本發(fā)明涉及一種滾石防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其設(shè)計(jì)方法，特別是一種防治山區(qū)坡面滾石災(zāi)害的耗能式防護(hù)結(jié)構(gòu)體及其設(shè)計(jì)方法，屬于山區(qū)災(zāi)害防治工程、路橋工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

交通路線的建設(shè)需要經(jīng)過(guò)山嶺地區(qū)，在這些地區(qū)進(jìn)行道路建設(shè)涉及到大量的邊坡開(kāi)挖和支護(hù)問(wèn)題，邊坡危巖崩塌、滾石等問(wèn)題突出。尤其在事故多發(fā)地區(qū)，大量滾石、落石常將道路撞毀甚至傷及生命，即造成事故又阻斷搶險(xiǎn)。對(duì)于滾石的防護(hù)有兩種，一種是主動(dòng)防護(hù)，是在源頭上阻止?jié)L石出現(xiàn)，還有一種是被動(dòng)防護(hù)，是在滾石下落途中將其攔截，避免落到地面而造成損失。然而由于大多滾石發(fā)生區(qū)的地形都是山高路險(xiǎn)，主動(dòng)防護(hù)不易實(shí)施，因而我國(guó)對(duì)邊坡危巖落石的處理方法多采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行邊坡防護(hù)。

現(xiàn)有防護(hù)系統(tǒng)中的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)由下部基礎(chǔ)、金屬柔性網(wǎng)、鋼柱、連接構(gòu)件四個(gè)主要部分構(gòu)成，通過(guò)利用系統(tǒng)的變形能力，延長(zhǎng)落石對(duì)攔截系統(tǒng)的作用時(shí)間，以此來(lái)削弱沖擊力，同時(shí)不斷吸收和消化沖擊動(dòng)能，達(dá)到防護(hù)落石的目的。但通過(guò)理論分析與工程實(shí)踐都表明普通被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)存在以下技術(shù)缺陷：一是金屬柔性網(wǎng)柔度有余但強(qiáng)度不足，在面臨高速高能滾石沖擊時(shí)其常被一次性直接擊穿而發(fā)生破壞；二是一方面落石沖擊在鋼柱上，由于鋼柱的強(qiáng)度不足因此會(huì)導(dǎo)致鋼柱被直接破壞；另一方面當(dāng)滾石未砸在防護(hù)面正中，沿防護(hù)面偏向沖擊時(shí)，通常會(huì)使金屬柔性網(wǎng)向鋼柱傳遞不均勻荷載，常導(dǎo)致一側(cè)鋼柱因承受較大彎--扭作用而發(fā)生扭曲破壞，達(dá)不到預(yù)期的防護(hù)作用；三是金屬柔性網(wǎng)及減壓環(huán)屬于非模塊生產(chǎn)構(gòu)件，當(dāng)柔性網(wǎng)被擊穿破壞后，整體防護(hù)結(jié)構(gòu)就全部處于癱瘓狀態(tài)，在維護(hù)時(shí)需將防護(hù)網(wǎng)全部拆除，維護(hù)復(fù)雜并且浪費(fèi)資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過(guò)耗能來(lái)減損直面滾石危害的防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體，以及該防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)，其技術(shù)方案如下：

一種耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)，布置有滾石發(fā)生的山體坡面，其特征在于：包括兩級(jí)耗能結(jié)構(gòu)，第一級(jí)耗能結(jié)構(gòu)是耗能板裝置，第二級(jí)耗能是耗能活塞裝置；所述耗能板裝置包括迎坡向布置的耗能面板，耗能面板通過(guò)鉸接架固定在滾石沖擊區(qū)，所述耗能面板是金屬柵格框架內(nèi)填充耗能材料塊單體；耗能面板通過(guò)拉索與耗能活塞裝置的活塞桿連接，耗能活塞裝置的活塞氣缸固定在非滾石沖擊區(qū)，活塞氣缸有排氣閥門。

