CN117072216A - 一种位移可恢复抗爆锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移可恢复抗爆锚杆，包括套筒、杆体、限位板和弹簧，所述的套筒内部管腔的右端设有内螺纹，所述的限位板安装在套筒右端开口处，限位板与套筒的内螺纹螺纹连接，限位板7的中部设有通孔；所述的杆体穿设在限位板7的通孔中，杆体左端固定连接有端部滑块1，所述端部滑块位于套筒管腔内部右端；杆体的中部活动套设有剪切滑块，剪切滑块位于套筒5管腔内部且位于内螺纹的左端外部，剪切滑块的外径大于内螺纹的内径；所述的弹簧套设在杆体上，且弹簧位于端部滑块与剪切滑块之间；所述杆体右端为自由段。本发明能够实现变形的韧性恢复，具有缓冲吸能功能，可以在锚固结构上提升地下衬砌结构的抗爆能力。

Description

一种位移可恢复抗爆锚杆

技术领域

本发明涉及地铁隧道围岩抗爆支护技术领域，具体为一种位移可恢复抗爆锚杆。

背景技术

地铁作为目前解决城市拥堵的有效交通工具，也是城市平战结合的重要人防工程，因此成为恐怖分子实行恐怖活动的多选目标。为预防恐怖爆炸活动所造成的人防设施破坏，地下结构应具有足够的抗爆能力。地铁隧道作为地铁交通设施的主干结构，造价高，养护困难，使用周期长，一旦发生恐怖爆炸活动，将会造成不可估量的损失。

由于爆炸波在地层内部传播，受到地层及支护结构的影响，产生的空气冲击波传播规律异于在自由大气中传播，冲击波遇到地下衬砌结构的作用后产生反射、叠加，其产生的超压峰值远远大于自由场中的压力。为了增强地下空间衬砌结构的抗爆能力，通用的方法是增加地下衬砌结构的刚度、厚度，以提高结构刚性的方式来抵抗爆炸波的冲击。这种方法建设成本高，抗爆能力的提升没有考虑到锚固结构，因此，单纯依靠增加地下衬砌结构的刚度、厚度来提高结构的抗爆能力并不是最好的办法。为了提高地下空间衬砌结构的抗爆能力，最经济的方法是使用柔性让抗的支护形式，使爆炸荷载能量通过结构变形释放吸收一部分，然后再通过刚性结构抵抗剩余的爆炸荷载，因此需要一种针对于现有技术不足之处的改进方案。

发明内容

针对背景技术指出的问题，本发明的目的是提出一种位移可恢复抗爆锚杆，其通过对锚固结构中最为关键的锚杆结构进行改进，使锚杆具备柔性让抗能力，在爆炸荷载作用下既能够高效耗能，又能在弹性元件的作用下稳定回弹，从而可以在锚固结构上提升地下衬砌结构的抗爆能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种位移可恢复抗爆锚杆，包括套筒、杆体、限位板和弹簧，所述的套筒整体为左端封闭的金属直圆管结构，其内部管腔的右端设有内螺纹，所述内螺纹的内径大于管腔内径；所述的限位板安装在套筒右端开口处，限位板与套筒的内螺纹螺纹连接，限位板7的中部设有通孔；所述的杆体穿设在限位板7的通孔中，杆体左端固定连接有端部滑块1，所述端部滑块位于套筒管腔内部右端；杆体的中部活动套设有剪切滑块，剪切滑块位于套筒5管腔内部且位于内螺纹的左端外部，剪切滑块的外径大于内螺纹的内径；所述的弹簧套设在杆体上，且弹簧位于端部滑块与剪切滑块之间；所述杆体右端为自由段。

所述的杆体右端设有垫板和螺母，垫板套设在杆体上，螺母与杆体右端螺纹连接，垫板和螺母用于对杆体施加预应力。

所述的端部滑块由40Cr钢制成，其外径大于弹簧的外径。

所述的弹簧为模具压簧，其材质为SWOSC-V合金钢。

所述的剪切滑块由40Cr钢制成，剪切滑块的厚度大于内螺纹的两倍螺距。

所述的套筒其外侧壁的两侧对称焊接有多个钢筋头，用于增加锚杆锚固段和围岩之间的锚固力。

所述的套筒包括筒体和堵头，堵头与筒体左端螺纹连接。

本发明的原理：

在爆炸荷载作用下，地下衬砌结构受到冲击，垫板随地下衬砌结构拉伸，垫板通过杆体带动端部滑块移动，端部滑块先对套筒内的模具压簧进行压缩，模具压簧达到压缩极限时，模具压簧挤压剪切滑块，剪切滑块对内螺纹进行剪切，内螺纹阻止剪切滑块向自由段方向滑动。锚杆整体工作过程分为三个阶段，分别为线弹性运动阶段和位移恢复阶段，根据地下衬砌结构作用在垫板上的爆炸荷载大小决定位移可恢复锚杆可达到的工作阶段。

