一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法
阅读说明：本技术 一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法 (Connecting device of flexible protection system taking tree as support and design method ) 是由 许浒 余志祥 廖林绪 吴承宇 余子涵 齐欣 赵雷 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法,其包括弹簧缓冲器、钢链和耗能器。其中,钢链缠绕树木后两端与弹簧缓冲器相连；弹簧缓冲器通过绳索连接结构与耗能器相连；耗能器通过柔性防护系统的支撑绳接入防护系统中。当系统冲击能量处于正常工作能级范围内,弹簧缓冲器独立工作,产生弹性变形并随着拦截物的清理而恢复；冲击能量超出正常工作能级时,耗能器启动,通过耗能器部件产生塑性变形实现耗能；本发明所述装置利用树木为锚点,降低了柔性防护系统的造价,提高了系统的生态协调性；同时巧妙地融合了缓冲耗能装置,可实现自恢复,提高了系统的韧性。(The invention discloses a connecting device of a flexible protection system taking trees as supports and a design method. Wherein, the two ends of the steel chain are connected with the spring buffer after being wound on trees; the spring buffer is connected with the energy dissipater through a rope connecting structure; the energy dissipater is connected into the protection system through a supporting rope of the flexible protection system. When the impact energy of the system is in the normal working energy level range, the spring buffer works independently to generate elastic deformation and recover along with the cleaning of the intercepted objects; when the impact energy exceeds the normal working energy level, the energy dissipater is started, and energy dissipation is realized by plastic deformation of energy dissipater components; the device of the invention uses trees as anchor points, thereby reducing the manufacturing cost of the flexible protection system and improving the ecological coordination of the system; meanwhile, the buffering energy consumption device is skillfully integrated, self-recovery can be realized, and the toughness of the system is improved.)
技术领域
本发明涉及边坡地质灾害防护领域，特别是涉及一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法。
背景技术
