【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及隧道高效支護(hù)與軟巖大變形控制的，尤其是一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架及設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、在隧道開挖中，隧道穿越斷層破碎帶或者軟弱圍巖等地質(zhì)，會出現(xiàn)圍巖擠壓大變形問題，大變形產(chǎn)生的圍巖壓力會造成隧道內(nèi)支護(hù)嚴(yán)重破壞，影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重的導(dǎo)致隧道的破壞，甚至威脅施工人員生命安全。
2、現(xiàn)有研究表明，讓壓支護(hù)是應(yīng)對圍巖擠壓大變形問題的有效技術(shù)措施。在現(xiàn)有技術(shù)中，公開號為cn214997711?u的《一種抑制隧道大變形的鋼拱架裝置》在鋼拱架間設(shè)置銜接裝置，銜接裝置由盒體、頂板、讓壓桿、鋼拱架銜接板和彈簧組成。盒體兩端頂板上設(shè)有多個讓壓桿，讓壓桿上嵌套彈簧，彈簧一端與讓壓桿連接，另一端與頂板連接。通過銜接裝置的變形代替鋼拱架變形，從而減少鋼拱架受力，保護(hù)鋼拱架。專利zl?201910995638.6《一種即插型球鉸式可量化讓壓的鋼拱架連接構(gòu)件及使用方法》在兩個鋼拱架之間設(shè)置連接構(gòu)件，連接構(gòu)件包括連桿和套管，連桿包括一端球形端頭、另一端螺紋端頭和中間的桿體；套管為一端封閉、另一端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，在套管內(nèi)壁上靠近封閉一端的位置設(shè)有內(nèi)螺紋部，并在套管開口一端的內(nèi)壁上設(shè)有單向卡合部，通過將連桿插入套筒，筒體內(nèi)螺紋與球形端頭擠壓剪切產(chǎn)生阻力，實(shí)現(xiàn)變形讓壓。但是現(xiàn)有技術(shù)存在如下問題：(1)實(shí)際上地質(zhì)情況不同，圍巖變形也不同，鋼拱架缺乏自適應(yīng)不同圍巖的設(shè)置；(2)圍巖大變形分多個階段，鋼拱架缺乏實(shí)時自調(diào)整與圍巖變形各階段相匹配的讓壓變形設(shè)置；(3)傳統(tǒng)的讓壓連桿與鋼拱架連接不牢，無法有效的保證鋼拱架的穩(wěn)定性；(4)讓壓裝置置于
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架及設(shè)計(jì)方法，該鋼拱架由多個鋼拱架組件組成，并且相鄰兩個鋼拱架組件之間通過非線性連續(xù)讓壓裝置連接，非線性連續(xù)讓壓裝置由相互配合的非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和非線性連續(xù)讓壓裝置下組件組成，通過非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的截圓錐端頭與非線性連續(xù)讓壓裝置下組件的非線性連續(xù)讓壓阻尼器之間的配合，并對非線性連續(xù)讓壓裝置的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)非線性連續(xù)讓壓變形；通過非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的套筒上布設(shè)的滾珠，可以減小套筒與鋼拱架組件之間的摩擦力；非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和非線性連續(xù)讓壓裝置下組件均通過對接筒同鋼拱架組件連接，實(shí)現(xiàn)了鋼拱架組件與非線性連續(xù)讓壓裝置之間的快速連接。
2、本專利技術(shù)目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：
3、一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，所述鋼拱架由多個鋼拱架組件組成，所述鋼拱架組件為工字鋼結(jié)構(gòu)，相鄰兩個所述鋼拱架組件之間通過非線性連續(xù)讓壓裝置連接，相鄰兩個所述鋼拱架組件分別為上部鋼拱架組件和下部鋼拱架組件，所述非線性連續(xù)讓壓裝置由相互配合的非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和非線性連續(xù)讓壓裝置下組件組成，所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件分別安裝在所述上部鋼拱架組件和所述下部鋼拱架組件上；所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件包括套筒、連桿和截圓錐端頭，所述套筒為由一個上端板和四個側(cè)板組裝而成的上部有蓋的矩形結(jié)構(gòu)，所述套筒中兩個面向所述鋼拱架組件的翼板設(shè)置的所述側(cè)板內(nèi)壁設(shè)有多道并列設(shè)置的滑槽，所述滑槽內(nèi)間隔設(shè)有多個可自轉(zhuǎn)的滾珠，所述連桿設(shè)有多個，所述連桿安裝在所述上端板上并位于所述套筒內(nèi)，所述截圓錐端頭同所述連桿下端連接，所述截圓錐端頭外徑從上至下逐漸減小，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件包括下端板和非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述下端板安裝在所述下部鋼拱架組件上，所述下端板上開設(shè)有多個通孔，每個所述通孔內(nèi)安裝有一個所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件和所述下部鋼拱架組件均安裝在所述套筒內(nèi)，所述連桿和所述截圓錐端頭均安裝在所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器內(nèi)。
