一种抗震锚索结构与韧性提升方法

1.本发明涉及锚索技术领域，具体涉及一种抗震锚索结构与韧性提升方法。


背景技术：

2.在边坡治理工程中，锚杆、锚索、锚索 框架梁等支护措施成为了较为常见的治理形式，其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。如地震烈度较小的情形下，常规锚索能表现出良好的抗震效果，但是在强震等动力作用下，锚固岩体变形较大，常规预应力锚索难以继续限制其变形，此时锚索极易因锚索变形能力不足或瞬时冲击荷载作用下过载而被拉断，一旦失效便是永久失效，从而引发边坡失稳破坏。


技术实现要素：

3.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：如何提供一种能够较大强震等动力作用下正常工作，维持预应力锚索原有预应力、不丧失锚固力，能抵抗一定程度的动力破坏作用、且在变形后具有一定的自适应恢复能力的抗震锚索结构与韧性提升方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.一种抗震锚索结构，包括预应力锚索、以及分别位于所述预应力锚索长度方向两侧的内锚头和外锚头，所述预应力锚索在所述内锚头处弯曲并形成弯曲部；
6.所述内锚头包括减压耗能机构和承载钢板，所述预应力锚索的弯曲部的两侧分别穿过所述承载钢板，所述减压耗能机构包括环形结构的压力钢环、以及位于所述压力钢环的环形结构内的减压消能环，所述压力钢环内嵌在所述预应力锚索的弯曲部，且所述压力钢环包括与所述预应力锚索的弯曲部的内侧壁接触的第一压力部、以及与所述预应力锚索的弯曲部的内侧壁分离的第二压力部，所述第二压力部与所述承载钢板抵接，所述减压消能环包括环形部，且所述环形部分别向两侧对称延伸形成连接部，所述连接部分别与对应位置的所述压力钢环固定连接。
7.本发明中，初始状态为锚索结构尚未受到外界动力作用时的状态。
8.本发明的工作原理是：本方案由减压消能环和压力钢环共同形成减压耗能机构，锚索在抗震响应过程中，预应力锚索的弯曲部套设在压力钢环的外侧壁会对压力钢环产生拉压作用，如初始状态下压力钢环为直径d的圆环形，减压消能环中环形部的直径为d，在抗震响应过程中，预应力锚索的弯曲部对压力钢环产生拉压作用力，此时压力钢环将被预应力锚索拉压成短轴长度为d’的椭圆环形状，且d’＜d，而减压消能环的环形部也将沿椭圆环形状的压力钢环的长轴方向拉伸，减压消能环的环形部直径d’将减小，且d’＜d，也即此时减压消能环与压力钢环形成的减压耗能机构在对抗震的响应-恢复过程中主要通过变形耗能与摩擦耗能两种方式进行耗能，其中变形耗能主要从减压消能环的环形部直径与压力钢环的直径的变小来体现，而摩擦耗能主要从预应力锚索与压力钢环间的摩擦来体现。由此，
减压耗能机构即压力钢环和减压消能环为共同抵抗预应力锚索的变形而发挥作用，并且其具有一定的自适应恢复能力，能够有效增加预应力锚索的抗震韧性。
9.优选的，所述压力钢环的外侧壁上沿周向方向开设有限位凹槽，所述预应力锚索的弯曲部的内侧壁嵌入所述限位凹槽内。
10.这样，通过在压力钢环的外侧壁上设置限位凹槽，并将预应力锚索的弯曲部的内侧壁嵌入到限位凹槽内，利用限位凹槽可以起到防止预应力锚索左右滑动的作用。
11.优选的，初始状态时，所述连接部与所述压力钢环的固定连接点位于所述压力钢环的第一压力部和第二压力部的相接处，且所述连接部与所述承载钢板平行。
12.这样，使得在减压消能环的连接部的作用下，压力钢环能够与预应力锚索的弯曲部始终处于抵紧的状态。
13.优选的，所述减压耗能机构在抗震响应中的总耗能为w：
14.w＝w1 w215.式中：w1为变形耗能，w2为摩擦耗能；
16.其中：
17.w1＝f1(r,h,t)
18.式中：r为减压消能环中环形部的厚度，h为压力钢环的厚度，t为抗震响应时间；
19.w2＝f2(s,x,η,t)
20.式中：s为预应力锚索的直径；x为压力钢环与预应力锚索接触面的宽度；η为预应力锚索与压力钢环之间的动摩擦系数；t为抗震响应时间。
21.优选的，所述减压消能环在震动作用下的力学平衡方程为：
[0022][0023]
