本发明涉及一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器及设计方法，属于边坡地质灾害防护领域。
背景技术：
边坡地质灾害防治是我国土木工程领域所面对的最为重大的问题之一，尤其是在公路、铁路沿线工程中，崩塌、落石、滑坡、泥石流等灾害频发，严重危害了人们的生命财产安全。传统的刚性拦石坝等防护措施对地形要求较高，具有局限性，柔性防护系统轻质高强、安装方便，适用于各种地形，已广泛应用于崩塌、落石、滑坡、泥石流等灾害的防治中。柔性防护系统由支撑柱、柔性金属拦截网、耗能器、拉锚系统组成，防护系统受到冲击时通过网环变形、拉锚系统张紧、耗能器工作从而耗散冲击能量、延长冲击时间并减小冲击力。柔性防护系统工作时耗能器消耗能量最多，起到主要的耗能作用，现有柔性防护系统中主要使用减压环作为耗能器进行耗能。减压环由钢丝绳、金属管和套筒组成，耗能能力有限且占据很大的安装空间，并很难在现有结构的基础上进行优化以大幅度提升其耗能能力。同时，减压环通常在一次工作后就出现破坏、断裂现象，无法重复利用。因此，在柔性防护系统中需要一种耗能能力强，适用于狭窄空间安装，能够重复使用的耗能器。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器及设计方法，主要解决现有边坡柔性防护系统中耗能器耗能能力不足、不适用于狭窄空间安装且无法重复使用的缺陷。
为了实现上述目的，本发明所述耗能器采用的技术方案如下：
一方面，本申请保护一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，包括：
弹簧钢、转轴、销轴、c形夹具和弧形耳板，
所述弹簧钢由方钢绕转轴机械卷制而成，所述弹簧钢一端焊接在转轴上，另一端绕转轴紧密缠绕若干圈后自转轴切向伸出一定长度，该伸出端设有第一连接孔与柔性防护系统的第一支撑绳相连；
转轴内置销轴并可绕销轴转动，销轴两端通过螺栓与c型夹具连接，c型夹具与弧形耳板焊接固定，弧形耳板与柔性防护系统第二支撑绳相连,；
当柔性防护系统受到冲击时，第一支撑绳与第二支撑绳受拉，此时与第一支撑绳连接的弹簧钢会因受拉由盘旋弯曲状态变为拉直状态，通过其塑性变形进行耗能；冲击结束后，拉直的弹簧钢可再次绕转轴盘旋成弹簧状从而实现重复使用。
进一步地，所述转轴是钢制圆筒，内套销轴并留有一定间隙；所述销轴由钢材制成，两端带螺纹并通过螺栓与c型夹具连接。
进一步地，所述c型夹具由钢材制成，包括上下两个夹具翼缘板和中间的夹具腹板，其两个夹具翼缘板留有夹具连接孔与销轴进行螺栓连接，夹具腹板与弧形耳板焊接；所述弧形耳板由钢材制成并带有第二连接孔与柔性防护系统第二支撑绳相连。
进一步地，所述第一支撑绳、第二支撑绳分别通过绳套夹具形成绳套从而分别与第一连接孔、第二连接孔连接，所述绳套夹具采用钢丝绳铝合金压制接头或者钢丝绳夹。
进一步地，若干个弹簧钢、转轴和销轴按一定方式排列并分别通过螺栓与c型夹具连接，其中，所述c型夹具的夹具翼缘板为三角形，每个夹具翼缘板预留若干个夹具连接孔。
另一方面，本申请还保护根据前述的任一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的设计方法，包括如下步骤：
根据经验预估销轴直径并计算转轴内外径；
根据冲击时柔性防护系统支撑绳最大滑移量预估弹簧钢工作时的拉伸长度；
根据耗能需求和弹簧钢工作时的拉伸长度计算耗能器的平均工作拉力，所述耗能器的平均工作拉力由下式确定：
式中：fw是耗能器的平均工作拉力，ee是耗能期望值，表征耗能需求，s1是弹簧钢的拉伸长度；
根据耗能器的平均工作拉力计算设计弹簧钢截面尺寸；
根据耗能器的平均工作拉力和弹簧钢截面尺寸计算弹簧钢伸出部分长度；
根据弹簧钢工作时的拉伸长度设计弹簧钢的盘旋长度；
根据弹簧钢盘旋长度确定销轴和转轴的高度，所述销轴和转轴的高度根据下式确定：
h2＝h1 2t3 2t4 2t5
其中：h1为转轴高度，[x]表示取整函数，t1为弹簧钢螺距，t2为弹簧钢末端与转轴末端的距离，h2为转轴高度，t3为c形夹具与转轴轴向间隙，t4为c形夹具翼缘板厚度，t5为销轴锚固长度；
根据构造需求计算设计c形夹具各部分尺寸；
校核销轴挠度是否满足使用需求；
计算设计弧形耳板尺寸；
通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求。