柔性防护系统已经广泛应用于落石、崩塌、滑坡、泥石流等边坡地质灾害的防治中，取得显著成效。柔性防护系统主要部件包括：钢柱、金属拦截网片、耗能器、拉锚系统。系统安装时常通过设置锚杆、浇筑混凝土等方式建立锚固体系用于支撑钢柱，但在坡体表层覆土较厚且土质松散的地区，锚点施工难度大；且钢柱作为系统中质量最大的部件，在某些山区和高陡边坡等不利地质条件下运输、安装难度大；同时，在某些景区景点设置防护系统景观适应性较差，破坏了景点的美感。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法，采用树木为锚固点代替传统的锚固结构还减少了柔性防护系统的耗材，解决了现有技术中边坡柔性防护系统在极端地质条件下锚点施工难度大、钢柱运输和安装难度大、景观适应性差等问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置，其包括用于缠绕固定在树木上的钢链，钢链包括多个相互连接的锯齿型单元；
钢链两端的锯齿型单元上均设置有一个弹簧缓冲器，每个弹簧缓冲器均包括弹簧基座板和拉锚件，弹簧基座板与锯齿型单元固定连接；弹簧基座板和拉锚件之间设置有缓冲弹簧和限位绳，缓冲弹簧的两端分别与弹簧基座板和拉锚件连接；限位绳的两端分别与弹簧基座板和拉锚件连接；缓冲弹簧在自然状态下的长度小于限位绳的长度，缓冲弹簧完全拉伸后的长度大于限位绳的长度；
钢链两端分别连接弹簧缓冲器，弹簧缓冲器再通过绳索连接结构与耗能器相连；耗能器通过柔性防护系统的支撑绳接入防护系统中，本方案中，当防护系统受到较小能量的落石冲击，处于正常工作能级范围内时，弹簧缓冲器独立工作，产生弹性变形并随着落石的清理而恢复；冲击能量超出正常工作能级时，耗能器启动，通过其部件产生塑性变形实现耗能；通过将钢链缠绕固定在树木上，利用树木为锚点，降低了柔性防护系统的造价，提高了系统的生态协调性；同时巧妙地融合了缓冲耗能装置，可实现自恢复，提高了系统的韧性。
进一步地，为了提高韧性连接装置的可装配性，每个锯齿型单元均设置有销轴孔，相邻两个锯齿型单元通过销轴穿过销轴孔连接形成钢链；每个锯齿型单元与树木的接触面上均设置有铝钉，铝钉的长度方向与锯齿型单元的端面垂直；可通过调节锯齿单元的个数以适配树木的外形；铝钉可钉入树木内提供临时支撑同时对树木伤害最小，系统张紧后主要支持力转换为于钢链与树木表面的摩擦作用力。
进一步地，作为弹簧缓冲器的一种具体设置方式，弹簧基座板和拉锚件上均设置有用于连接缓冲弹簧的弹簧连接孔和用于连接限位绳的索孔；拉锚件上设置有用于连接绳索连接结构的拉索连接孔，便于整个韧性连接装置接入柔性防护系统中。为了保证缓冲弹簧在正常工作能级工况下只发生弹性变形，在弹簧基座板与拉锚件之间设置限位绳限制弹簧变形，限位绳的长度等于弹簧基座板与拉锚件之间的距离加上缓冲弹簧的最大弹性变形量。
进一步地，作为弹簧缓冲器连接在边坡柔性防护系统中的一种具体设置方式，绳索连接结构包括一个用于与耗能器连接的第一连接结构和两个分别与两个拉索连接孔连接的第二连接结构；第一连接结构和两个第二连接结构通过卸扣连接形成“Y”字形结构。
进一步地，作为第一连接结构和第二连接结构的具体设置方式，第一连接结构和两个第二连接结构均包括钢丝绳和设置在钢丝绳两端的绳夹，绳夹夹持钢丝绳而形成的半“8”字型的连接环；
第一连接结构中钢丝绳两端的连接环分别与卸扣和耗能器连接；第二连接结构中钢丝绳两端的连接环分别与卸扣和拉索连接孔连接。
进一步地，为了保证小能级，即正常工作能级冲击作用下耗能器不启动，耗能器应选用板式耗能器或棒式耗能器等启动力较大的耗能装置。
本方案还提供一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法，其包括如下步骤：
步骤1：根据边坡柔性防护系统的防护能级，确定防护系统在正常工作能级时支撑绳的最大拉力Fsel1；为了确定耗能器启动阈值，支撑绳在正常工作能级的最大拉力Fsel1应根据实验或者数值计算确定，该值也是耗能器启动阈值，同时也是第一连接结构内力值。
步骤2：根据支撑绳的最大拉力Fsel1，确定耗能器规格；为了选取合适的耗能器规格，采用等式FE＝Fsel1控制耗能器启动力，同时可通过查询相关资料确定不同类型及不同规格耗能器的启动力。
耗能器规格选取应满足下式：
FE＝Fsel1
其中，FE为耗能器启动力，Fsel1为柔性防护系统正常工作能级时支撑绳最大拉力；
步骤3：根据支撑绳的最大拉力Fsel1，确定第二连接结构的最大拉力Fsel2：
式中，α为两个第二连接结构之间的夹角，应根据树木外形大小进行计算；
步骤4：根据支撑绳的最大拉力Fsel1，确定钢链高度h；
钢链高度h即为锯齿型单元的高度h：
式中：B为钢链与树木直接接触的宽度，P为钢链对树木破坏应力，γ为安全系数；在正常工作能级冲击能量范围内，树木不发生破坏，同时，锯齿单元的宽度和厚度应根据构造需求设计。
步骤5：根据第二连接结构的拉力Fsel2，设计弹簧缓冲器；在步骤5中，设计弹簧缓冲器包括以下：
步骤5.1：确定缓冲弹簧的参数；
确定缓冲弹簧的最大工作拉力Ft：
确定弹簧钢筋直径d与弹簧中径D：
式中，D＝Cd，C为缠绕比，τ为初切应力；
确定缓冲弹簧的圈数n：
