一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法与流程

1.本发明涉及边坡地质灾害防护领域，特别是涉及一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法。


背景技术：

2.钢丝绳网是一类重要的柔性防护系统，适用于危岩落石、崩塌碎屑体、不稳定坡面等的主动控制与防护。传统钢丝绳网由于缺乏针对钢丝绳网极限变形、承载的计算分析方法，存在网片形式单一、传力模式固定的缺点，无法对钢丝绳网极限性能进行科学设计与优化。实际上，钢丝绳网变形、承载性能的影响因素包括：钢丝绳方向角、网孔尺寸、加载偏心、加载区域尺寸、锚固点位置、网片柔性边界。通过对关键影响指标进行量化调整与优化，科学调控从而实现网片优化设计。此外，钢丝绳网片与支撑绳、缝合绳之间的连接方式及安装过程主要依靠工程人员的经验，实际防护网系统的钢丝绳网片往往存在试验检测结果离散性大、抗顶破能力差的现状，难以满足柔性防护系统的安全性要求。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法及网型实现方式。通过调控与优化网片传力路径实现钢丝绳网的承载力提升，通过标定支撑绳、缝合绳及网片初始状态的变形指标对钢丝绳网的柔性边界实现了定量控制。对钢丝绳网极限承载性能的影响因素进行了分类及参数化，推导了适用于任意边界刚度、加载区域尺寸条件下钢丝绳网极限承载及变形性能的计算公式，解决了实际防护系统中钢丝绳网的柔性边界控制、优化设计及工程应用等问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法，其包括如下步骤：步骤（1）：钢丝绳网片面外刚度控制；步骤（2）：钢丝绳网柔性边界刚度控制；步骤（3）：钢丝绳网传力路径优化；步骤（4）：承载力提升的最优网型确定；步骤（5）：钢丝绳规格选型与配置；步骤（6）：钢丝绳材料性能试验；步骤（7）：力矢量分布及力流分析；步骤（8）：钢丝绳网片变形、承载力计算；步骤（9）：对钢丝绳网初始边界条件、钢丝绳规格、几何尺寸参数进行调整，循环进行步骤（1）~（8），计算钢丝绳网的极限变形及承载力，当计算结果及参数选择达到安全、有效防护条件下的最优解时，选定设计参数。
5.作为优选，步骤（1）中，钢丝绳网片刚度控制的方法为：通过调整柔性防护网中的钢丝绳几何参数及强度参数对钢丝绳网片的面外刚度
进行控制；钢丝绳初始长度为，初始轴向力为，截面面积为ar，钢丝绳轴向拉伸直至破坏全过程位移-荷载曲线特征点坐标为，，
…
，
…
其中l
n,i
、f
n,i
（i=1,2,3
…
）分别为任意拉伸时刻的钢丝绳长度、轴向荷载，则钢丝绳拉伸全过程的各阶段割线刚度控制表达式为：。
6.作为优选，步骤（2）中，钢丝绳网柔性边界刚度控制的方法为：通过调整边界钢丝绳的配置数量及规格参数对钢丝绳网片的边界刚度进行控制；面外加载下，边界位置的钢丝绳受到网片拖拽作用，边界钢丝绳的变形呈二次曲线：其中为变形后钢丝绳曲线上的任意点坐标，为钢丝绳初始计算长度；为钢丝绳变形后挠度，可由下式计算：其中为边界钢丝绳受到的均布荷载，为边界钢丝绳弹性模量，a为边界钢丝绳截面面积；进一步可得到柔性钢丝绳网片的边界刚度为：其中为钢丝绳最大轴向力发展程度，为钢丝屈服强度。
7.作为优选，步骤（3）中，钢丝绳网传力路径优化的方法为：通过调节钢丝绳网中钢丝绳布置的方向角实现对其最短传力路径的优化，从而提高钢丝绳网的整体承载力；面外加载作用下，荷载由加载区域传递至传力区域，钢丝绳内力矢量方向与沿加载区域边缘分布的钢丝绳方向一致；加载区域边缘的力矢量作用点标记为p1, p2ꢀ…ꢀ
piꢀ…ꢀ
pm，对应边界处的力矢量作用点标记为q1, q2ꢀ…ꢀ
qiꢀ…ꢀ