上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)采用兩級(jí)耗能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第一級(jí)耗能結(jié)構(gòu)采用耗能板裝置。耗能板裝置以耗能面板為滾石的受力沖擊面，通過(guò)耗能面板內(nèi)填充的耗能材料塊單體對(duì)滾石沖擊能量形成第一級(jí)減損，耗能面板通過(guò)鉸接架固定在坡面上，鉸接支撐體系不僅可以滿足系統(tǒng)整體柔性的需要，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安裝傾角的調(diào)節(jié)，提高不同邊坡條件下耗能面板的有效攔截高度。第二級(jí)耗能結(jié)構(gòu)采用活塞裝置，利用活塞氣缸中氣體的體積變化做功耗能?；钊麠U通過(guò)拉索與耗能面板連接，因而耗能面板受滾石沖擊后，未能被耗能材料消耗的沖擊能量經(jīng)拉索傳遞給活塞桿，使活塞耗能裝置啟動(dòng)并工作，形成對(duì)滾石沖擊能量的第二級(jí)減損。連接兩級(jí)耗能結(jié)構(gòu)的拉索除承擔(dān)沖擊能量傳遞外，還可平衡系統(tǒng)中的荷載。系統(tǒng)中的耗能活塞裝置中，活塞氣缸有排氣閥門，當(dāng)氣缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)高于排氣閥門閾值時(shí)，氣缸向外排氣。在活塞運(yùn)動(dòng)中能夠?qū)崿F(xiàn)首先壓縮做工與其后的放氣做功，因而是一種彈塑雙階段活塞裝置，能夠更好地耗能。拉索一般可選用拉錨繩。

依現(xiàn)場(chǎng)條件需要，拉索可以包括轉(zhuǎn)向滑輪，方便其連接的兩級(jí)耗能裝置分別有效地固定在不同位點(diǎn)。同時(shí)，依現(xiàn)場(chǎng)條件需要，耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)一般可包括多個(gè)耗能板裝置，此時(shí)，耗能面板呈錯(cuò)位排列的方式布置在滾石沖擊區(qū)，形成對(duì)滾石的包圍式攔擋。

第一級(jí)耗能裝置的固定是防護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵之一，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)既依賴其承受沖擊能量的同時(shí)完成第一級(jí)耗能，又依賴其有效傳輸剩余沖擊能量到第二級(jí)耗能裝置。在耗能板裝置中，金屬柵格框架通過(guò)立柱與鉸接架連接；立柱是灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)，包括中心鋼性管與中心鋼性管外套裝的外層鋼性管，中心鋼性管與外層鋼性管之間等間距布置中間鋼性管并填充混凝土，中間鋼性管分別與中心鋼性管外壁、外層鋼性管內(nèi)壁相切。采用鋼管作為支撐鋼柱架的主要材料，可以利用鋼管在任何一個(gè)截面的慣性矩都相同，且易于設(shè)置連接構(gòu)造，也方便對(duì)其進(jìn)行熱浸鍍鋅，達(dá)到良好防銹效果的優(yōu)點(diǎn)。

以上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在優(yōu)選設(shè)計(jì)中，耗能材料塊單體加工成預(yù)制件，采用夾心結(jié)構(gòu)，包括上、下層鋼板與中間耗能材料層。耗能材料層的耗能材料一般是發(fā)泡型耗能材料，如泡沫鋁、泡沫塑料、泡沫橡膠等。

上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的第二級(jí)耗能裝置——耗能活塞裝置是利用活塞壓縮與排氣中氣體體積、壓強(qiáng)的改變實(shí)現(xiàn)彈塑雙階段做工、達(dá)到減損滾石沖擊能量的目的。經(jīng)拉索傳輸?shù)胶哪芑钊b置的剩余沖擊能量轉(zhuǎn)變成拉索的拉力，拉動(dòng)與拉索連接的活塞桿使活塞產(chǎn)生位移，活塞氣缸內(nèi)氣體體積壓縮、氣壓增加。當(dāng)活塞內(nèi)氣體壓力低于排氣閥門的設(shè)計(jì)閾值時(shí)，活塞處于恒溫壓縮階段，即活塞處于氣體壓縮做功耗能階段，此時(shí)沖擊能量被壓縮氣體以“彈性能”形式儲(chǔ)存。當(dāng)活塞氣缸內(nèi)氣體壓力持續(xù)增加達(dá)到設(shè)計(jì)閾值時(shí)，活塞桿停止位移，排氣閥門打開(kāi)，活塞裝置向外恒壓放氣，即活塞處于放氣做功耗能階段，此時(shí)沖擊能量慢慢被消耗。整個(gè)耗能活塞裝置的兩階段耗能設(shè)計(jì)一方面能夠提高結(jié)構(gòu)的耗能力度，另一方面能夠?qū)哪芑钊b置進(jìn)行保護(hù)?；钊麣飧滓话阃ㄟ^(guò)錨固裝置固定在非滾石沖擊區(qū)。