进一步地，所述转轴内外径通过下式确定：
d2＝d1 2δ
d3＝d2 2t
式中：d1为销轴直径，d2为转轴内径，δ为销轴与转轴环向间隙，d3为转轴外径，t为转轴壁厚取20mm。
进一步地，所述弹簧钢截面尺寸根据塑性弯曲理论由下式确定：
式中：b1是弹簧钢宽度，t是弹簧钢厚度，fs是弹簧钢的启动力令其等于fw，f1是弹簧钢的抗弯强度设计值。
进一步地，所述耗能器弹簧钢的第一连接孔，其直径和位置由下式确定：
式中：d1为第一连接孔的直径，f2为弹簧钢的抗拉强度，l2为第一连接孔边缘与弹簧钢伸出部分端面的距离，fv1为弹簧钢抗剪强度设计值。
进一步地，所述弹簧钢一端延转轴切向伸出一定长度，该伸出长度由下式确定：
式中：l1为弹簧钢伸出长度。
进一步地，所述弹簧钢的盘旋长度根据下式确定：
s2＝s1 s0
式中：s2为弹簧钢的盘旋长度，s0为弹簧钢的焊接长度取100mm。
进一步地，所述c形夹具的夹具连接孔位置由下式确定：
式中：l4为夹具翼缘板的夹具连接孔边缘到板端的距离，fv2为c形夹具钢材抗剪强度设计值。
进一步地，所述c形夹具翼缘板尺寸由下式确定：
其中：b2为c形夹具翼缘板宽度，f3为c形夹具钢材抗拉强度设计值,d4为夹具连接孔直径，计算时取d4＝d1，l3为夹具翼缘板长度，t6为夹具腹板与弹簧钢间距。
进一步地，所述夹具腹板尺寸由下式确定：
h3＝h1 2t3
式中：h3是夹具腹板高度，此外，夹具腹板与夹具翼缘板保持相同的截面尺寸。
进一步地，所述销轴采用材料力学方法根据下式校核：
其中：ωc为销轴最大挠度，q为等效均布荷载取
进一步地，所述弧形耳板各部分尺寸及第二连接孔位置根据下式确定：
r＝d2 2r1
其中：r1为第二连接孔边缘到圆弧顶点的距离，d2为第二连接孔的直径，取d2＝d1，r为弧形耳板拱高，弦长与夹具腹板高度相等为h3。
本发明有效益效果如下：
本发明所述耗能器的弹簧钢通过方钢卷制成为弹簧状作为初始状态，工作时弹簧钢绕圆筒状转轴，通过弯曲状态变为拉直状态，由其塑性变形耗散能量。作为边坡柔性防护系统的组成部分，本发明可有效地提高防护系统的耗能能力，并有效地延长冲击时间从而减小冲击力。
本发明所述耗能器设计合理，耗能机制明确，可通过调整弹簧钢的截面尺寸与销轴(3)的直径有效地针对耗能需求进行计算设计。
本发明所述耗能器结构简单、轻便，所占用的安装空间较小，安装、拆卸和维护十分方便。
本发明所述耗能器不仅可以单独使用，还可以组合使用，组合使用时可大幅度地提高其耗能能力。
本发明所述耗能器设计巧妙，其主要耗能构件弹簧钢通过方钢绕转轴卷制成为弹簧状态，工作时弹簧钢绕转轴转动，从弯曲状态变为拉直状态，通过其塑性变形消耗能量。冲击结束后，弹簧钢拉直部分可再次绕转轴盘旋成弹簧状从而实现反复使用，大大降低了边坡柔性防护系统中耗能器的使用成本，比现有耗能器更为经济合理。本发明具有实质性特点和进步，拥有十分广泛的市场应用前景，非常适合推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的结构示意图。
图2为本申请实施例的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的c型夹具示意图。
图3为本申请实施例的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的组合使用示意图。
图4为本申请实施例的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的设计方法计算流程示意图。
图5为本申请实施例的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的设计方法涉及的符号的标识示意图。
上述附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或部件，附图标记对应的结构或部件名称如下：
1-弹簧钢，2-转轴，3-销轴，4-c型夹具，5-弧形耳板，6-第一支撑绳，7-夹具，8-绳套，9-第一连接孔，10-第二连接孔，11-螺栓，12-钢缆绳，13-夹具翼缘板，14-夹具连接孔，15-夹具腹板，16-第二支撑绳