4、所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器包括阻尼筒和封底端板，所述阻尼筒內(nèi)部設(shè)有截圓錐壁，所述截圓錐壁的內(nèi)徑從上至下逐漸減小，所述封底端板設(shè)于所述阻尼筒的底端并用于封閉所述阻尼筒的底端。
5、所述阻尼筒頂部設(shè)有單向卡合扣。
6、所述單向卡合扣由多個弧形轉(zhuǎn)動板組成，所述弧形轉(zhuǎn)動板沿所述阻尼筒開口端內(nèi)周向布置，單個所述弧形轉(zhuǎn)動板的外側(cè)均通過可回轉(zhuǎn)件同所述阻尼筒連接，多個所述弧形轉(zhuǎn)動板的內(nèi)側(cè)之間形成一個允許所述連桿通過的孔洞。
7、所述套筒通過所述上端板同所述上部鋼拱架組件連接，所述下端板安裝在所述下部鋼拱架組件上。
8、所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的所述上端板與所述上部鋼拱架組件的連接板之間以及所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件的所述下端板與所述下部鋼拱架組件的連接板之間均通過螺栓結(jié)構(gòu)連接。
9、所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件均通過對接筒分別安裝在所述上部鋼拱架組件和所述下部鋼拱架組件上，所述對接筒上設(shè)有同所述鋼拱架組件相配合的工字形槽，兩個所述對接筒分別為上部對接筒和下部對接筒，所述上部對接筒同所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的所述上端板連接，所述下部對接筒同所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件的所述下端板連接。
10、一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：
11、非線性連續(xù)讓壓裝置設(shè)置n個非線性連續(xù)讓壓阻尼器，阻尼筒的外半徑為r，截圓錐壁的上部半徑為r1、下部半徑為r2，所述截圓錐壁的高度為h，所述截圓錐壁的上部環(huán)形厚度為w1、下部環(huán)形厚度為w2，所述截圓錐壁與水平面夾角為α；截圓錐端頭的上部半徑r3、下部為r4，所述截圓錐端頭的高度為h；w4為連桿的直徑，h1是所述截圓錐端頭處于初始位置時所述截圓錐端頭上部與所述截圓錐壁上部之間的距離，此處的初始位置是指所述截圓錐端頭剛好與所述截圓錐壁完全接觸，s是所述截圓錐端頭擠壓行走距離；建立坐標(biāo)系，以所述截圓錐端頭處于初始位置時所述截圓錐端頭上部中心點(diǎn)為原點(diǎn)，以所述截圓錐端頭中心軸線為y軸，以水平方向垂直于y軸為x軸；
12、由所述截圓錐壁受力分析可知，所述截圓錐端頭施加給所述截圓錐壁的壓力分布為p(y)，所述截圓錐壁的摩擦因數(shù)為u，則摩擦力分布f(y)為：
13、f(y)＝up(y)?式1；
14、由所述截圓錐壁受力分析可知，由壓力分布p(y)和摩擦力分布f(y)對所述截圓錐壁產(chǎn)生的豎向力分布n(y)和徑向壓力分布fr(y)分別為：
15、n(y)＝np(y)+nf(y)＝p(y)×cosα+f(y)×sinα?式2；
16、fr(y)＝frp(y)+frf(y)＝p(y)×sinα+f(y)×cosα?式3；
17、當(dāng)所述截圓錐端頭滑動到y(tǒng)時，坐標(biāo)y處所述截圓錐壁產(chǎn)生的環(huán)形應(yīng)變和環(huán)形應(yīng)力分別為：
18、εθr(y)(y)＝δr(y)/r(y)?????式4；
19、σθr(y)(y)＝eεθr(y)(y)?????式5；
20、式中，△r(y)為所述截圓錐端頭滑動到y(tǒng)時所述阻尼筒徑向半徑擴(kuò)大量，δr(y)＝y(tǒng)cotα；r(y)為所述截圓錐本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述鋼拱架由多個鋼拱架組件組成，所述鋼拱架組件為工字鋼結(jié)構(gòu)，相鄰兩個所述鋼拱架組件之間通過非線性連續(xù)讓壓裝置連接，相鄰兩個所述鋼拱架組件分別為上部鋼拱架組件和下部鋼拱架組件，所述非線性連續(xù)讓壓裝置由相互配合的非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和非線性連續(xù)讓壓裝置下組件組成，所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件分別安裝在所述上部鋼拱架組件和所述下部鋼拱架組件上；所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件包括套筒、連桿和截圓錐端頭，所述套筒為由一個上端板和四個側(cè)板組裝而成的上部有蓋的矩形結(jié)構(gòu)，所述套筒中兩個面向所述鋼拱架組件的翼板設(shè)置的所述側(cè)板內(nèi)壁設(shè)有多道并列設(shè)置的滑槽，所述滑槽內(nèi)間隔設(shè)有多個可自轉(zhuǎn)的滾珠，所述連桿設(shè)有多個，所述連桿安裝在所述上端板上并位于所述套筒內(nèi)，所述截圓錐端頭同所述連桿下端連接，所述截圓錐端頭外徑從上至下逐漸減小，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件包括下端板和非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述下端板安裝在所述下部鋼拱架組件上，所述下端板上開設(shè)有多個通孔，每個所述通孔內(nèi)安裝有一個所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件和所述