式中，m为减压消能环的质量；c为减压消能环的阻尼系数；k为减压消能环的刚度；为减压消能环的加速度；为减压消能环的速度；u为减压消能环的位移；p(t)为减压消能环的外荷载。
[0024]
优选的，所述内锚头还包括套设在所述预应力锚索上的初始锚具和锁力机构，所述锁力机构和所述初始锚具分别位于所述承载钢板的两侧并分别与对应侧的所述承载钢板相抵，且所述锁力机构位于所述承载钢板朝向所述预应力锚索端部的一侧。
[0025]
这样，通过设置初始锚具和锁力机构，初始锚具用于在抗震响应的初始首先用于抵抗外部动力的破坏作用，当初始锚具失效后再由减压耗能机构进一步来抵抗外部动力的破坏作用，而再减压耗能机构达到最大工作强度后，还可以进一步由锁力机构来抵抗外部动力的破坏作用，由此通过初始锚具、减压耗能机构和锁力机构的共同配合，大大提高锚索结构的抗震性能。
[0026]
优选的，所述锁力机构包括扣锁，以及卡接在所述扣锁内的钢球葫芦，所述钢球葫芦包括沿所述预应力锚索长度方向分布的多个钢球，且多个所述钢球的直径沿靠近所述预应力锚索的端部的方向逐渐增大。
[0027]
这样，卡接的锁扣和钢球葫芦具备较高的齿状咬合抗力，且多个钢球直径沿靠近预应力锚索的端部的方向逐渐增大的结构形式使得锁力机构具备端头扩大型结构来抵抗外部破坏作用力的功能，其能有效增加锚索结构的耐久性和抗震性能。
[0028]
优选的，所述外锚头包括反力钢垫板、锁力锚具和阻尼套筒，所述阻尼套筒套设于
所述锁力锚具外，所述锁力锚具位于所述反力钢垫板背向所述预应力锚索的一侧，且所述预应力锚索靠近所述外锚头的一侧依次穿过所述反力钢垫板和所述锁力锚具。
[0029]
这样，锁力锚具对预应力锚索进行锁力后，将阻尼套筒套设于锁力锚具外，阻尼套筒能有效耗预应力锚索环向变形所积累的能量，与锁力锚具共同形成抗震锚头装置，其能增加预应力锚索的锚头抵抗动力破坏的作用，同时能够增加预应力锚索与格构梁连接节点的抗震韧性。
[0030]
优选的，所述阻尼套筒为橡胶阻尼套筒；所述连接部与锁固螺帽与对应位置的所述压力钢环固定连接。
[0031]
本发明还提供一种抗震锚索韧性提升方法，该方法采用上述的抗震锚索结构。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
1、本发明的锚索结构能在较大强震等动力作用下正常工作，具备常规锚索不具有的韧性功能。本发明能维持预应力锚索原有的预应力、使其不丧失锚固力，外锚头和内锚头的各种锁力措施能抵抗一定程度的动力破坏作用，且发生形变后能自行恢复而不失效，其抗震性能对高烈度区高陡边坡等防治工程具有相当重要的意义。
[0034]
2、本发明的内锚头在抗震响应过程中，由初始锚具首先产生抵抗动力破坏的作用，当初始锚具失效时，再由环绕嵌设于压力钢环的限位凹槽的内的预应力锚索对压力钢环产生拉压作用，此时减压耗能机构即压力钢环和减压消能环会共同为抵抗预应力锚索的变形而发挥作用，且其具有一定的自适应恢复能力，能够有效增加锚索结构的抗震韧性；而当减压耗能机构达到最大工作强度后，锁力机构开始发挥锁力作用，由于其由多个半径不同的钢球组成的钢球葫芦和扣锁卡接形成，因此其具备较高的齿状咬合抗力，同时具备端头扩大型结构抵抗破坏作用力的功能，进而能有效增加锚索锁力锚头的耐久性。
[0035]
3、本发明的抗震锚索结构能在较大强震等动力作用下正常工作，维持预应力锚索原有预应力、不丧失锚固力，能抵抗一定程度的动力破坏作用、且在变形后具有一定的自适应恢复能力，具备更好的抗震韧性，同时其构造简单，施工便捷，不易损坏，适宜性较强。
附图说明
[0036]
图1为本发明抗震锚索结构中内锚头处的结构示意图；
[0037]
图2为图1中a处的放大示意图；
[0038]
图3为本发明抗震锚索结构中减压消能环、压力钢环和预应力锚索配合处的结构示意图；
[0039]
图4为本发明抗震锚索结构中外锚头处的结构示意图；
[0040]
图5为本发明抗震锚索结构中外锚头处的正视图。
[0041]
附图标记说明：减压消能环1、环形部101、连接部102、压力钢环2、限位凹槽201、初始锚具3、承载钢板4、钢球葫芦5、扣锁6、预应力锚索7、导向帽8、紧箍环9、扩张环10、阻尼套筒11、锁力锚具12、反力钢垫板13、混凝土封头14、格构梁15、锚具工作台16、锁固螺帽17、波纹管18。
