一种基于扭转变形和空气压缩的耗能装置及其设计方法与流程

本发明涉及土木工程结构减震耗能装置，特别涉及一种基于金属块扭转变形和空气压缩的耗能装置及其设计方法。

背景技术：

1、修建山区公路，特别是在高烈度地震山区，受地震和震后次生灾害影响，往往会遇到高位崩塌等不良地质条件。高位崩塌的防护通常采用清危、挂网喷浆和末端防护等防护方式，在难以做清危或岩体处治方案的高位崩塌区域，采用末端防护的治理方式，相对清危等治理方式来说更加经济、有效、便捷。目前主流的末端防护采用钢筋砼刚性棚洞、明洞以及柔性棚洞等型式，轻型钢结构棚洞作为柔性棚洞的一种，在山区公路建设中已经得到了广泛的使用。该类型防护方案对于落石数量少、总重小、动量大的零星落石路段有比较好的防护效果，可有效增强公路防灾能力。同时，该类防护方案均为拼装式的钢结构，具有安装方便，施工速度快的特点。施工期间对既有交通的干扰、影响小，可降低施工保通压力，加强多灾山区公路恢复力，从而提升山区公路韧性性能。目前，该类柔性棚洞已在多条高速公路和国省干线项目上得到了广泛使用。为提高该类型棚洞的适用范围，减小棚洞结构对下部基础或下部桥梁结构的冲击力，使用了金属耗能器。该部件可以作为对下部结构的一种保障，与网索一起形成多级耗能，对冲击落石进行消能并保护路段行车安全及道路结构安全，从而增加使用路段的防灾能力。

2、目前，现有的两种棚洞耗能器设计，对于直筒型耗能器而言，屈服强度过高，导致反力较大，对下部结构的受力不理想。对于波纹管式耗能器，由于各波形的坍缩变形逐个开始，导致屈服平台不稳定，耗能效率虽较直筒式有较大改进，但仍耗能效率不高。从圆棒扭转试验可看出，金属实心圆棒的扭矩-扭角曲线屈服平台稳定，耗能效率高。以此为耗能原理，研发一种将棚洞拱架向下的冲击力转换为对圆形金属块的扭转力的耗能装置，并利用装置中空气的压缩综合耗能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于扭转变形和空气压缩的耗能装置，以有效提高耗能装置的耗能效率，使其屈服平台更加稳定，且耗能部件造价更低、更换方便。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明一种基于扭转变形和空气压缩的耗能装置，设置在防护结构的主体结构与下部结构之间，其特征是：该耗能装置包括上旋转部、金属耗能部件和下固定部；所述上旋转部包括上连接板、旋转板和上套筒，上连接板的下板面、旋转板的上板面分别与滚珠轴承固定连接，具有外螺纹结构的上套筒焊接固定在旋转板的下板面上；所述金属耗能部件安装在上连接板、旋转板中央部位之间，其上部、下部分别与上连接板、旋转板形成固定连接；所述下固定部由下套筒和下安装板构成，具有内螺纹结构的下套筒焊接固定在下安装板的上板面上，该内螺纹结构与上套筒的外螺纹结构相适配，上套筒与下套筒形成螺旋连接。

4、所述金属耗能部件的主体为位于上连接板下板面、旋转板上板面之间的耗能金属棒，该耗能金属棒的轴线与上套筒的轴线相重合；所述耗能金属棒的上端焊接与上连接板形成插接的上安装部，下端焊接与上旋转板形成插接的下安装部。

5、本发明所要解决的另一技术问题是提供上述一种基于扭转变形和空气压缩的耗能装置的设计方法。

6、该方法包括如下步骤：

7、s1.依据防护结构设计要求，确定耗能装置的最大工作耗能能力e、最大工作反力f和启动耗能装置所需冲击力fc；根据上连接板和下安装板的尺寸确定耗能装置计算直径d，由防护结构设计所需的净空要求和主体结构大小确定耗能装置的高度范围及变形行程范围，进而初步拟定耗能行程hc；