qm；则钢丝绳与方向边界与方向边界夹角，可分别表示为：网片边界长度为w，则网片最短传力路径的长度可表示为：
当钢丝绳与边界之间为正交关系时，钢丝绳网传力路径达到最小值；由于最短传力路径上的钢丝绳轴向荷载发展最快，通过优化钢丝绳网传力路径可有效实现网片承载力的提升。
8.作为优选，步骤（4）中，承载力提升的最优网型确定的方法为：根据步骤（3），当网片中的钢丝绳方向角为正交关系时，网片的传力路径最短，结合步骤（1）、步骤（2）对钢丝绳网面外刚度、柔性边界进行量化控制，可获得承载力提升的最优网型；柔性防护系统安装位置及布置面积可根据对不稳定岩土体分布地质勘查及三维坡体模型进行确定。
9.作为优选，步骤（5）中，钢丝绳规格选型与配置的方法为：根据步骤（1）、（3）中确定不稳定岩土体的体积及钢丝绳布置，设计纵向支撑绳、横向支撑绳的强度及几何尺寸；根据步骤（4）中确定的钢丝绳网安装位置，沿水平、竖直两个方向分布的锚固点布置支撑绳；钢丝绳下料长度l
rope
为所有水平支撑绳长度、竖直支撑绳长度以及预留端头长度之和。
10.作为优选，步骤（6）中，钢丝绳材料性能试验的方法为：根据步骤（5）中确定的纵向支撑绳、横向支撑绳的强度及几何尺寸，开展钢丝绳轴向拉伸试验，获得钢丝绳荷载-位移曲线，依据支撑绳、缝合绳轴向拉伸性能及配置情况计算钢丝绳网片的边界刚度。
11.作为优选，步骤（7）中，力矢量分布及力流分析的方法为：根据步骤（4）中确定不稳定岩土体的体积及质量，设定钢丝绳网片的加载区域面积；加载区域被钢丝绳网中的网孔分割，沿边缘位置形成了一系列交点，加载区域边缘的交点标记为p1, p2ꢀ…ꢀ
piꢀ…ꢀ
pm，对应边界处的交点标记为q1, q2ꢀ…ꢀ
qiꢀ…ꢀ
qm；这些交点即为钢丝绳内力矢量的作用点，沿x轴、y轴的单元数量均为m，则：其中r
p
为加载区域半径，a为钢丝绳网孔尺寸，加载区域边缘pi点三维坐标（x
p
[i], y
p
[i], z
p
[i]）如式其中网片边界长度为w，定义偏角θ为网片几何中心与第一象限内矩形边界角点连线与
x轴正半轴之间的夹角，θ的取值范围为[0, 90
°
]；当时，与y轴平行的钢丝绳piqi分别交于相互垂直的两条边界上，记与左边界交点个数为m1，与右边界交点数为m2，则：对应边界位置分布的力作用点位置由下式计算：当，与y轴平行的钢丝绳piqi只与一条边界相交，对应边界位置分布的力作用点三维坐标位置（xq[i], yq[i], zq[i]）由下式计算：当时， m1、m2由下式计算：边界处qi点坐标由下式计算：作为优选，步骤（8）中，钢丝绳网片变形、承载力计算的方法为：根据步骤（7）得到的力矢量作用点坐标，初始时刻钢丝绳内力为零，任意时刻钢丝绳总长度由下式计算：
初始时刻，加载区域边缘与边界位置的力矢量作用点坐标，钢丝绳初始长度为：计算加载过程中钢丝绳的变形发展，并结合钢丝绳本构关系计算钢丝绳内力，当网片内钢丝绳达到失效条件时，钢丝绳网片获得柔性边界条件下的极限变形及承载力；钢丝绳发生破坏时的最大长度为：钢丝绳材料参数通过轴向拉伸试验获得：包括、为钢丝绳轴向力发展程度，为钢丝绳屈服强度，为屈服前钢丝绳刚度值，为屈服后钢丝绳刚度值；钢丝绳最大变形长度l
max
与网片最大变形h三者组成了直角三角形，由勾股定理得，顶破位移为：每个钢丝绳内力矢量f[i]；其中，第i个钢丝绳弹性极限长度为，将全部力矢量向竖直方向投影，考虑对称性得到菱形网片的顶破承载力：。
[0012]
本发明的有益效果为：提出了适用于钢丝绳网的计算分析方法，能够考虑加载区域尺寸、边界刚度、钢丝绳强度、网片形状、钢丝绳方向角等多因素对网片安全性能的影响，解决了刚性边界、柔性边界条件下钢丝绳网片的优化设计及其极限性能控制难题。通过调节网片中的钢丝绳方向角、网孔尺寸，使其具有更有效的传力路径。新型钢丝绳网具备柔性边界条件，同时通过控制边界钢丝绳的初始条件，实现了对钢丝绳网片边界刚度的量化控制，使得新型钢丝绳网具有更稳定的极限承载及变形性能。