進(jìn)一步地，活塞氣缸內(nèi)氣壓高于外部氣壓，這樣可以使活塞氣缸內(nèi)外部氣壓產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)差。當(dāng)活塞裝置靜止未發(fā)生耗能做功時(shí)，活塞氣缸內(nèi)部氣壓較外部氣壓高，可以維持活塞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)耗能活塞裝置中設(shè)置多組活塞氣缸與活塞桿時(shí)保證各組活塞桿聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是，活塞桿與活塞框架連接，活塞框架布置在活塞氣缸外，拉索與活塞框架連接。這樣，拉索拉動(dòng)活塞框架，并可帶動(dòng)所有活塞桿同時(shí)位移?；钊蚣芸梢允莾蓚€(gè)呈十字交叉的矩形框架。矩形框架一端連接活塞桿，另一端連接拉索。當(dāng)耗能活塞裝置包括至少一組活塞氣缸與活塞桿時(shí)，活塞框架通過(guò)連接鋼筋并聯(lián)成一體后與拉索連接。

本發(fā)明還提供上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明提供的耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先用于耗能材料塊單體規(guī)格的設(shè)計(jì)，其技術(shù)方案如下：

耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：用于耗能材料塊單體規(guī)格的設(shè)計(jì)，所述耗能材料塊單體是四棱柱，底面是邊長(zhǎng)b的正方形，厚度z；依如下步驟實(shí)施：

步驟s1、獲取基本數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并收集滾石直徑、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，確定滾石的特征直徑d85、特征沖擊速度v85，經(jīng)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試確定耗能材料塊單體材料屈服平臺(tái)應(yīng)力σy、耗能材料塊單體材料用于耗能的屈服平臺(tái)應(yīng)變量εδ；

步驟s2、確定耗能材料塊單體邊長(zhǎng)b與厚度z

依式1計(jì)算確定耗能材料塊單體邊長(zhǎng)b

b＝i*d85式1

式中，i——尺寸系數(shù)，取值1.5，

d85——滾石的特征直徑，單位m，步驟s1確定；

聯(lián)立式2～式5計(jì)算確定耗能材料塊單體厚度z：

a＝b²式5

式中，e85——多數(shù)情況下滾石的特征能量，單位j，

a——耗能材料塊單體底面面積，單位m²，

σy——耗能材料塊單體材料屈服平臺(tái)應(yīng)力，單位pa，步驟s1確定，

εδ——耗能材料塊單體材料用于耗能的屈服平臺(tái)應(yīng)變量，無(wú)量綱量，步驟s1確定，

v85——常規(guī)情況下，滾石特征沖擊速度，單位m/s，步驟s1確定，

m85——常規(guī)情況下，與滾石特征直徑對(duì)應(yīng)的滾石特征質(zhì)量，單位kg，步驟s1確定，

ρ——滾石密度，單位kg/m³，步驟s1確定。

上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是用于耗能材料塊單體規(guī)格的設(shè)計(jì)，完成耗能材料塊單體邊長(zhǎng)與厚度的設(shè)計(jì)。其原理在于：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查勘察及必要數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得出災(zāi)害點(diǎn)內(nèi)常規(guī)滾石運(yùn)動(dòng)的特征，主要數(shù)據(jù)包括滾石的主要運(yùn)動(dòng)方向、特征直徑d85、特征沖擊速度v85(小于該直徑/速度的滾石數(shù)量占總數(shù)量的85％)，以及極限情況下滾石下落時(shí)的最大沖擊速度vmax、最大直徑dmax。對(duì)常規(guī)滾石的沖擊(85％的情形下)，防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)耗能面板中耗能材料塊單體的壓縮變形來(lái)消耗能量，即滾石的沖擊能量轉(zhuǎn)化為耗能材料塊單體的塑性能。為保證滾石對(duì)耗能材料塊單體的沖擊都落在耗能材料的耗能緩沖范圍內(nèi)，因此耗能材料塊單體的邊長(zhǎng)b需要大于滾石直徑。