具体实施方式
[0042]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0043]
预应力锚索的受力破坏模式主要考虑锚固段的承载钢板所受正应力超过最大承载力而引起的注浆体压碎破坏。如附图1所示，将预应力锚索7的锚固段l分为抗震锚固段l1与常锚固段l2，锚固段总长为l＝l1 l2，在该破坏模式下，预应力锚索7的锚固力由抗震锚固段l1的摩阻力f1与常锚固段l2克服截面压应力产生的摩阻力f2共同提供，其计算方法如下：
[0044][0045]
式中，p为预应力锚索7的极限承载力；d为预应力锚索7的直径；d为锚固段锚孔的直径；f
rb
为注浆体与钻孔壁间的摩阻力；l1为抗震锚固段长度；rc为轴向抗压强度。
[0046]
本方案的抗震锚索结构，包括预应力锚索7、以及分别位于预应力锚索7长度方向两侧的内锚头和外锚头，预应力锚索7在内锚头处弯曲并形成弯曲部；
[0047]
如附图1到附图3所示，内锚头包括减压耗能机构和承载钢板4，预应力锚索7的弯曲部的两侧分别穿过承载钢板4，减压耗能机构包括环形结构的压力钢环2、以及位于压力钢环2的环形结构内的减压消能环1，压力钢环2内嵌在预应力锚索7的弯曲部，且压力钢环2包括与预应力锚索7的弯曲部的内侧壁接触的第一压力部、以及与预应力锚索7的弯曲部的内侧壁分离的第二压力部，第二压力部与承载钢板4抵接，减压消能环1包括环形部101，且环形部101分别向两侧对称延伸形成连接部102，连接部102分别与对应位置的压力钢环2固定连接。
[0048]
本发明中，初始状态为锚索结构尚未受到外界动力作用时的状态。
[0049]
本发明的工作原理是：本方案由减压消能环1和压力钢环2共同形成减压耗能机构，锚索在抗震响应过程中，预应力锚索7的弯曲部套设在压力钢环2的外侧壁会对压力钢环2产生拉压作用，如初始状态下压力钢环2为直径d的圆环形，减压消能环1中环形部101的直径为d，在抗震响应过程中，预应力锚索7的弯曲部对压力钢环2产生拉压作用力，此时压力钢环2将被预应力锚索7拉压成短轴长度为d’的椭圆环形状，且d’＜d，而减压消能环1的环形部101也将沿椭圆环形状的压力钢环2的长轴方向拉伸，减压消能环1的环形部101直径d’将减小，且d’＜d，也即此时减压消能环1与压力钢环2形成的减压耗能机构在对抗震的响应-恢复过程中主要通过变形耗能与摩擦耗能两种方式进行耗能，其中变形耗能主要从减压消能环1的环形部101直径与压力钢环2的直径的变小来体现，而摩擦耗能主要从预应力锚索7与压力钢环2间的摩擦来体现。由此，减压耗能机构即压力钢环2和减压消能环1为共同抵抗预应力锚索7的变形而发挥作用，并且其具有一定的自适应恢复能力，能够有效增加预应力锚索7的抗震韧性。
[0050]
在本实施例中，压力钢环2的外侧壁上沿周向方向开设有限位凹槽201，预应力锚索7的弯曲部的内侧壁嵌入限位凹槽201内。
[0051]
这样，通过在压力钢环2的外侧壁上设置限位凹槽201，并将预应力锚索7的弯曲部的内侧壁嵌入到限位凹槽201内，利用限位凹槽201可以起到防止预应力锚索7左右滑动的作用。
[0052]
在本实施例中，初始状态时，连接部102与压力钢环2的固定连接点位于压力钢环2的第一压力部和第二压力部的相接处，且连接部102与承载钢板4平行。
[0053]
这样，使得在减压消能环1的连接部102的作用下，压力钢环2能够与预应力锚索7的弯曲部始终处于抵紧的状态。
[0054]
在本实施例中，减压耗能机构在抗震响应中的总耗能为w：
[0055]
w＝w1 w2[0056]
式中：w1为变形耗能，w2为摩擦耗能；
[0057]
其中：
[0058]
w1＝f1(r,h,t)
[0059]
式中：r为减压消能环1中环形部101的厚度，h为压力钢环2的厚度，t为抗震响应时间；
[0060]
w2＝f2(s,x,η,t)
[0061]
式中：s为预应力锚索7的直径；x为压力钢环2与预应力锚索7接触面的宽度；η为预应力锚索7与压力钢环2之间的动摩擦系数；t为抗震响应时间。