附图说明
[0013]
图1为实施例1中一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法的流程图；图2为实施例2中一种用于边坡柔性防护系统的新型钢丝绳网示意图；图3为实施例2中目标防护边坡三维模型与钢丝绳网布置示意图；图4为实施例2中柔性边界下钢丝绳网计算模型示意图；图5为实施例2中钢丝绳网片与曲面型加载区域相对位置示意图。
[0014]
其中，1、柔性边界，2、连接部件，3、钢丝绳网片，4、加载区域，5、约束扣件，6、绳端约束套筒，7、无人机，8、纵向钢丝绳，9、横向钢丝绳，10、目标防护边坡，11、锚固部件，12、钢丝绳网及其安装位置，13、正交、斜交钢丝绳及网孔分布，14、钢丝绳网片方向角，15、钢丝绳网传力路径。
具体实施方式
[0015]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0016]
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
[0017]
实施例1如图1所示，本实施例提供了一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法，其包括如下步骤：步骤（1）：钢丝绳网片面外刚度控制；步骤（2）：钢丝绳网柔性边界刚度控制；步骤（3）：钢丝绳网传力路径优化；步骤（4）：承载力提升的最优网型确定；步骤（5）：钢丝绳规格选型与配置；步骤（6）：钢丝绳材料性能试验；步骤（7）：力矢量分布及力流分析；步骤（8）：钢丝绳网片变形、承载力计算；步骤（9）：对钢丝绳网初始边界条件、钢丝绳规格、几何尺寸参数进行调整，循环进行步骤（1）~（8），计算钢丝绳网的极限变形及承载力，当计算结果及参数选择达到安全、有效防护条件下的最优解时，选定设计参数。
[0018]
步骤（1）中，钢丝绳网片刚度控制的方法为：通过调整柔性防护网中的钢丝绳几何参数及强度参数对钢丝绳网片的面外刚度进行控制；钢丝绳初始长度为，初始轴向力为，截面面积为ar，钢丝绳轴向拉伸直至破坏全过程位移-荷载曲线特征点坐标为，，
…
，
…
其中l
n,i
、f
n,i
（i=1,2,3
…
）分别为任意拉伸时刻的钢丝绳长度、轴向荷载，则钢丝绳拉伸全过程的各阶段割线刚度控制表达式为：。
[0019]
步骤（2）中，钢丝绳网柔性边界刚度控制的方法为：通过调整边界钢丝绳的配置数量及规格参数对钢丝绳网片的边界刚度进行控制；面外加载下，边界位置的钢丝绳受到网片拖拽作用，边界钢丝绳的变形呈二次曲线：
其中为变形后钢丝绳曲线上的任意点坐标，为钢丝绳初始计算长度；为钢丝绳变形后挠度，可由下式计算：其中为边界钢丝绳受到的均布荷载，为边界钢丝绳弹性模量，a为边界钢丝绳截面面积；进一步可得到柔性钢丝绳网片的边界刚度为：其中为钢丝绳最大轴向力发展程度，为钢丝屈服强度。
[0020]
步骤（3）中，钢丝绳网传力路径优化的方法为：通过调节钢丝绳网中钢丝绳布置的方向角实现对其最短传力路径的优化，从而提高钢丝绳网的整体承载力；面外加载作用下，荷载由加载区域传递至传力区域，钢丝绳内力矢量方向与沿加载区域边缘分布的钢丝绳方向一致；加载区域边缘的力矢量作用点标记为p1, p2ꢀ…ꢀ
piꢀ…ꢀ
pm，对应边界处的力矢量作用点标记为q1, q2ꢀ…ꢀ
qiꢀ…ꢀ
qm；则钢丝绳与方向边界与方向边界夹角，可分别表示为：网片边界长度为w，则网片最短传力路径的长度可表示为：当钢丝绳与边界之间为正交关系时，钢丝绳网传力路径达到最小值；由于最短传力路径上的钢丝绳轴向荷载发展最快，通过优化钢丝绳网传力路径可有效实现网片承载力的提升。
[0021]