采用上述方法完成對(duì)耗能材料塊單體規(guī)格的設(shè)計(jì)后，便可通過(guò)工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)加工耗能材料塊單體預(yù)制件送到施工實(shí)現(xiàn)安裝使用。

上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法完成的是整個(gè)耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)第一級(jí)耗能結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)設(shè)計(jì)，可以承載災(zāi)害點(diǎn)內(nèi)常規(guī)情形下(85％水平)的滾石危害。當(dāng)滾石出現(xiàn)極限情況時(shí)，也就是全部耗能材料塊單體進(jìn)入屈服階段仍不能消耗所有的滾石沖擊能量，此時(shí)剩下的滾石能量則通過(guò)拉索傳遞給第二級(jí)耗能結(jié)構(gòu)，由耗能活塞裝置完成能量消耗。因此，上述設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步地需完成耗能活塞裝置重要參數(shù)的設(shè)計(jì)。工程實(shí)踐中，金屬柵格框架內(nèi)填充的耗能材料塊單體數(shù)量n根據(jù)金屬柵格框架的規(guī)格確定，金屬柵格框架的規(guī)格根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)工程實(shí)場(chǎng)地形條件確定。耗能活塞裝置中活塞氣缸的數(shù)量n與活塞氣缸底面積s0根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)工程現(xiàn)場(chǎng)地形條件確定。也即在完成耗能活塞裝置重要參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)。因此，在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，n、n、s0三參數(shù)給定，進(jìn)一步對(duì)彈塑雙段耗能活塞裝置重要參數(shù)的設(shè)計(jì)具體是完成排氣閥門閥值壓強(qiáng)pn、活塞氣缸長(zhǎng)度l0的設(shè)計(jì)。

為完成耗能活塞裝置重要參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先在步驟s1中還獲取參數(shù)：金屬柵格框架內(nèi)填充的耗能材料塊單體數(shù)量n，耗能活塞裝置中活塞氣缸的數(shù)量n、活塞氣缸底面積s0、排氣閥門閥值壓強(qiáng)pn、，滾石在極限情況下最大直徑dmax、最大沖擊速度vmax，經(jīng)鋼材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定活塞氣缸抗拉強(qiáng)度σb、根據(jù)常規(guī)測(cè)量方法確定活塞氣缸材料密度ρ1，根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格確定活塞氣缸材料單價(jià)up，由活塞氣缸底面積s0換算確定活塞氣缸直徑d；繼續(xù)步驟s3、s4、s5、s6；

步驟s3、確定拉索傳遞力f0、活塞氣缸初始?jí)簭?qiáng)p0

依式6計(jì)算確定拉索傳遞力f0

f0＝a×σy×n式6

式中，f0——全部耗能材料塊單體屈服時(shí)拉繩傳遞的力，單位n，

n——金屬柵格框架內(nèi)填充的耗能材料塊單體數(shù)量，步驟s1確定，

依式7計(jì)算確定活塞氣缸初始?jí)簭?qiáng)p0

p0＝f0/(n×s0)式7

式中，p0——活塞氣缸中氣體初始?jí)簭?qiáng)，單位mpa，

n——活塞氣缸的數(shù)量，步驟s1確定，

s0——活塞氣缸底面積，單位m²，步驟s1步驟，；

步驟s4、耗能活塞裝置總耗能e1

聯(lián)立式8～式10計(jì)算確定由耗能活塞裝置的總耗能e1

e1＝emax-n×e85式8

式中，e1——由耗能活塞裝置消耗的總能量，單位j，

emax——滾石在極限情況下最大沖擊能，單位j，

mmax——極限情況下滾石的最大質(zhì)量，單位kg，

vmax——極限情況下滾石的最大沖擊速度，單位m/s，步驟s1確定，

dmax——極限情況下滾石的最大直徑，單位m，步驟s1確定；

步驟s5、確定排氣閥門閥值壓強(qiáng)pn

步驟s51、確定活塞氣缸材料成本c

聯(lián)立式11、式12、式13求解得活塞氣缸材料單位長(zhǎng)度成本解析式c＝f(pn·s0)

