一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆的制作方法
【专利摘要】一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其结构由控制器（1）、通讯线（2）、传感器（3）、变刚度控制装置（12）、套筒（20）、中空锚管（5）、锚具（10）、锚固弹簧（11）和支护结构（4）组成。变刚度控制装置（12）由液压缸（13）、双出杆活塞（14）、油液（16）、旁通管路（17）、电液伺服阀（18）、刚度弹簧（19a）、刚度弹簧（19b）、螺栓（23）连接的支撑箱（21）和垫板（22）组成。本发明解决了地震作用造成的锚喷支护结构变形过大、支护结构不能自我调节、甚至破坏等无法根治的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全稳定性。
【专利说明】一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆
【技术领域】
[0001]本发明属于锚喷支护结构的振动控制领域，具体涉及一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，特别适用于隧道、矿山巷道和高陡边坡等永久性支护工程。
【背景技术】
[0002]地震是人类面临的最严重自然灾害之一，它引起的建筑物倒塌、隧道塌方和山体滑坡等一系列灾害，给人类带来了巨大的生命和财产损失。我国地处太平洋地震带和欧亚地震带之间，是遭受地震灾害最为严重的国家之一，因而抗震防灾的任务十分艰巨。抗震设计主要致力于保证结构自身具有一定的强度、刚度和延性，以满足一定的抗震要求。这种设计，结构处于被动抵御地震的地位，因此是一种消极的设计。随着科技的进步，传统抗震设计方法越来越难满足现阶段提出的更严格的抗震安全性和适用性要求。为此，各国地震工程学家一直在寻求新的抗震设计途径，以隔振、减震技术为特点的控制设计理论便产生了。1972年美籍华人Yao首先将控制理论应用于土木结构振动的分析，提出了结构振动控制的概念。工程结构减震控制是在结构中适当的部位安装振(震)动控制系统，用来改变或调整结构的动力特性，阻隔、抵消外部地震激励，或耗散已经输入到结构系统中的地震能量，减轻结构的破坏或疲劳损伤，达到经济性、安全性与可靠性的合理平衡。对于结构振动控制的方法总体可分为四个方面:被动控制、主动控制、半主动与智能控制以及混合控制。被动控制主要利用被动耗能元件与结构整体一起振动，吸收振动能量，从而达到减振的目的，它的减振效果不高。主动控制是利用主动控制算法计算出控制所需要的最优控制力，并通过机械装置将最优控制力施加给结构，达到减振效果。从理论上讲，主动控制的减振效果最好，但巨大的控制力需要外界机械设备施加，反应较慢。半主动控制是通过改变半主动元件的特定参数来改变其对结构振动的阻碍程度，它既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性，并且结构简单，反应快，出力大，耗能少。目前结构振动控制的研究成果已成功应用于建筑结构、桥梁结构和高耸结构的抗风和抗震工程中，但锚喷支护领域的减震研究还停留在被动的隔震减震阶段。采取主动控制、半主动与智能控制以及混合控制的方法在锚喷支护领域的控制研究处于起步阶段，应用纯属空白。锚喷支护技术由于质量轻、柔度大等特点，在控制变形方面拥有独特的优越性，故在隧道、矿山巷道、边坡和基坑等支护工程中占有重要的地位。然而现有的锚喷支护结构在减震控制方面存在很大的缺陷，主要以增大支护结构刚度或增设隔震层的方式来抵御地震作用。当地震作用超过一定的限值，被动的增加刚度或增设隔震层的支护结构仍可能出现过大的变形、甚至破坏，导致支护体的失稳垮塌。另外，由于锚喷支护结构自身施作空间的限制，不能为主动控制所需的机械设备提供足够的空间，然而半主动控制却能够满足这种需求，故它成为锚喷支护结构振动控制的最佳选择。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，解决地震作用造成的锚喷支护结构及不稳定岩土体变形过大、甚至失稳垮塌，无法自我调节的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全性。
[0004]本发明是一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，该控制锚杆由控制器1、通讯线
2、传感器3、变刚度控制装置12、套筒20、中空锚管5、锚具10、锚固弹簧11和支护结构4组成；其中变刚度控制装置12由液压缸13、双出杆活塞14、油液16、旁通管路17、电液伺服阀18、第一刚度弹簧19a、第二刚度弹簧1%、螺栓23连接的支撑箱21和垫板22组成；控制器I是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀18的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀18的开/关状态；双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形；双出杆活塞14能在液压缸13内自由滑动，双出杆活塞14的左出杆上套有第一刚度弹簧19a，右出杆上套有第二刚度弹簧1%，且右出杆段末端带有螺纹15，双出杆直径等于中空锚管5的直径。
本发明的有益效果是:本发明集合半主动变刚度控制装置与中空锚管于一体形成半主动变刚度耗能减震控制锚杆，特别适用于重要的永久性锚喷支护结构的振动控制，提高了支护体在静、动荷载作用下的稳定性，减轻了地震动造成的危害。中空锚管在静态时由锚固弹簧提供锚头反力，而在动态时锚固弹簧变形，消耗一定的能量；变刚度控制装置对支护结构通过耗能进行减震以及提供与运动方向相反的阻碍力，减小了支护结构的动力反应，故它为支护结构的一种耗能减震装置，确保支护体的安全稳定。变刚度控制装置是通过调节电液伺服阀的开口状态来实现不同程度的刚度状态，只需少量的能源来维持电液伺服阀的正常工作，不需要消耗巨大的外部能源提供直接的控制力。另外，它既有被动控制的可靠性，又有主动控制的可调性，并且结构简单，所需空间小，反应快，出力大等优点。本发明的目的是提供一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，解决了地震作用无法预测造成的锚喷支护结构变形过大、支护结构不能自我调节、甚至破坏等无法根治的问题，提高锚喷支护结构的抗震性能和支护体的安全稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是本发明的原理结构示意图，图2是本发明的结构示意图，图中中空锚管5的右侧部分与图4相同，图3是图2中的变刚度控制装置12的结构示意图，图4是图2中的中空锚管5的结构示意图，图5是本发明在隧道支护工程中实施的结构示意图，图中液压缸13左侧部分与图2相同。