2.如權(quán)利要求1所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器包括阻尼筒和封底端板，所述阻尼筒內(nèi)部設(shè)有截圓錐壁，所述截圓錐壁的內(nèi)徑從上至下逐漸減小，所述封底端板設(shè)于所述阻尼筒的底端并用于封閉所述阻尼筒的底端。
3.如權(quán)利要求2所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述阻尼筒頂部設(shè)有單向卡合扣。
4.如權(quán)利要求3所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述單向卡合扣由多個弧形轉(zhuǎn)動板組成，所述弧形轉(zhuǎn)動板沿所述阻尼筒開口端內(nèi)周向布置，單個所述弧形轉(zhuǎn)動板的外側(cè)均通過可回轉(zhuǎn)件同所述阻尼筒連接，多個所述弧形轉(zhuǎn)動板的內(nèi)側(cè)之間形成一個允許所述連桿通過的孔洞。
5.如權(quán)利要求1所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述套筒通過所述上端板同所述上部鋼拱架組件連接，所述下端板安裝在所述下部鋼拱架組件上。
6.如權(quán)利要求1所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的所述上端板與所述上部鋼拱架組件的連接板之間以及所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件的所述下端板與所述下部鋼拱架組件的連接板之間均通過螺栓結(jié)構(gòu)連接。
7.如權(quán)利要求1所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件均通過對接筒分別安裝在所述上部鋼拱架組件和所述下部鋼拱架組件上，所述對接筒上設(shè)有同所述鋼拱架組件相配合的工字形槽，兩個所述對接筒分別為上部對接筒和下部對接筒，所述上部對接筒同所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件的所述上端板連接，所述下部對接筒同所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件的所述下端板連接。
8.如權(quán)利要求1～7任一所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述鋼拱架由多個鋼拱架組件組成，所述鋼拱架組件為工字鋼結(jié)構(gòu)，相鄰兩個所述鋼拱架組件之間通過非線性連續(xù)讓壓裝置連接，相鄰兩個所述鋼拱架組件分別為上部鋼拱架組件和下部鋼拱架組件，所述非線性連續(xù)讓壓裝置由相互配合的非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和非線性連續(xù)讓壓裝置下組件組成，所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件和所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件分別安裝在所述上部鋼拱架組件和所述下部鋼拱架組件上；所述非線性連續(xù)讓壓裝置上組件包括套筒、連桿和截圓錐端頭，所述套筒為由一個上端板和四個側(cè)板組裝而成的上部有蓋的矩形結(jié)構(gòu)，所述套筒中兩個面向所述鋼拱架組件的翼板設(shè)置的所述側(cè)板內(nèi)壁設(shè)有多道并列設(shè)置的滑槽，所述滑槽內(nèi)間隔設(shè)有多個可自轉(zhuǎn)的滾珠，所述連桿設(shè)有多個，所述連桿安裝在所述上端板上并位于所述套筒內(nèi)，所述截圓錐端頭同所述連桿下端連接，所述截圓錐端頭外徑從上至下逐漸減小，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件包括下端板和非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述下端板安裝在所述下部鋼拱架組件上，所述下端板上開設(shè)有多個通孔，每個所述通孔內(nèi)安裝有一個所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器，所述非線性連續(xù)讓壓裝置下組件和所述下部鋼拱架組件均安裝在所述套筒內(nèi)，所述連桿和所述截圓錐端頭均安裝在所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種非線性連續(xù)讓壓鋼拱架，其特征在于：所述非線性連續(xù)讓壓阻尼器包括阻尼筒和封底端板，所述阻尼筒內(nèi)部設(shè)有截圓錐壁，所述截圓錐壁的內(nèi)徑從上至下逐漸減小，所述封底端板設(shè)于所述阻尼筒的底端并用于封閉所述阻...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙璐，姚鐵軍，李冰，李文兵，
申請(專利權(quán))人：中鐵十五局集團(tuán)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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