c＝up×w式11

w＝πsρ1(2d+s)式12

式中，c——活塞氣缸材料成本，單位元，

up——活塞氣缸材料單價(jià)，單位元/kg，步驟s1確定，

w——活塞氣缸材料單位長(zhǎng)度質(zhì)量，單位g/cm³，依式12確定，

s——活塞氣缸材料厚度，單位mm，依式13確定，

pn——排氣閥門閥值壓強(qiáng)，單位kpa

d——活塞氣缸直徑，單位m，步驟s1確定，

e——自然常數(shù)，

σb——活塞氣缸材料抗拉強(qiáng)度，單位mpa，步驟s1，

j——安全系數(shù)，根據(jù)工程實(shí)際取值，一般取值5，

ρ1——活塞氣缸材料密度，單位g/cm³，步驟s1確定；

步驟s52、確定拉索的安全系數(shù)k

由式14、式15求解得拉索的安全系數(shù)k解析式k＝f(pn·s0)

k＝pn×s0式15

式中，k——拉索的安全系數(shù)，

[f]——拉索容許拉力，單位kn，一般取1.5f0，

f——活塞壓縮過(guò)程所承受的壓力，單位kn；

步驟s53、根據(jù)活塞氣缸材料成本c曲線c＝f(pn·s0)、拉索安全系數(shù)k曲線k＝f(pn·s0)，結(jié)合活塞氣缸底面積s0求解共同解pn；

步驟s6、確定活塞氣缸(22)的長(zhǎng)度l0

依式16求解得解析式ln＝f(l0)

式中，pn——排氣閥門閥值壓強(qiáng)，單位mpa，步驟s5確定，

l0——活塞氣缸的長(zhǎng)度，單位m，

ln——活塞氣缸內(nèi)氣體壓縮做功結(jié)束后活塞距底面的距離，單位m；

將ln＝f(l0)與式17～式19聯(lián)立求解得解析式lf＝f(l0)

en＝(p0+pn)(n×s0×l0-n×s0×ln)/2式17

ef＝pn(n×s0×ln-n×s0×lf)式18

ef＝e1-en式19

式中，en——壓縮做功耗能量，單位j，

ef——活塞放氣耗能量，單位j，

lf——活塞放氣耗能結(jié)束后距活塞底面的長(zhǎng)度，單位m；

將lf＝f(l0)代入式20～式22計(jì)算確定活塞氣缸長(zhǎng)度l0

l0＞δl1+δl2式20

δl1＝l0-ln式21

δl2＝ln-lf式22

式中，δl1——活塞壓縮耗能對(duì)應(yīng)的壓縮量，單位m，

δl2——活塞放氣耗能對(duì)應(yīng)的壓縮量，單位m。

上述設(shè)計(jì)方法的原理在于：當(dāng)?shù)谝患?jí)耗能結(jié)構(gòu)全部耗能材料塊單體進(jìn)入屈服階段仍不能消耗所有的滾石沖擊能量，此時(shí)剩下的滾石能量通過(guò)拉索傳遞給第二級(jí)耗能結(jié)構(gòu)，由彈塑雙段耗能活塞裝置完成能量消耗。在這一過(guò)程中，耗能材料塊單體發(fā)生較大變形，而活塞氣缸中氣體充滿不可壓縮氣體，因而不會(huì)發(fā)生能量消耗；鉸接架通過(guò)下面的鉸支結(jié)構(gòu)可以發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是并不發(fā)生損傷或破壞。耗能面板由于采用金屬柵格框架且耗能材料塊單體以單層方式鋪設(shè)，因而金屬柵格框架內(nèi)耗能材料塊單體之間相互影響小，每一個(gè)耗能材料塊單體都能發(fā)揮最大的耗能功效。彈塑雙段耗能活塞裝置的做功耗能過(guò)程通過(guò)活塞桿位移也即活塞氣缸內(nèi)氣體高度來(lái)衡量。