步骤（4）中，承载力提升的最优网型确定的方法为：根据步骤（3），当网片中的钢丝绳方向角为正交关系时，网片的传力路径最短，结合步骤（1）、步骤（2）对钢丝绳网面外刚度、柔性边界进行量化控制，可获得承载力提升的最优网型；柔性防护系统安装位置及布置面积可根据对不稳定岩土体分布地质勘查及三维坡体模型进行确定。
[0022]
步骤（5）中，钢丝绳规格选型与配置的方法为：根据步骤（1）、（3）中确定不稳定岩土体的体积及钢丝绳布置，设计纵向支撑绳、横向支撑绳的强度及几何尺寸；根据步骤（4）中确定的钢丝绳网安装位置，沿水平、竖直两个方向分布的锚固点布置支撑绳；
钢丝绳下料长度l
rope
为所有水平支撑绳长度、竖直支撑绳长度以及预留端头长度之和。
[0023]
步骤（6）中，钢丝绳材料性能试验的方法为：根据步骤（5）中确定的纵向支撑绳、横向支撑绳的强度及几何尺寸，开展钢丝绳轴向拉伸试验，获得钢丝绳荷载-位移曲线，依据支撑绳、缝合绳轴向拉伸性能及配置情况计算钢丝绳网片的边界刚度。
[0024]
步骤（7）中，力矢量分布及力流分析的方法为：根据步骤（4）中确定不稳定岩土体的体积及质量，设定钢丝绳网片的加载区域面积；加载区域被钢丝绳网中的网孔分割，沿边缘位置形成了一系列交点，加载区域边缘的交点标记为p1, p2ꢀ…ꢀ
piꢀ…ꢀ
pm，对应边界处的交点标记为q1, q2ꢀ…ꢀ
qiꢀ…ꢀ
qm；这些交点即为钢丝绳内力矢量的作用点，沿x轴、y轴的单元数量均为m，则：其中r
p
为加载区域半径，a为钢丝绳网孔尺寸，加载区域边缘pi点三维坐标（x
p
[i], y
p
[i], z
p
[i]）如式网片边界长度为w，定义偏角θ为网片几何中心与第一象限内矩形边界角点连线与x轴正半轴之间的夹角，θ的取值范围为[0, 90
°
]；当时，与y轴平行的钢丝绳piqi分别交于相互垂直的两条边界上，记与左边界交点个数为m1，与右边界交点数为m2，则：对应边界位置分布的力作用点三维坐标位置（xq[i], yq[i], zq[i]）由下式计算：
当，与y轴平行的钢丝绳piqi只与一条边界相交，对应边界位置分布的力作用点位置由下式计算：当时， m1、m2由下式计算：边界处qi点坐标由下式计算：步骤（8）中，钢丝绳网片变形、承载力计算的方法为：根据步骤（7）得到的力矢量作用点坐标，初始时刻钢丝绳内力为零，任意时刻钢丝绳总长度由下式计算：初始时刻，加载区域边缘与边界位置的力矢量作用点坐标，钢丝绳初始长度为：计算加载过程中钢丝绳的变形发展，并结合钢丝绳本构关系计算钢丝绳内力，当网片内钢丝绳达到失效条件时，钢丝绳网片获得柔性边界条件下的极限变形及承载力；钢丝绳发生破坏时的最大长度为：
钢丝绳材料参数通过轴向拉伸试验获得：包括、为钢丝绳轴向力发展程度，为钢丝绳屈服强度，为屈服前钢丝绳刚度值，为屈服后钢丝绳刚度值；钢丝绳最大变形长度l
max
与网片最大变形h三者组成了直角三角形，由勾股定理得，顶破位移为：每个钢丝绳内力矢量f[i]；其中，第i个钢丝绳弹性极限长度为，将全部力矢量向竖直方向投影，考虑对称性得到菱形网片的顶破承载力：。
[0025]
实施例2如图2、图3、图4、图5所示，本实施例提供了一种用于边坡柔性防护系统的新型钢丝绳网，包括柔性边界1、连接部件2、钢丝绳网片3、约束扣件5、绳端约束套筒6、及锚固部件11。所述的锚固部件11安装于目标防治边坡10的坡体表面，锚固部件11确定了钢丝绳网及其安装位置12，同时限定了钢丝绳网的外形尺寸。所述的柔性边界1连接在锚固点之间，形成了钢丝绳网片边界。所述的钢丝绳网片3安装于柔性边界以内的四边形区域12内。所述连接部件将钢丝绳网片3与柔性边界1连接形成整体，覆盖在坡体表面。所述的约束扣件5位于钢丝绳网片中钢丝绳之间的交叉位置，形成了规则形状的钢丝绳网孔空间。所述的绳端约束套筒6位于钢丝绳网片3角点位置，用于约束钢丝绳端部，所述的纵向钢丝绳8沿坡面向下布置，横向钢丝绳9沿坡面水平方向布置，将不规则坡面分割为阵列分布的四边形区域12；面外加载作用下，荷载沿钢丝绳网片3的钢丝绳网传力路径15传递至锚固部件11，形成了空间力系平衡条件。