式中，L为弹簧长度，t为螺距；
确定缓冲弹簧的弹簧刚度k：
式中，G为弹簧钢材料的切变模量；
步骤5.2：确定限位绳的参数：
确定限位绳长度l：
式中：l0为弹簧基座板与拉锚件之间的距离。
步骤6：验证韧性连接装置的缓冲效果和耗能能力是否满足需求，如满足，结束，否则进入步骤1，直至韧性连接装置的缓冲效果和耗能能力满足需求。
设计原则是柔性防护系统工作时受到冲击能量在正常工作能级范围内，只启动弹簧缓冲器实现缓冲；超过正常工作能级时，弹簧缓冲器中缓冲弹簧变形达到最大，即限位绳绷直，并启动耗能器实现耗能。
本发明的有益效果为：当系统冲击能量处于正常工作能级范围内，弹簧缓冲器独立工作，产生弹性变形并随着拦截物的清理而恢复；冲击能量超出正常工作能级时，耗能器启动，通过耗能器部件产生塑性变形实现耗能。本发明装置利用树木为锚点，降低了柔性防护系统的造价，提高了系统的生态协调性；同时巧妙地融合了缓冲耗能装置，可实现自恢复，提高了系统的韧性。
附图说明
图1为一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置的轴侧结构示意图。
图2为一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置的俯视结构示意图。
图3为弹簧缓冲器的结构示意图。
图4为弹簧缓冲器中拉锚件的结构示意图。
图5为弹簧缓冲器中弹簧基座板的结构示意图。
图6为钢链的结构示意图。
图7为绳索连接结构的结构示意图。
其中，1、弹簧缓冲器，2、钢链，3、耗能器，4、绳索连接结构，5、支撑绳，101、缓冲弹簧，102、弹簧基座板，103、拉锚件，104、限位绳，105、弹簧连接孔，106、索孔，107、拉索连接孔，201、锯齿型单元，202、销轴，203、铝钉，204、销轴孔，401、第一连接结构，402、第二连接结构，403、绳夹， 404、钢丝绳，405、卸扣。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～7所示，本发明提供了一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置，其包括用于缠绕固定在树木上的钢链2，钢链2包括多个相互连接的锯齿型单元201；具体的，每个锯齿型单元201均设置有销轴孔204，相邻两个锯齿型单元201通过销轴202穿过销轴孔204连接形成钢链2，可通过调节锯齿单元的个数以适配树木的外形，提高钢链2的可装配性，进而提高整个韧性连接装置的可装配性。
每个锯齿型单元201与树木的接触面上均设置有铝钉203，铝钉203的长度方向与锯齿型单元201的端面垂直；铝钉203可钉入树木内提供临时支撑同时对树木伤害最小，系统张紧后主要支持力转换为于钢链2与树木表面的摩擦作用力。锚点施工难度小，在某些山区和高陡边坡等不利地质条件下运输、安装难度小；同时，在某些景区景点设置防护系统景观适应性较好，不会破坏了景点的美感。
钢链2两端的锯齿型单元201上均设置有一个弹簧缓冲器1，每个弹簧缓冲器1均包括弹簧基座板102和拉锚件103，弹簧基座板102与锯齿型单元201固定连接；弹簧基座板102和拉锚件103之间设置有缓冲弹簧101和限位绳104，缓冲弹簧101的两端分别与弹簧基座板102和拉锚件103连接；限位绳104的两端分别与弹簧基座板102和拉锚件103连接；缓冲弹簧101在自然状态下的长度小于限位绳104的长度，缓冲弹簧101完全拉伸后的长度大于限位绳104 的长度；钢链2两端分别连接弹簧缓冲器1，弹簧缓冲器1再通过绳索连接结构 4与耗能器3相连；耗能器3通过柔性防护系统的支撑绳5接入防护系统中，为了保证小能级，即正常工作能级冲击作用下耗能器3不启动，耗能器3应选用板式耗能器3或棒式耗能器3等启动力较大的耗能装置。
弹簧基座板102和拉锚件103上均设置有用于连接缓冲弹簧101的弹簧连接孔105和用于连接限位绳104的索孔106；拉锚件103上设置有用于连接绳索连接结构4的拉索连接孔107，便于整个韧性连接装置接入柔性防护系统中。为了保证缓冲弹簧101在正常工作能级工况下只发生弹性变形，在弹簧基座板102 与拉锚件103之间设置限位绳104限制弹簧变形，限位绳104的长度等于弹簧基座板102与拉锚件103之间的距离加上缓冲弹簧101的最大弹性变形量。
作为弹簧缓冲器1连接在边坡柔性防护系统中的一种具体设置方式，绳索连接结构4包括一个用于与耗能器3连接的第一连接结构401和两个分别与两个拉索连接孔107连接的第二连接结构402；第一连接结构401和两个第二连接结构402通过卸扣405连接形成“Y”字形结构，作为第一连接结构401和第二连接结构402的具体设置方式，第一连接结构401和两个第二连接结构402均包括钢丝绳404和设置在钢丝绳404两端的绳夹403，绳夹403夹持钢丝绳404 而形成的半“8”字型的连接环；
