一种减震吸能锚杆托盘的制作方法

本发明属于地下工程支护减震技术领域，具体涉及一种减震吸能锚杆托盘。

背景技术

锚杆支护是地下工程常用的加固支护方式之一。锚杆可将软弱、松动、不稳定的岩体悬吊在其上部的自然平衡拱上，依靠锚杆提供的拉力克服松动岩体的重力来保持平衡。在此过程中，一方面通过给螺母施加一定的扭矩使托盘压紧围岩表面，为锚杆提供一定的预紧力，托盘将预紧力扩散到锚杆周围的围岩中，从而改善围岩的应力状态抑制围岩的离层、结构面的滑动和节理裂隙的张开，从而实现锚杆的主动支护作用；另一方面围岩变形使载荷作用于托盘上，通过托盘将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆的工作阻力，使锚杆控制围岩变形的作用得到充分的发挥。锚杆支护的地下工程处于一定水平的地应力作用下，支护结构要在满足静力承载要求的前提下，对地震荷载等动荷载作用提供相应的减震吸能功能。

中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。在地震作用下，地下工程虽然比地上结构震害相比具有一定抗震优越性，但其破坏情况仍然不可避免，因此地下工程支护的的抗震和减震设计至关重要。

地震作用属于偶然作用荷载，其大小、方向、传播路径等均不确定，因此在设计中有必要区分多遇地震、罕遇地震的荷载大小采取有针对性的措施。目前已有的锚杆托盘在围岩受到动力荷载时采用塑型吸能部件达到让位吸能目的，使锚杆托盘的吸能设计不具有可重复使用性，仅在一次动力荷载作用下吸能部件即失效；或采用刚度较大的弹性吸能部件，在较大的持续作用荷载下过度蓄能极易发生脆性破坏。如申请号为201610342003.2的中国专利公开的一种用于地下巷道锚杆支护中具有让压吸能功能的锚杆托盘，当锚杆系统受到冲击等强载荷时，发生一定程度的扩径塑性形变，依靠塑性变形和管壁撕裂消波耗能，这种塑性变形方式在多遇地震作用下即开始发生塑性变形，变形不可恢复，即不能重复利用。申请号为201520440634.9的中国专利公开的一种适用于深部地下工程的抗冲吸能锚杆托盘，采用复合橡胶板作为吸能减震构件，该部件对水平方向的冲击减震效果较好，对竖向冲击作用几乎没有减震作用。申请号为201620411241.x的中国专利公开的一种防冲吸能锚杆托盘，其承压垫片为水平金属板，对静力荷载的锚杆端头应力扩散状态不理想，且其吸能核心构件泡沫铝板不密封，极易受地下水中有害杂质腐蚀而影响其长期力学性能。

技术实现要素：

针对上述技术存在的缺陷，本发明提出一种减震吸能锚杆托盘，能在多遇地震荷载(小冲击荷载)作用下依靠高强度弹簧发生弹性变形抵御冲击荷载，在罕遇地震荷载(大冲击荷载)作用下依靠碟形泡沫铝填充托盘发生塑性变形来消耗持续作用的冲击荷载能量。这种弹性与塑性变形结合的减震吸能方式能够避免锚杆托盘在一次冲击荷载作用下即失效的缺陷，使其在设计荷载强度作用下发生塑性变形吸收能量，提高其使用效率，即一次施工，多次使用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种减震吸能锚杆托盘，包括托盘体，所述托盘体边缘设置有橡胶密封圈，所述托盘体中部设置有通孔，所述通孔内壁设置有锚杆，所述托盘体顶部设置有下金属垫片，所述下金属垫片顶部设置有高强度弹簧，所述高强度弹簧顶部设置有上金属垫片，所述上金属垫片顶部设置有弹簧垫圈，所述锚杆中上部依次贯穿下金属垫片、高强度弹簧、上金属垫片、弹簧垫圈，且锚杆位于弹簧垫圈的伸出端设置有预紧螺母。

所述托盘体包括上层碟形金属托盘和下层金属底板，所述上层碟形金属托盘和下层金属底板之间设置有闭孔泡沫铝填充层。

所述上金属垫片和下金属垫片的直径大于高强度弹簧的外径。

所述通孔内壁设置有机械润滑油层。

所述的橡胶密封圈设置为耐甲苯o型密封圈。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1、本发明装置能够对地震载荷的大小进行区分，在多遇地震带小冲击载荷作用下采用高强度弹簧的弹性变形吸能，罕遇地震大冲击载荷作用下则采用弹塑性变形吸能，可避免完全采用塑性变形吸能不能重复利用的缺陷，减少锚杆托盘体的更换频率，节省成本，即一次施工，多次使用。