本发明在实际使用时，自由段通过垫板固连岩体外侧或者地下衬砌结构，锚固在围岩岩体内的锚固段具有位移可恢复的弹性阻尼结构以及提高支护能力的塑性变形结构，实现爆炸冲击荷载在短时间作用后，锚固段的位移可恢复，相较于普通的锚杆，位移可恢复抗爆锚杆在爆炸荷载作用下既能够高效耗能，又能在弹性元件的作用下稳定回弹，具有较强的柔性让抗能力，可大幅提高地下衬砌结构的抗爆性能。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.位移可恢复抗爆锚杆的杆体通过垫板与地下衬砌结构连接或者连接岩体外侧，在爆炸荷载作用下，地下衬砌结构或者岩体的变形通过杆体传递到套筒内部模具压簧，能够实现变形的韧性恢复，具有缓冲吸能功能，现场施工可根据实际需求增加或减少位移可恢复抗爆锚杆的数量，使地下衬砌结构支护满足预定的抗爆等级。

2.位移可恢复抗爆锚杆做成可组装结构，端部滑块、模具压簧、剪切滑块、杆体、限位板均为可拆卸构件，可以实现现场灵活组装，以应对现场装配时不同级别抗力的需求。另外，构件均可重复使用，有效节约了研究时间和经济成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为锚杆的分段示意图。

图3为套筒、杆体与弹簧的断面图；

图4为套筒、杆体与内螺纹的断面图；

图5为地下衬砌结构支护的抗爆加固图。

图6为荷载小于弹簧极限压力时的静载抗拔力试验结果图。

图7为荷载大于弹簧极限压力但小于内螺纹极限抗剪力时的静载抗拔力试验结果图。

图8为荷载大于内螺纹极限抗剪力但作用力未传递至限位板时的静载抗拔力试验结果图。

图9为荷载大于内螺纹极限抗剪力且作用力充分传递至限位板时的静载抗拔力试验结果图。

图中：1-端部滑块，2-弹簧，3-剪切滑块，4-内螺纹，5-套筒，6-杆体，7-限位板，8-垫板，9-螺母，10-钢筋头，11-地下衬砌结构。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

如图1-4所示，本发明提出一种位移可恢复抗爆锚杆，包括套筒5、杆体6、限位板7和弹簧2，所述的套筒5整体为左端封闭的金属直圆管结构，其内部管腔的右端设有内螺纹4，所述内螺纹4的内径大于管腔内径；所述的限位板7安装在套筒5右端开口处，限位板7与套筒5的内螺纹螺纹连接，限位板7的中部设有通孔；所述的杆体6穿设在限位板7的通孔中，杆体6左端固定连接有端部滑块1，所述端部滑块1位于套筒5管腔内部右端；杆体6的中部活动套设有剪切滑块3，剪切滑块3位于套筒5管腔内部且位于内螺纹4的左端外部，剪切滑块3的外径大于内螺纹4的内径；所述的弹簧2套设在杆体6上，且弹簧2位于端部滑块1与剪切滑块3之间；所述杆体6右端为自由段，其用于连接地下衬砌结构11，也可直接固定连接洞室围岩内壁。具体的，在本发明的一个实施例中，套筒5及限位板7均由Q235钢制成，杆体6为40号钢制成。

所述的杆体6右端设有垫板8和螺母9，垫板8套设在杆体6上，螺母9与杆体6右端螺纹连接，垫板8和螺母9向左移动时，可对杆体6左端的锚固段施加预应力。

所述的端部滑块1由40Cr钢制成，其外径大于弹簧2的外径。端部滑块1与杆体6焊接。

所述的弹簧2为模具压簧，其材质为SWOSC-V合金钢。

所述的剪切滑块3由40Cr钢制成，剪切滑块3的厚度大于内螺纹4的两倍螺距。

所述的套筒5其外侧壁的两侧对称焊接有多个钢筋头10。

所述的套筒5包括筒体和堵头，堵头与筒体左端螺纹连接。

具体的，如图2、图5所示，本发明提出的位移可恢复抗爆锚杆分为锚固段和自由段，其中，锚固段深入围岩内，自由段连接地下衬砌结构11或者连接围岩内壁，地下衬砌结构11可以是混凝土衬砌，也可为波纹钢支护形式的衬砌。

如图6-9所示，在爆炸荷载作用下，本发明所提出的位移可恢复抗爆整体工作过程分为三个阶段，分别为线弹性运动阶段、剪切摩擦运动阶段和位移恢复阶段，锚杆所达到的工作阶段根据地下衬砌结构11传递到垫板上的外部荷载大小决定。