【具体实施方式】
[0006]如图2所示，本发明是一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，该控制锚杆由控制器1、通讯线2、传感器3、变刚度控制装置12、套筒20、中空锚管5、锚具10、锚固弹簧11和支护结构4组成；其中变刚度控制装置12由液压缸13、双出杆活塞14、油液16、旁通管路17、电液伺服阀18、第一刚度弹簧19a、第二刚度弹簧1%、螺栓23连接的支撑箱21和垫板22组成；控制器I是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀18的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀18的开/关状态；双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形；双出杆活塞14能在液压缸13内自由滑动，双出杆活塞14的左出杆上套有第一刚度弹簧19a，右出杆上套有第二刚度弹簧19b，且右出杆段末端带有螺纹15，双出杆直径等于中空锚管5的直径。
如图2所示，中空锚管5是前段带有用于连接的螺纹6，后半段带有出浆孔8、用于增大粘结力的刺棒7和用于堵浆的止浆塞9，止浆塞(9)焊接在钢管外。
[0007]如图2所示，锚固弹簧11位于锚具10和支护结构4之间，刚度系数为400N/mm~600N/mm,直径为 50mm~60mm。
[0008]如图2所示，第一刚度弹簧19a和第二刚度弹簧19b的刚度系数为800N/mnTl500N/mm，直径为80mnTl20mm ;第二刚度弹簧19b套在套筒20、锚具10和锚固弹簧11外。
[0009]如图2、图3、图5所示，支撑箱21和垫板22为钢板，板厚度为4mnT8mm ;用螺栓23将支撑箱21和垫板22与支护结构4固定连接。
[0010]如图2、图3、图5所示，油液16为粘滞阻尼液。
[0011]如图2、图3、图5所示，双出杆活塞14和液压缸13的形状为圆柱形，柱高为300mm~400mm,底面圆的直径为150mm~250mm。中空锚管5的直径为30mm~40mm,厚度为3mnT4mm0
[0012]本发明的半主动变刚度振动控制的减振机理:以单自由度体系为例进行说明，假设系统装有一个附加变刚度构件，其刚度为At，如图1所示，设当€=?时可变刚度系统切
换为ON状态，并且在
【权利要求】
1.一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于该控制锚杆由控制器(I)、通讯线(2)、传感器(3)、变刚度控制装置(12)、套筒(20)、中空锚管(5)、锚具(10)、锚固弹簧(11)和支护结构(4)组成；其中变刚度控制装置(12)由液压缸(13)、双出杆活塞(14)、油液(16)、旁通管路(17)、电液伺服阀(18)、第一刚度弹簧(19a)、第二刚度弹簧(1%)、螺栓(23)连接的支撑箱(21)和垫板(22)组成；控制器(I)是一台带有A/D和D/A数据采集与转换板的PC机，安装有控制算法和电液伺服阀(18)的驱动软件的PC机能够控制电液伺服阀(18)的开/关状态；双出杆活塞(14)和液压缸(13)的形状为圆柱形；双出杆活塞(14)能在液压缸(13)内自由滑动，双出杆活塞(14)的左出杆上套有第一刚度弹簧(19a)，右出杆上套有第二刚度弹簧(19b)，且右出杆段末端带有螺纹(15)，双出杆直径等于中空锚管(5)的直径。
2.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:中空锚管(5)是前段带有用于连接的螺纹(6)，后半段带有出浆孔(8)、用于增大粘结力的刺棒(7)和用于堵浆的止浆塞(9 )，止浆塞(9 )焊接在钢管外。
3.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:锚固弹簧(11)位于锚具(10)和支护结构(4)之间，刚度系数为400N/mnT600N/mm,直径为50mnT60mm。
4.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:第一刚度弹簧(19a)和第二刚度弹簧(19b)的刚度系数为800N/mnTl500N/mm,直径为80mnTl20mm ;第二刚度弹簧(19b)套在套筒(20)、锚具(10)和锚固弹簧(11)外。
5.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:支撑箱(21)和垫板(22)为钢板，板厚度为4mnT8mm;用螺栓(23)将支撑箱(21)和垫板(22)与支护结构(4)固定连接。
6.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:油液(16)为粘滞阻尼液。
7.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:双出杆活塞(14)和液压缸(13)的形状为圆柱形,柱高为300mnT400mm,底面圆的直径为150mnT250mm。
8.根据权利要求1所述的半主动变刚度耗能减震控制锚杆，其特征在于:中空锚管(5)的直径为30mm?40mm,厚度为3mm?4mm。
【文档编号】E02D5/74GK103603351SQ201310666447
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月7日 优先权日:2013年12月7日
【发明者】董建华, 王永胜, 董旭光, 王冰霞, 吴意谦, 刘彦东, 张媛, 代涛, 袁方龙 申请人:兰州理工大学