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，该耗能器单独使用时包括1个弹簧钢(1)、1根转轴(2)、1根销轴(3)、1个c形夹具(4)和1个弧形耳板(5)。所述弹簧钢(1)由方钢绕转轴(2)机械卷制而成，所述弹簧钢(1)一端焊接在转轴(2)上，另一端绕转轴(2)紧密缠绕若干圈后自转轴(2)切向伸出一定长度，该伸出端设有第一连接孔(9)与柔性防护系统的第一支撑绳(6)相连；
转轴(2)内置销轴(3)并可绕销轴(3)转动，销轴(3)两端通过螺栓(11)与c型夹具(4)连接，c型夹具(4)与弧形耳板(5)焊接固定，弧形耳板(5)与柔性防护系统第二支撑绳(16)相连,；
当柔性防护系统受到冲击时，第一支撑绳(6)与第二支撑绳(16)受拉，此时与第一支撑绳(6)连接的弹簧钢(1)会因受拉由盘旋弯曲状态变为拉直状态，通过其塑性变形进行耗能；冲击结束后，拉直的弹簧钢(1)可再次绕转轴(2)盘旋成弹簧状从而实现重复使用。
所述转轴(2)是钢制圆筒，内套销轴(3)并留有一定间隙；所述销轴(3)由钢材制成，两端带螺纹并通过螺栓(11)与c型夹具(4)连接。
所述c型夹具(4)由钢材制成，包括上下两个夹具翼缘板(13)和中间的夹具腹板(15)，其两个夹具翼缘板(13)留有夹具连接孔(14)与销轴(3)进行螺栓连接，夹具腹板(15)与弧形耳板(5)焊接；所述弧形耳板(5)由钢材制成并带有第二连接孔(10)与柔性防护系统第二支撑绳(16)相连。
所述第一支撑绳(6)、第二支撑绳(16)分别通过绳套夹具(7)形成绳套(8)从而分别与第一连接孔(9)、第二连接孔(10)连接，所述绳套夹具(7)采用钢丝绳铝合金压制接头或者钢丝绳夹。
本申请实例的还提供一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的设计方法，参照图4-5所示的设计流程进行计算设计：
预设销轴直径并计算转轴内外径：预设销轴直径为30mm，根据等式d2＝d1 2δ和d3＝d2 2t计算转轴内外径，取销轴与转轴环向间隙2δ为5mm，壁厚t取20mm，故带入可得转轴内径d2＝35mm，外径d3＝75mm；
预估弹簧钢工作时的拉伸长度：根据本实施例所连接的柔性防护系统支撑绳滑移量预估，本实施例耗能器拉伸长度s1为2000mm；
根据耗能需求和弹簧钢工作时的拉伸长度计算耗能器的平均工作拉力：本实施例预期耗能ee为140kj，根据等式
根据耗能器的工作拉力计算设计弹簧钢截面：根据等式
根据耗能器的工作拉力计算设计弹簧钢伸出部分：先根据不等式
根据弹簧钢工作时的拉伸长度设计弹簧钢的盘旋长度：根据等式s2＝s1 s0确定弹簧钢的盘旋长度，s0为焊接长度取100mm，s1为2000mm，故盘旋长度s2＝2100mm；
根据弹簧钢盘旋长度确定销轴和转轴的高度：根据等式
根据构造需求计算设计c形夹具(4)各部分尺寸：其中c形夹具(4)翼缘板宽度和孔洞位置根据等式
校核销轴挠度是否满足使用需求：根据不等式
计算设计弧形耳板尺寸：根据不等式
通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求：通过ls-dyna进行数值计算可得按照本实施例设计的耗能器平均工作拉力约为69.67kn，弹簧钢塑性变形耗能约为134kj。
上述设计流程中涉及的符号如图4所示，单独使用该耗能器时，根据设计流程中的设计方法及公式，计算设计销轴、转轴和弹簧钢，从而形成该耗能器单独使用时的主体结构。
设计好主体结构后，根据设计流程中的设计方法及公式，计算设计c形夹具(4)和弧形耳板，从而形成该耗能器单独使用时的附属结构。
柔性防护系统的第一支撑绳(6)通过夹具(7)形成绳套(8)从而形成该耗能器单独使用时的连接结构。
将耗能器主体结构与附属结构通过螺栓(11)连接好后，再通过连接结构与柔性防护系统支撑绳进行连接，从而形成图1所示的本发明单独使用时的完整结构。
按照本实施例单独使用本发明所述的耗能器时，理论计算耗能可达140kj，经数值仿真计算得耗能为134kj。此误差是由于理论计算采用的方法更为简化，且理论计算设计时考虑了施工工艺要求，从而对计算结果进行了合理地取整。通过数值模拟验证本设计方法较为精确，可满足工程需求。
实施例2
如图3所示，一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器组合及设计方法，该耗能器按本实施例组合使用时包括3个弹簧钢(1)、3根转轴(2)、3根销轴(3)、1个c形夹具(4)和1个弧形耳板(5)。