上述設(shè)計(jì)方法，步驟s53中曲線c＝f(pn·s0)與曲線k＝f(pn·s0)的共同解pn求取可以采用繪制分別各自曲線并得到曲線交點(diǎn)的方法，或者采用回歸分析求得pn。

采用上述耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法完成耗能結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)后，可以再以耗能材料塊單體規(guī)格為基礎(chǔ)結(jié)合常規(guī)方法完成金屬柵格框架規(guī)格的設(shè)計(jì)，以活塞氣缸規(guī)格為基礎(chǔ)結(jié)合常規(guī)方法完成活塞框架規(guī)格的設(shè)計(jì)，在工廠內(nèi)完成各部件的預(yù)制加工后運(yùn)輸?shù)綖?zāi)害點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)。

本發(fā)明防護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工的基本過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)勘查滾石爆發(fā)區(qū)位置、道路受滾石災(zāi)害危害區(qū)域以及滾石直徑和速度等設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)滾石沖擊區(qū)位置確定耗能面板以及活塞氣缸錨固裝置的位置及高度等參數(shù)。繼而在滾石沖擊區(qū)安裝預(yù)制的鉸接架、耗能面板，在金屬柵格框架內(nèi)填充耗能材料塊單體。最后，在設(shè)計(jì)位點(diǎn)進(jìn)行耗能活塞裝置及其錨固裝置的安裝，并通過(guò)拉索將耗能面板與活塞桿、活塞框架連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提供了一種包括兩級(jí)耗能結(jié)構(gòu)的滾石防護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中兩級(jí)耗能裝置分別采用兩種不同的能量消耗方式，能夠根據(jù)滾石沖擊發(fā)生的過(guò)程與運(yùn)動(dòng)特征分別有效地發(fā)揮耗能作用，提高了系統(tǒng)整體的耗能效率。(2)系統(tǒng)中兩種耗能裝置發(fā)揮耗能功能的作用原理與過(guò)程不同，兩者相結(jié)合使得整體系統(tǒng)能夠達(dá)到外形“松散”但內(nèi)部“有機(jī)”的關(guān)系，提高了系統(tǒng)安裝在不同滾石災(zāi)害點(diǎn)時(shí)可以根據(jù)地形條件合理科學(xué)規(guī)劃各裝置、部件位置從面提高系統(tǒng)整體效能的目標(biāo)。第二級(jí)耗能活塞裝置采用彈塑雙段耗能做工的活塞提高整個(gè)系統(tǒng)的耗能效率與穩(wěn)定性。(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，主要部件均可依實(shí)際工況先期進(jìn)行工廠標(biāo)準(zhǔn)化定制生產(chǎn)，再在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同防護(hù)對(duì)象與地形條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭建組裝，具有廣泛適應(yīng)性。同時(shí)，施工速度快，工程質(zhì)量容易控制，勞動(dòng)強(qiáng)度低，能在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易施工的在高山峽谷區(qū)應(yīng)用，且便于搶險(xiǎn)救災(zāi)。(4)本發(fā)明耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)為模塊化生產(chǎn)安裝，可實(shí)現(xiàn)對(duì)受損構(gòu)件有針對(duì)性替換，極大的降低工程運(yùn)行期的維護(hù)成本，解決了傳統(tǒng)滾石防護(hù)系統(tǒng)不易修復(fù)維護(hù)，或者修復(fù)維護(hù)成本高的問(wèn)題。(5)本發(fā)明提供了耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)依工況設(shè)計(jì)中需要完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是耗能面板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是立柱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是耗能材料塊單體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是耗能活塞裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是耗能活塞裝置結(jié)構(gòu)頂面結(jié)構(gòu)示意圖(示單只活塞氣缸)。

圖7是本發(fā)明的統(tǒng)計(jì)參數(shù)速度的正態(tài)分布圖。

圖8是本發(fā)明的統(tǒng)計(jì)參數(shù)滾石半徑的正態(tài)分布圖。

圖9是排氣閥門閥值確定曲線圖。

附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是：

1耗能板裝置11耗能面板111金屬柵格框架1111立柱11111中心鋼性管11112外層鋼性管11113中間鋼性管112耗能材料塊單體1121上、下層鋼板1122耗能材料層12鉸接架13拉索2耗能活塞裝置21活塞桿22活塞氣缸23活塞框架24連接鋼筋25錨固裝置