第一连接结构401中钢丝绳404两端的连接环分别与卸扣405和耗能器3 连接；第二连接结构402中钢丝绳404两端的连接环分别与卸扣405和拉索连接孔107连接。方便第一连接结构401和第二连接结构402的装配和拆卸，安装难度小。
本方案还提供一种以树木为支撑的柔性防护系统的连接装置及设计方法，其包括如下步骤：
步骤1：根据边坡柔性防护系统的防护能级，确定防护系统在正常工作能级时支撑绳5的最大拉力Fsel1；为了确定耗能器3启动阈值，支撑绳5在正常工作能级的最大拉力Fsel1应根据实验或者数值计算确定，该值也是耗能器3启动阈值，同时也是第一连接结构401内力值
步骤2：根据支撑绳5的最大拉力Fsel1，确定耗能器3规格；为了选取合适的耗能器3规格，采用等式FE＝Fsel1控制耗能器3启动力，同时可通过查询相关资料确定不同类型及不同规格耗能器3的启动力。
耗能器3规格选取应满足下式：
FE＝Fsel1
其中，FE为耗能器3启动力，Fsel1为柔性防护系统正常工作能级时支撑绳5 最大拉力；
步骤3：根据支撑绳5的最大拉力Fsel1，确定第二连接结构402的最大拉力 Fsel2：
式中，α为两个第二连接结构402之间的夹角，应根据树木外形大小进行计算；
步骤4：根据支撑绳5的最大拉力Fsel1，确定钢链2高度h；
钢链2高度h即为锯齿型单元201的高度h：
式中：B为钢链2与树木直接接触的宽度，P为钢链2对树木破坏应力，γ为安全系数；在正常工作能级冲击能量范围内，树木不发生破坏，同时，锯齿单元的宽度和厚度应根据构造需求设计。
步骤5：根据第二连接结构402的拉力Fsel2，设计弹簧缓冲器1；在步骤5 中，设计弹簧缓冲器1包括以下：
步骤5.1：确定缓冲弹簧101的参数；
确定缓冲弹簧101的最大工作拉力Ft：
确定弹簧钢筋直径d与弹簧中径D：
式中，D＝Cd，C为缠绕比，τ为初切应力，均可查规范取值；
确定缓冲弹簧101的圈数n：
式中，L为弹簧长度，t为螺距；
确定缓冲弹簧101的弹簧刚度k：
式中，G为弹簧钢材料的切变模量；
步骤5.2：确定限位绳104的参数：
确定限位绳104长度l：
式中：l0为弹簧基座板102与拉锚件103之间的距离。
步骤6：验证韧性连接装置的缓冲效果和耗能能力是否满足需求，如满足，结束，否则进入步骤1，直至韧性连接装置的缓冲效果和耗能能力满足需求。
设计原则是柔性防护系统工作时受到冲击能量在正常工作能级范围内，只启动弹簧缓冲器1实现缓冲；超过正常工作能级时，弹簧缓冲器1中缓冲弹簧 101变形达到最大，即限位绳104绷直，并启动耗能器3实现耗能。
具体地，本方案根据实地调研，拟设计一款防护能级为100kJ的小能级碎石柔性防护系统，根据已有实验及数值模拟，确定柔性防护系统支撑绳5在正常使用状态极限拉力Fsel1＝52.3kN；
选取板式耗能器3并确定其规格，启动力为50kN，最大行程为1m。
计算第二连接结构402在正常工作能级的极限拉力Fsel2，采用等式进行计算，其中α取45°，带入可得Fsel2＝37kN；
计算钢链2高度，采用等式进行计算，树木横纹抗压强度取 3MPa，钢链2与树木接触宽度取100mm，带入可得h＝262mm，其中：γ取1.5。
计算缓冲弹簧101的中径和弹簧钢筋直径，采用等式进行计算，式中：Ft是弹簧最大工作拉力，N为弹簧数量，本实施例中每个弹簧缓冲器1带有两根缓冲弹簧101，故N取2。将Fsel2＝37kN代入、查询规范τ在冲击荷载下取590Mpa、同时有等式D＝Cd，C为缠绕比查规范初步取值为5，代入公式计算得d＝20mm；验证缠绕比取值是否合理：当d＝20mm时，规范推荐C的取值为4-6，故初步取值为5是合理值。则弹簧中径D＝100mm，弹簧钢筋直径d＝20mm。
据需求弹簧长度L及螺距t：根据柔性防护系统的安装空间拟定缓冲弹簧101 长度L＝500mm，同时根据规范推荐拟定缓冲弹簧101直径d＝20mm，t取5mm。按规范推荐拟定弹簧钢材料牌号为60Si2Mn。
根据L、d和t计算弹簧圈数n：本实施例的簧式缓冲器无需启动力，即缓冲弹簧101无初始荷载，根据等式计算得n＝20圈。
计算弹簧刚度k，采用等式进行计算，带入可得k＝78.8N/mm，查阅规范取G＝78.8Gpa。
计算限位绳104长度l，采用等式进行计算，l0为弹簧基座板102与拉锚件103之间的距离，取600mm，带入可得l＝835mm，得到韧性连接装置的具体设置结构和参数，满足边坡柔性防护系统要求。
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