如图3所示，按本实施例组合使用该耗能器时，按照实施例1中的做法形成3个该耗能器单独使用时的主体结构，按一定方式排列形成按本实施例组合使用时该耗能器的主体结构。
按本实施例组合使用该耗能器时，将实施例1中c型夹具(4)的夹具翼缘板(13)更换为三角形，每个夹具翼缘板(13)预留3个夹具连接孔(14)，同时根据拉力大小重新设计弧形耳板(5)的尺寸从而形成按本实施例组合使用时该耗能器的附属结构。
按本实施例组合使用该耗能器时，柔性防护系统的第一支撑绳(6)通过夹具(7)形成绳套(8)，3个弹簧钢用不同长度的钢缆绳(12)连接到同一个绳套上从而形成按本实施例组合使用时该耗能器的连接结构。
将按本实施例组合使用时该耗能器的主体结构与附属结构通过螺栓(11)连接好后，再通过连接结构与柔性防护系统支撑绳进行连接，从而形成图3所示的按本实施例组合使用时该耗能器的完整结构。
当柔性防护系统受到冲击时，支撑绳受拉，3个弹簧钢同时受拉从弯曲状态变为拉直状态。按照本实施例组合使用该耗能器时，耗能能力可大幅度提升。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的内容基础上做出一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
1.一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，其特征在于，包括：
弹簧钢(1)、转轴(2)、销轴(3)、c形夹具(4)和弧形耳板(5)，
所述弹簧钢(1)由方钢绕转轴(2)机械卷制而成，所述弹簧钢(1)一端焊接在转轴(2)上，另一端绕转轴(2)紧密缠绕若干圈后自转轴(2)切向伸出一定长度，该伸出端设有第一连接孔(9)与柔性防护系统的第一支撑绳(6)相连；
转轴(2)内置销轴(3)并可绕销轴(3)转动，销轴(3)两端通过螺栓(11)与c型夹具(4)连接，c型夹具(4)与弧形耳板(5)焊接固定，弧形耳板(5)与柔性防护系统第二支撑绳(16)相连,；
当柔性防护系统受到冲击时，第一支撑绳(6)与第二支撑绳(16)受拉，此时与第一支撑绳(6)连接的弹簧钢(1)会因受拉由盘旋弯曲状态变为拉直状态，通过其塑性变形进行耗能；冲击结束后，拉直的弹簧钢(1)可再次绕转轴(2)盘旋成弹簧状从而实现重复使用。
2.根据权利要求1或2所述的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，其特征在于，所述转轴(2)是钢制圆筒，内套销轴(3)并留有一定间隙；所述销轴(3)由钢材制成，两端带螺纹并通过螺栓(11)与c型夹具(4)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，其特征在于，所述c型夹具(4)由钢材制成，包括上下两个夹具翼缘板(13)和中间的夹具腹板(15)，其两个夹具翼缘板(13)留有夹具连接孔(14)与销轴(3)进行螺栓连接，夹具腹板(15)与弧形耳板(5)焊接；所述弧形耳板(5)由钢材制成并带有第二连接孔(10)与柔性防护系统第二支撑绳(16)相连。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，其特征在于，所述第一支撑绳(6)、第二支撑绳(16)分别通过绳套夹具(7)形成绳套(8)从而分别与第一连接孔(9)、第二连接孔(10)连接，所述绳套夹具(7)采用钢丝绳铝合金压制接头或者钢丝绳夹。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器，其特征在于，若干个弹簧钢(1)、转轴(2)和销轴(3)按一定方式排列并分别通过螺栓(11)与c型夹具(4)连接，其中，所述c型夹具(4)的夹具翼缘板(13)为三角形，每个夹具翼缘板(13)预留若干个夹具连接孔(14)。
6.如权利要求1-5之一所述的一种用于边坡柔性防护系统的簧式屈服型耗能器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据经验预估销轴(3)直径并计算转轴(2)内外径；
根据冲击时柔性防护系统支撑绳最大滑移量预估弹簧钢(1)工作时的拉伸长度；