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1所示，加工一種耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)。

圖1是耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是耗能面板結(jié)構(gòu)示意圖。耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)，布置有滾石發(fā)生的山體坡面，包括兩級(jí)耗能結(jié)構(gòu)，第一級(jí)耗能結(jié)構(gòu)是耗能板裝置1，第二級(jí)耗能是耗能活塞裝置2；所述耗能板裝置1包括迎坡向布置的耗能面板11，耗能面板11通過(guò)鉸接架12固定在滾石沖擊區(qū)，所述耗能面板11是金屬柵格框架111內(nèi)填充耗能材料塊單體112；耗能面板11通過(guò)拉索13與耗能活塞裝置2的活塞桿21連接，耗能活塞裝置2的活塞氣缸22固定在非滾石沖擊區(qū)，活塞氣缸22有排氣閥門。金屬柵格框架111通過(guò)立柱1111與鉸接架12連接。拉索13包括轉(zhuǎn)向滑輪。

圖3是立柱1111剖面結(jié)構(gòu)示意圖。立柱1111是灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)，包括中心鋼性管11111與中心鋼性管11111外套裝的外層鋼性管11112，所述中心鋼性管11111與外層鋼性管11112之間等間距布置中間鋼性管11113并填充混凝土，所述中間鋼性管11113分別與中心鋼性管11111外壁、外層鋼性管11112內(nèi)壁相切。

圖4是耗能材料塊單體112結(jié)構(gòu)示意圖。耗能材料塊單體112是夾心結(jié)構(gòu)，包括上、下層鋼板1121與中間耗能材料層1122。本實(shí)施方式中，耗能材料層1122采用泡沫鋁。

圖5是耗能活塞裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是耗能活塞裝置結(jié)構(gòu)頂面結(jié)構(gòu)示意圖(示單組活塞氣缸)。耗能活塞裝置2的活塞桿21與活塞框架23連接，活塞框架23布置在活塞氣缸22外，拉索13與活塞框架23連接?；钊蚣?3是兩個(gè)呈十字交叉的矩形框架。活塞氣缸22內(nèi)氣壓高于外部氣壓。本實(shí)施方式中，耗能活塞裝置包括活塞氣缸22與活塞桿21，活塞桿21通過(guò)連接鋼筋24并聯(lián)成一體后與拉索13連接。活塞氣缸通過(guò)錨固裝置25固定在非滾石沖擊區(qū)。活塞氣缸22內(nèi)充有惰性氣體以保證內(nèi)部氣壓高于外部氣壓。

整個(gè)耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)的耗能板裝置1以錯(cuò)位排列的方式布置在滾石沖擊區(qū)。耗能面板11與坡面夾角依照普通滾石防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范確定。

實(shí)施例二

采用本發(fā)明設(shè)計(jì)方法，完成實(shí)施例一中耗能面板11規(guī)格的設(shè)計(jì)。

耗能材料塊單體112采用四棱柱結(jié)構(gòu)，底面是邊長(zhǎng)b的正方形，厚度z。

步驟s1、獲取基本數(shù)據(jù)

對(duì)災(zāi)害點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，收集滾石直徑、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后確定滾石的特征直徑d85＝4m、特征沖擊速度v85＝12m/s。經(jīng)實(shí)場(chǎng)采樣、室內(nèi)試驗(yàn)確定滾石密度ρ＝2500kg/m³。

耗能材料塊單體采用泡沫鋁，經(jīng)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試確定：耗能材料塊單體材料屈服平臺(tái)應(yīng)力σy＝960kpa、耗能材料塊單體材料用于耗能的屈服平臺(tái)應(yīng)變量εδ＝0.6。