8、s2、根据最大工作反力f和启动耗能装置所需冲击力fc拟定耗能金属棒直径d1、上套筒和下套筒的咬合螺距p，具体拟定方法如下：

9、最大工作反力f由两部分组成，一是启动耗能金属棒耗能所需的反力fh，二是套筒内空气弹簧压缩产生的最大反力fq，即：

10、f＝fh+fq            (1)

11、以上启动耗能金属棒耗能所需的反力fh按下式计算：

12、

13、式中：d为耗能装置计算直径，取耗能器螺纹齿口中心到圆心的距离；tp为耗能金属棒屈服扭矩，按式计算，τy为耗能金属棒的剪切屈服强度，d1为耗能金属棒直径；kh--换算系数，根据几何关系取为其中kf为上旋转部和下固定部之间的摩擦系数，其中θ为上旋转部和下固定部咬合面与水平面的夹角，由耗能装置计算直径d和螺距p的几何关系得出，几何关系为p＝πdtanθ；

14、以上套筒内空气弹簧压缩产生的最大反力fq按下式计算：

15、

16、式中：v1为耗能装置行程走完时气体体积；v2为耗能装置初始状态气体体积；γ为气体绝热指数，对于空气取1.4；p2为耗能装置初始气压；kq1为因套筒内气体泄露、热量发散原因产生的反力偏差系数，由动力冲击试验获得；

17、初拟尺寸时取上旋转部为筒体，由此通过耗能装置的计算直径d、耗能装置高度和耗能行程hc确定出空气压缩比调耗能金属棒的直径d1，通过式(1)～(3)对初步拟定的尺寸进行试算，使公式(1)计算所得最大工作反力f不大于工程中防护结构设计要求，公式(2)计算所得耗能金属棒耗能所需的反力fh不大于启动耗能装置所需冲击力fc；

18、s3、初步拟定耗能金属棒直径d1、上套筒和下套筒的咬合螺距p后，根据初步拟定的尺寸计算最大工作耗能能力e；

19、最大工作耗能能力e由三部分组成，一是由耗能金属棒旋转提供的旋转耗能eh，二是由上旋转部和下固定部摩擦产生的摩擦耗能ef，三是由套筒内空气压缩产生的压缩耗能eq，即：

20、e＝eh+ef+eq                        (4)

21、其中：

22、

23、式中：d1为耗能金属棒直径；τy为耗能金属棒的剪切屈服强度；θp为耗能转角，取耗能金属棒开始屈服至耗能装置行程走完时上旋转部和下固定部之间的转角；

24、

25、

26、式中：p1为耗能装置行程走完时气体压强，由公式求得；kq2为因筒内气体泄露等原因产生的耗能偏差系数，由动力冲击试验获得。

27、s4、将步骤s3中计算的最大工作耗能能力e与防护结构设计需要的数值进行比较，若不满足要求先行调整筒体受压气体体积压缩比具体调整方法如下：

28、将上旋转部上套筒的实心部分增加，通过调整形成结束时气体的压缩体积来实现，考虑上套筒壁厚安全性和最大工作反力f是否超过设计限值，如不符合要求则需重新拟定尺寸，重复步骤s2～步骤s4，直到满足设计要求为止；

29、s5、将确定好尺寸的耗能装置采用动力冲击试验加以验证，定型耗能装置各几何参数和材料参数。

30、本发明专利的有益效果主要体现在如下方面：

31、一、耗能装置屈服平台稳定，耗能效率高，且其耗能部件造价低廉，易于更换；

32、二、可方便地用于各类柔性棚洞结构中，作为对下部结构的一种保障，与网索一起形成多级耗能，对冲击落石进行消能并保护路段行车安全及道路结构安全，从而增加使用路段的防灾能力，解决柔性棚洞结构在各类结构承载能力受限情况下的安全问题；

33、三、适应范围广，既可用于新建工程中，也可用于既有桥梁棚洞的加固改造。