根据耗能需求和弹簧钢(1)工作时的拉伸长度计算耗能器的平均工作拉力，所述耗能器的平均工作拉力由下式确定：
式中：fw是耗能器的平均工作拉力，ee是耗能期望值，表征耗能需求，s1是弹簧钢(1)的拉伸长度；
根据耗能器的平均工作拉力计算设计弹簧钢(1)截面尺寸；
根据耗能器的平均工作拉力和弹簧钢(1)截面尺寸计算弹簧钢(1)伸出部分长度；
根据弹簧钢(1)工作时的拉伸长度设计弹簧钢(1)的盘旋长度；
根据弹簧钢(1)盘旋长度确定销轴(3)和转轴(2)的高度，所述销轴(3)和转轴(2)的高度根据下式确定：
h2＝h1 2t3 2t4 2t5
其中：h1为转轴(2)高度，[x]表示取整函数，t1为弹簧钢(1)螺距，t2为弹簧钢(1)末端与转轴(2)末端的距离，h2为转轴(2)高度，t3为c形夹具(4)与转轴(2)轴向间隙，t4为c形夹具(4)翼缘板厚度，t5为销轴(3)锚固长度；
根据构造需求计算设计c形夹具(4)各部分尺寸；
校核销轴(3)挠度是否满足使用需求；
计算设计弧形耳板(5)尺寸；
通过数值仿真计算或实验检验耗能器是否满足使用需求。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述转轴(2)内外径通过下式确定：
d2＝d1 2δ
d3＝d2 2t
式中：d1为销轴(3)直径，d2为转轴(2)内径，δ为销轴(3)与转轴(2)环向间隙，d3为转轴(2)外径，t为转轴(2)壁厚取20mm。
8.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述弹簧钢(1)截面尺寸根据塑性弯曲理论由下式确定：
式中：b1是弹簧钢(1)宽度，t是弹簧钢(1)厚度，fs是弹簧钢(1)的启动力令其等于fw，f1是弹簧钢(1)的抗弯强度设计值。
9.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述耗能器弹簧钢(1)的第一连接孔(9)，其直径和位置由下式确定：
式中：d1为第一连接孔的直径，f2为弹簧钢(1)的抗拉强度，l2为第一连接孔边缘与弹簧钢(1)伸出部分端面的距离，fv1为弹簧钢(1)抗剪强度设计值。
10.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述弹簧钢(1)一端延转轴(2)切向伸出一定长度，该伸出长度由下式确定：
式中：l1为弹簧钢(1)伸出长度。
11.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述弹簧钢(1)的盘旋长度根据下式确定：
s2＝s1 s0
式中：s2为弹簧钢(1)的盘旋长度，s0为弹簧钢(1)的焊接长度取100mm。
12.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述c形夹具(4)的夹具连接孔(14)位置由下式确定：
式中：l4为夹具翼缘板(13)的夹具连接孔(14)边缘到板端的距离，fv2为c形夹具(4)钢材抗剪强度设计值。
13.根据权利要求12所述的设计方法，其特征在于，所述c形夹具(4)翼缘板尺寸由下式确定：
其中：b2为c形夹具(4)翼缘板宽度，f3为c形夹具(4)钢材抗拉强度设计值,d4为夹具连接孔(14)直径，计算时取d4＝d1，l3为夹具翼缘板长度，t6为夹具腹板与弹簧钢(1)间距。
14.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述夹具腹板(15)尺寸由下式确定：
h3＝h1 2t3
式中：h3是夹具腹板(15)高度，此外，夹具腹板(15)与夹具翼缘板(13)保持相同的截面尺寸。
15.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述销轴(3)采用材料力学方法根据下式校核：
其中：ωc为销轴(3)最大挠度，q为等效均布荷载取
16.根据权利要求6或7所述的设计方法，其特征在于，所述弧形耳板(5)各部分尺寸及第二连接孔(10)位置根据下式确定：
r＝d2 2r1
其中：r1为第二连接孔(10)边缘到圆弧顶点的距离，d2为第二连接孔(10)的直径，取d2＝d1，r为弧形耳板(5)拱高，弦长与夹具腹板(15)高度相等为h3。
技术总结