步驟s2、確定耗能材料塊單體112邊長(zhǎng)b與厚度z

將i＝1.5、d85代入式1，計(jì)算得到耗能材料塊單體112邊長(zhǎng)b＝6m。

再將b、σy、εδ、ρ、v85、d85代入式2～式5聯(lián)立計(jì)算確定耗能材料塊單體112厚度z＝0.29m。

耗能材料塊單體112填充在金屬柵格框架111內(nèi)，每一個(gè)金屬柵格框架111內(nèi)填充耗能材料塊單體112數(shù)量根據(jù)框架的規(guī)格確定(框架的規(guī)格根據(jù)地形條件確定)。但無(wú)論耗能材料塊單體112采用任何排列方式填充在金屬柵格框架111內(nèi)，每一個(gè)耗能材料塊單體112都必須滿足邊長(zhǎng)b＝6m、厚度z＝0.29m的要求。

由于耗能材料塊單體112的規(guī)格設(shè)計(jì)是以災(zāi)害點(diǎn)d85、v85數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此此時(shí)完成的耗能式滾石防護(hù)系統(tǒng)已可承載災(zāi)害點(diǎn)內(nèi)常規(guī)情形下(85％水平)的滾石危害(圖7、圖8)。系統(tǒng)中第二級(jí)耗能裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)可以憑經(jīng)驗(yàn)完成。

實(shí)施例三

采用本發(fā)明設(shè)計(jì)方法，在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上繼續(xù)完成實(shí)施例一中活塞氣缸22長(zhǎng)度l0的設(shè)計(jì)。

補(bǔ)充完成以下參數(shù)量的確定：本實(shí)施方式中，根據(jù)該地區(qū)災(zāi)害發(fā)生的情況及每個(gè)單體防護(hù)的范圍確定金屬柵格框架111內(nèi)填充的耗能材料塊單體112是以單層3×4的方式排列，共計(jì)n＝12。根據(jù)災(zāi)害地點(diǎn)地形條件確定耗能活塞裝置2中活塞氣缸22數(shù)量n＝10、活塞氣缸22底面積s0＝7m²。測(cè)量確定滾石在極限情況下最大直徑dmax＝10m、最大沖擊速度vmax＝24m/s。根據(jù)鋼材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定活塞氣缸抗拉強(qiáng)度σb＝1200mpa，根據(jù)常規(guī)測(cè)量方法確定活塞氣缸材料密度ρ1＝0.02466g/cm³，由活塞氣缸底面積s0換算確定活塞氣缸直徑d＝2.99m，根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格確定活塞氣缸材料單價(jià)up＝5元/kg。

步驟s3、確定拉索13傳遞力f0、活塞氣缸22初始?jí)簭?qiáng)p0

將n＝12、σy＝960kpa、a＝b²＝36m²代入式6計(jì)算確定拉索13傳遞力f0＝4.15×10⁵kn，再將f0、s0＝7、n＝10代入式7計(jì)算確定活塞氣缸22初始?jí)簭?qiáng)p0＝5.9×10³kpa。

步驟s4、確定耗能活塞裝置2消耗的總耗能e1

將vmax＝24、dmax＝10、ρ、n代入式8～式10，聯(lián)立求解確定e1＝3.05×10⁵kj。

步驟s5、確定排氣閥門閥值壓強(qiáng)pn

根據(jù)工程實(shí)際確定安全系數(shù)j＝5，將d、σb、up、ρ1、π、e代入式11、式12、式13，得到活塞氣缸材料單位長(zhǎng)度質(zhì)量w＝3.35×10^-5(pn·s0)³+1.1km、活塞氣缸材料厚度s＝4·54×10^-7(pn·s0)³+0.015kg/m，得到成本與壓強(qiáng)的表達(dá)式c＝f(pn·s0)為：c＝1.67×10^-4(pn·s0)³+5.5。

將[f]＝1.5f0＝6.225×10⁵kn代入式14、式15求解得拉索安全系數(shù)k解析式k＝f(pn·s0)為

分別繪制c曲線與k曲線并得到兩曲線的交點(diǎn)(圖9)，結(jié)合活塞氣缸底面積s0＝7，從而確定pn＝11.0mpa。

步驟s6、確定活塞氣缸22的長(zhǎng)度l0

將pn、p0、s0代入式16得到解析式ln＝f(l0)＝0.54l0，再與式17～式19聯(lián)立求解得解析式lf＝f(l0)＝0.89l0-0.4，再與式20～式22聯(lián)立求解得l0>0.5m。