[0026]
本实施例提供了一种用于边坡柔性防护系统钢丝绳网的设计优化方法：一、针对地灾隐患区域进行地质调查，建立三维xyz坐标系，通过无人机7摄影对坡面信息进行还原，生成坡面三维坐标点云{x[i], y[i], z[i]}，建立三维坡体模型。根据不稳定岩土体在边坡上的分布位置情况，确定柔性防护系统安装位置及布置面积，估算不稳定岩土体的体积v、质量m以及岩质特性。
[0027]
二、根据坡面地质勘查结果、柔性防护系统安装位置及坡面起伏情况设定锚固部件的安装位置、强度要求及制作形式，获得钢丝绳网锚固点坐标(x
a1
, y
a1
)，(x
a2
, y
a2
)，(x
a3
, y
a3
)，(x
a4
, y
a4
)。
[0028]
三、根据锚固部件安装位置，沿水平、竖直两个方向分布的锚固点布置支撑绳（支
撑钢丝绳），钢丝绳下料长度为所有水平支撑绳长度、竖直支撑绳长度以及预留端头长度之和。
[0029]
四、根据不稳定岩土体的体积v及质量m，设置纵向支撑绳、横向支撑绳的强度等级σy及支撑绳直径d，此时设置的值均为初始值，通过优化可获得最终的设计优选值。
[0030]
五、根据不稳定岩土体的体积v及质量m，设计纵向支撑绳、横向支撑绳的初始强度σy及初始直径d，开展支撑绳、缝合绳轴向拉伸性能试验，获得拉力-位移曲线，再根据钢丝绳配置情况计算钢丝绳网片的边界刚度ks。
[0031]
六、根据不稳定岩土体的体积v及质量m，设定钢丝绳网片的加载区域4面积。加载区域4被钢丝绳网中的网孔分割，沿边缘位置形成了一系列交点，加载区域4边缘的交点标记为p1, p2ꢀ…ꢀ
piꢀ…ꢀ
pm，对应边界处的交点标记为q1, q2ꢀ…ꢀ
qiꢀ…ꢀ
qm。这些交点即为钢丝绳内力矢量的作用点，沿x轴、y轴的单元数量均为m，则根据正交、斜交钢丝绳及网孔分布13及其与加载区域4边缘的几何关系，可计算pi点三维坐标（x
p
[i], y
p
[i], z
p
[i]）如式其中定义钢丝绳网片方向角14，即θ为网片几何中心与第一象限内矩形边界角点连线与x轴正半轴之间的夹角，θ的取值范围为[0, 90
°
]。
[0032]
当时，与y轴平行的钢丝绳piqi分别交于相互垂直的两条边界上，记与左边界交点个数为m1，与右边界交点数为m2，则：对应边界位置分布的力作用点三维坐标（xq[i], yq[i], zq[i]）由下式计算
当，与y轴平行的钢丝绳piqi只与一条边界相交，对应边界位置分布的力作用点位置由下式计算：当时， m1、m2由下式计算：边界处qi点坐标由下式计算：七、根据步骤六得到的力矢量作用点坐标，计算加载过程中钢丝绳的变形发展，并结合钢丝绳本构关系计算钢丝绳内力，当网片内钢丝绳达到失效条件时，钢丝绳网片获得柔性边界条件下的极限变形及承载力。初始时刻钢丝绳内力为零，任意时刻钢丝绳总长度为加载区域4内曲线钢丝绳长度与传力区域直线钢丝绳长度之和：计算任意钢丝绳发生破坏时的最大长度为z=0时刻钢丝绳长度l0，z=h时刻单元长度l
max
与此时加载区高度h三者组成了直角三角形，由勾股定理得，顶破位移（加载区高度）为每个钢丝绳内力矢量f[i]，其中，第i个钢丝绳弹性极限长度为，将全部力矢量向竖直方向投影，考虑
对称性得到钢丝绳网的顶破力八、对钢丝绳网初始边界条件、钢丝绳规格、几何尺寸参数进行调整，循环进行步骤一~七，计算钢丝绳网的极限变形及承载力，当计算结果及参数选择达到安全、有效防护条件下的最优解时，选定设计参数。
[0033]
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。