2、本发明装置可根据所使用的地质条件与应力环境进行高强度弹簧规格尺寸和托盘体尺寸、闭孔泡沫铝填充层的物理力学参数的二次设计，参照工程所在地的地震作用荷载状况，使高强度弹簧的刚度与周围围岩的刚度相匹配，使闭孔泡沫铝填充层能够达到设计吸能值，从而实现减震吸能的目的。

3、本发明装置中的托盘体可在工厂加工预制，在完全塑性变形后可作为普通锚杆托盘继续使用，并且旧托盘体中的闭孔泡沫铝可回收后重新融化发泡再次使用，具有可回收性、对环境无污染。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置弹性工作阶段示意图；

图3为办发明装置弹塑性工作阶段示意图；

1-托盘体，101-上层碟形金属托盘，102-下层金属底板，103-闭孔泡沫铝填充层，2-橡胶密封圈，3-通孔，4-锚杆，5-下金属垫片，6-高强度弹簧，7-上金属垫片，8-弹簧垫圈，9-预紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所述，一种减震吸能锚杆托盘，包括托盘体1，所述托盘体1边缘设置有橡胶密封圈2，橡胶密封圈2使闭孔泡沫铝填充层103与空气和地下水隔绝，避免腐蚀性气体或者液体对吸能填充体的侵蚀，延长其使用寿命，另外橡胶密封圈2可以避免周围围岩在动力冲击载荷作用下被托盘体1边缘剐蹭损伤，所述托盘体1中部设置有通孔3，所述通孔3内壁设置有锚杆4，当在动力载荷的作用下，托盘体1与锚杆4之间发生相对滑动，所述托盘体1顶部设置有下金属垫片5，所述下金属垫片5顶部设置有高强度弹簧6，高强度弹簧6线径2mm，外径30mm，所述高强度弹簧6顶部设置有上金属垫片7，下金属垫片5和上金属垫片7厚度均为0.3mm，直径均为40mm，所述上金属垫片7顶部设置有弹簧垫圈8，弹簧垫圈8直径为22mm，弹簧垫圈8以保证预紧螺母9与上金属垫片7之间的紧密接触，避免脱空，所述锚杆4中上部依次贯穿下金属垫片5、高强度弹簧6、上金属垫片7、弹簧垫圈8，且锚杆4位于弹簧垫圈8的伸出端设置有预紧螺母9。

所述托盘体1包括上层碟形金属托盘101和下层金属底板102，上层碟形金属托盘101能够有效的改善托盘体1在静载荷作用对预紧螺母9端头的应力扩散状态，下层金属底板102能够有效贴合支护围岩，从而改善接触围岩的应力状态，控制围岩的变形与破坏，所述上层碟形金属托盘101和下层金属底板102之间设置有闭孔泡沫铝填充层103，闭孔泡沫铝填充层103可在罕遇地震作用下发生塑性变形而吸收冲击能量，上层碟形金属托盘101和下层金属底板102直径均为220mm，且上层碟形金属托盘101为0.3mm厚的碟形铝盘，下层金属底板102为0.3mm后的圆形平板铝盘。

所述上金属垫片7和下金属垫片5的直径大于高强度弹簧6的外径，使高强度弹簧6与预紧螺母9之间充分接触，保证载荷均匀传递。

所述通孔3内壁设置有机械润滑油层，保证锚杆4与托盘体1通孔3之间充分润滑。

所述的橡胶密封圈2设置为耐甲苯o型密封圈，橡胶密封圈2线径3.1mm，外径220mm。

本发明在使用过程中安装方法为，首先在托盘体1通孔3内壁涂膜机械润滑油；其次将锚杆4穿过托盘体1的通孔3；最后依次安装下金属垫片5、高强度弹簧6、上金属垫片7、弹簧垫圈8和预紧螺母9；初拧预紧螺母9使锚杆4与各部件之间紧密接触，后继续拧预紧螺母9给托盘体1施加一定的预应力后完成安装，如图1所示；安装完成后，本发明装置进入工作状态，多遇地震小冲击荷载作用下的弹性吸能阶段，即锚杆4所受的冲击荷载较小时，锚杆4托盘体1的高强度弹簧6被压缩，利用弹性变形吸收冲击作用产生的能量，当冲击荷载卸载后变形恢复，由于变形具有可恢复性，高强度弹簧6可承受多次冲击荷载作用，如图2所示；多遇地震大冲击荷载作用下的弹塑性吸能阶段，即锚杆4所受冲击荷载较大或者持续时间较长时，锚杆4托盘体1进入塑性变形阶段，即冲击作用所产生的能量超出了高强度弹簧6的蓄能阶段，单独依靠高强度弹簧6的压缩变形不能完全吸收时，托盘体1产生塑性变形，首先是应力的增加导致托盘体1的上层碟形金属托盘101变形，随即内部的闭孔金属铝填充层103产生塑性变形，持续吸收冲击作用产生的能量，直至完全被压缩，如图3所示。