索部分20a、20b穿过，终端24固定在该绳索部分20a、20b的端部。

绳索部分20a、20b上的牵引力推动终端24抵靠压缩头部23，该压缩头部23再按压在管22上，从而当牵引力足够大时将使得管22塑性变形。在管22变形时将吸收和消散作用在防护结构上的高冲击能量。

在绳索20上还设置有阻尼部件25，该阻尼部件25弹性地响应在绳索20上的牵引应力直到给定大小(由于具有较小能量的冲击)，另外，耗散器或制动器21能够起作用。阻尼部件25包括置于绳索20上的两个固定位置28之间的弹性段26。固定位置28能够通过卷曲在绳索20上的两个金属套筒或者通过功能类似类型的连接装置来构造。弹性段26能够由具有超弹性性能的材料(例如上述类型的镍钛诺)的一个或多个绳索部分来构成，这些绳索部分相对于彼此串联和/或并联地布置。

从图3中还能够看出，在非变形构造中，弹性段26具有在绳索20上的两个固定位置28之间的长度LI。该长度LI是基于弹性段26的材料和防护结构的特征来确定。例如，弹性段26在固定位置28之间的长度L1能够是大约1m，尽管不排除它可以小于或大于1m。两个终端29保证弹性部分26在受到牵引力时不会磨损或从固定位置28脱离。

绳索20具有在两个固定位置28之间的阻力部分30，该阻力部分30的长度L2大于弹性段26的未变形长度L1。优选是，长度L2小于该长度加上弹性段26将经受永久塑性变形的长度。通常，长度L2比L1大大约8％至10％，这意味着对于长度L1等于1m的弹性段26，阻力部分30具有大约从1.08至1.10m的长度L2。

在弹性段26的非变形构造中，当绳索20不经受任何牵引力时，在固定位置28之间的阻力部分30保持松动，如图2和图3所示。图4表示了极限情况，其中，绳索20经受这样的牵引力，使得弹性段26经受它的最大预定伸长，在该最大预定伸长下，它的变形保持在超弹性范围内。当达到该极限时，绳索的阻力部分30拉紧。当绳索20上的牵引力增加时，负载由阻力部分30支承，从而防止弹性段26塑性变形。当绳索20上的负载结束时，弹性段26弹性地返回到初始状态。当牵引力并不太高时，绳索20返回到先前存在的状态，准备进行新的干预，而不需要更换任何部件。当绳索20上的牵引力必须非常高时，在达到图4所示的极限状态之后，耗散器或制动器21(当存在时)开始操作，其中，金属管22的变形如已知起作用，以便吸收作用在防护结构上的冲击能量。

尽管图2表示了支承立柱14的一个绳索19，但是设置有阻尼器25的该绳索的形成也能够重复用于防护结构的一个或多个其他支承绳索，也就是说，以连续方式在顶部支承网12的绳索16a或以纵向连续方式与网12的下端连接的绳索16b。当然，在本发明的原理保持不变的情况下，实施例的形式和构造的细节能够相对于所述和所示进行广泛变化，而并不脱离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于土建工程的防护结构，所述防护结构包括至少一个金属防护网，所述金属防护网包括多个细长阻力元件，所述细长阻力元件成线材、绳索或索缆的形式，其中，所述多个细长阻力元件中的至少一些由具有超弹性性能的材料来制造。

2.根据权利要求1所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的细长阻力元件是金属防护网的线材。

3.根据权利要求1或2所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的细长阻力元件形成环，所述环交织，以便形成具有环的网面板或具有环的网面板的一部分。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的细长阻力元件是绳索，所述绳索以相对于金属防护网交织或编织的方式来布置。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的细长阻力元件是用于将防护结构锚固在地面上的索缆或绳索的部分。

6.根据前述任意一项权利要求所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的材料从以下组中选择，所述组包括铜/锌/铝(Cu-Zn-Al)金属合金、铜/铝/镍(Cu-Al-Ni)金属合金、铁/锰/硅(Fe-Mn-Si)金属合金和钛/镍(Ti-Ni)金属合金。

7.根据权利要求6所述的防护结构，其中：具有超弹性性能的材料是具有55.9％的Ni和44.1％的Ti的合金。

8.根据前述任意一项权利要求所述的防护结构，其中：成线材、绳索或索缆形式的所述多个细长阻力元件中的至少一个包括：弹性段，所述弹性段由具有超弹性性能的材料来制造；以及线材、绳索或索缆的阻力部分，所述阻力部分最初布置成松散，并在所述部分或部件旁边，以便在弹性段延伸时扩展，直到在达到预定极限时结束弹性段的延伸，所述预定极限小于弹性段的塑性变形极限。

9.根据权利要求8所述的防护结构，其中：限制由具有超弹性性能的材料来制造的弹性段延伸的线材、绳索或索缆部分具有比超弹性部分的长度大大约8％至10％的长度。

10.一种金属网，所述金属网包括多个细长阻力元件，所述多个细长阻力元件成线材、绳索或索缆的形式，并彼此交织，其中，所述多个细长阻力元件中的至少一些由具有超弹性性能的材料来制造。

11.根据权利要求10所述的金属网，其中：由具有超弹性性能的所述材料来制造的一个或多个环交织。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的金属网，其中：所述金属网由叠置在网上或与网交织的杆或其他细长增强元件例如绳索或索缆来增强，所述杆或细长元件完全或局部由具有超弹性性能的材料来制造。

13.根据权利要求12所述的金属网，其中：网是双扭转类型的，具有一个或多个弹性增强元件，所述弹性增强元件与网交织、插入网的网格中和/或结合在网的一个或多个双扭转节点中，所述弹性增强元件由具有超弹性性能的所述材料来制造。