[0062]
在本实施例中，减压消能环1在震动作用下的力学平衡方程为：
[0063][0064]
式中，m为减压消能环1的质量；c为减压消能环1的阻尼系数；k为减压消能环1的刚度；为减压消能环1的加速度；为减压消能环1的速度；u为减压消能环1的位移；p(t)为减压消能环1的外荷载。
[0065]
在本实施例中，内锚头还包括套设在预应力锚索7上的初始锚具3和锁力机构，锁力机构和初始锚具3分别位于承载钢板4的两侧并分别与对应侧的承载钢板4相抵，且锁力机构位于承载钢板4朝向预应力锚索7端部的一侧。
[0066]
这样，通过设置初始锚具3和锁力机构，初始锚具3用于在抗震响应的初始首先用于抵抗外部动力的破坏作用，当初始锚具3失效后再由减压耗能机构进一步来抵抗外部动力的破坏作用，而再减压耗能机构达到最大工作强度后，还可以进一步由锁力机构来抵抗外部动力的破坏作用，由此通过初始锚具3、减压耗能机构和锁力机构的共同配合，大大提高锚索结构的抗震性能。
[0067]
在本实施例中，锁力机构包括扣锁6，以及卡接在扣锁6内的钢球葫芦5，钢球葫芦5包括沿预应力锚索7长度方向分布的多个钢球，且多个钢球的直径沿靠近预应力锚索7的端部的方向逐渐增大。具体的，本方案的钢球葫芦5包括沿预应力锚索7长度方向分布的三个钢球。
[0068]
这样，卡接的扣锁6和钢球葫芦5具备较高的齿状咬合抗力，且多个钢球直径沿靠近预应力锚索7的端部的方向逐渐增大的结构形式使得锁力机构具备端头扩大型结构来抵抗外部破坏作用力的功能，其能有效增加锚索结构的耐久性和抗震性能。
[0069]
如附图4到附图5所示，在本实施例中，外锚头包括反力钢垫板13、锁力锚具12和阻尼套筒11，阻尼套筒11套设于锁力锚具12外，锁力锚具12位于反力钢垫板13背向预应力锚索7的一侧，且预应力锚索7靠近外锚头的一侧依次穿过反力钢垫板13和锁力锚具12。
[0070]
这样，锁力锚具12对预应力锚索7进行锁力后，将阻尼套筒11套设于锁力锚具12外，阻尼套筒11能有效耗预应力锚索7环向变形所积累的能量，与锁力锚具12共同形成抗震锚头装置，其能增加预应力锚索7的锚头抵抗动力破坏的作用，同时能够增加预应力锚索7与格构梁15连接节点的抗震韧性。
[0071]
在本实施例中，阻尼套筒11为橡胶阻尼套筒11；连接部102与锁固螺帽17与对应位置的压力钢环2固定连接。
[0072]
在本实施例中，本方案的抗震锚索结构还包括导向帽8、扩张环10、紧箍环9、混凝土封头14、格构梁15、锚具工作台16和波纹管18。上述各结构在抗震锚索结构上的安装与现有技术的相同，故本方案不再具体赘述。
[0073]
另外，本发明还提供一种抗震锚索韧性提升方法，该方法采用上述的抗震锚索结构。
[0074]
与现有技术相比，本发明的锚索结构能在较大强震等动力作用下正常工作，具备常规锚索不具有的韧性功能。本发明能维持预应力锚索7原有的预应力、使其不丧失锚固力，外锚头和内锚头的各种锁力措施能抵抗一定程度的动力破坏作用，且发生形变后能自行恢复而不失效，其抗震性能对高烈度区高陡边坡等防治工程具有相当重要的意义。本发明的内锚头在抗震响应过程中，由初始锚具3首先产生抵抗动力破坏的作用，当初始锚具3失效时，再由环绕嵌设于压力钢环2的限位凹槽201的内的预应力锚索7对压力钢环2产生拉压作用，此时减压耗能机构即压力钢环2和减压消能环1会共同为抵抗预应力锚索7的变形而发挥作用，且其具有一定的自适应恢复能力，能够有效增加锚索结构的抗震韧性；而当减压耗能机构达到最大工作强度后，锁力机构开始发挥锁力作用，由于其由多个半径不同的钢球组成的钢球葫芦5和扣锁卡接形成，因此其具备较高的齿状咬合抗力，同时具备端头扩大型结构抵抗破坏作用力的功能，进而能有效增加锚索锁力锚头的耐久性。本发明的抗震锚索结构能在较大强震等动力作用下正常工作，维持预应力锚索7原有预应力、不丧失锚固力，能抵抗一定程度的动力破坏作用、且在变形后具有一定的自适应恢复能力，具备更好的抗震韧性，同时其构造简单，施工便捷，不易损坏，适宜性较强。
[0075]
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。