首先，在外部荷载小于弹簧2的极限压力或大于弹簧2的极限压力但小于内螺纹4极限抗剪力时，进行的是常规线弹性运动阶段和位移恢复阶段。常规线弹性运动阶段又分为两个阶段：弹性元件压缩阶段和内螺纹弹性形变阶段，在外部荷载作用下端部滑块1首先对弹簧2产生挤压，使其产生弹性变形，当外部荷载超过弹簧2的极限压力，则继续推动剪切滑块3对内螺纹4进行弹性挤压，此时内部各组件无塑性破坏产生，只进行线弹性运动，随后端部滑块1在弹簧2的回弹作用下进行位移恢复。此过程全程未产生塑性破坏，所以位移恢复阶段的荷载位移曲线与线弹性运动阶段重合。

当外部荷载大于内螺纹4的极限抗剪力时，剪切滑块3号会对内螺纹4进行剪切耗能，此时为剪切摩擦运动阶段。此时荷载位移曲线为波浪形，内螺纹4尖端位置产生塑性剪切破坏，此运动阶段也是耗能阶段。直至整个内螺纹4耗能阶段被全部剪切破坏，剪切滑块3继续对限位板7挤压，进行第三次线弹性运动阶段，最后在模具压簧2的回弹作用下推动端部滑块1进行位移恢复阶段。

本发明的一个实施例中，套筒5管腔内部右端的内螺纹4为锯齿形螺纹，通过设置不同螺距尺寸，可产生不同的耗能效果。限位阀7具有与内螺纹4尺寸一致的外螺纹，便于在内螺纹4号全部剪切耗能完成后，锁紧剪切滑块3，继续起到常规强度锚杆的支护作用。为了增加锚固段的锚固性能，在位移可恢复锚杆的套筒两侧壁焊接若干钢筋头10。

正如背景技术中所描述的，恐怖爆炸荷载作用引起地下空间工程振动，使锚杆外锚头垫板与锚固部位脱离，造成地下工程锚固力降低。为了降低这一现象产生的不利影响，本发明在“先压后剪”吸能设计理念不变的情况下，设计出了以上结构形式，然后通过静载性能试验对本发明进行了制备材料和结构形式的验证，经过试验可见，在其耗能段完全发挥作用后，仍能继续产生常规强度锚杆的锚固作用。

因此，本发明提出的位移可恢复抗爆锚杆，在加固地下衬砌结构时，对地下工程的抗爆具有积极作用，可以起到提高地下衬砌结构的变形承载能力，有效吸收爆炸荷载作用下的冲击能，避免地下衬砌结构产生局部失稳，从而有效提高地下衬砌结构的抗爆支护能力。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种位移可恢复抗爆锚杆，包括套筒（5）、杆体（6）、限位板（7）和弹簧（2），其特征是：所述的套筒（5）整体为左端封闭的金属直圆管结构，其内部管腔的右端设有内螺纹（4），所述内螺纹（4）的内径大于管腔内径；所述的限位板（7）安装在套筒（5）右端开口处，限位板（7）与套筒（5）的内螺纹螺纹连接，限位板（7）的中部设有通孔；所述的杆体（6）穿设在限位板（7）的通孔中，杆体（6）左端固定连接有端部滑块（1），所述端部滑块（1）位于套筒（5）管腔内部右端；杆体（6）的中部活动套设有剪切滑块（3），剪切滑块（3）位于套筒（5）管腔内部且位于内螺纹（4）的左端外部，剪切滑块（3）的外径大于内螺纹（4）的内径；所述的弹簧（2）套设在杆体（6）上，且弹簧（2）位于端部滑块（1）与剪切滑块（3）之间；所述杆体（6）右端为自由段。

2.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的杆体（6）右端设有垫板（8）和螺母（9），垫板（8）套设在杆体（6）上，螺母（9）与杆体（6）右端螺纹连接，垫板（8）和螺母（9）用于对杆体（6）施加预应力。

3.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的端部滑块（1）由40Cr钢制成，其外径大于弹簧（2）的外径。

4.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的弹簧（2）为模具压簧，其材质为SWOSC-V合金钢。

5.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的剪切滑块（3）由40Cr钢制成，剪切滑块（3）的厚度大于内螺纹（4）的两倍螺距。

6.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的套筒（5）其外侧壁的两侧对称焊接有多个钢筋头（10），用于增加锚杆锚固段和围岩之间的锚固力。

7.根据权利要求1所述的一种位移可恢复抗爆锚杆，其特征是：所述的套筒（5）包括筒体和堵头，堵头与筒体左端螺纹连接。