一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置的制作方法

1.本实用新型涉及公路、铁路棚洞，具体涉及一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置。


背景技术：

2.山区公路、铁路建设时常会遇到无法绕避的落石类地质灾害，此类地质灾害具有突发性及破坏性的特征。陡坡地形段隧道洞口与桥梁或路基结构相接，当高陡边坡可能出现落石时，会对隧道洞口段行车、行人及构筑物造成巨大的威胁。
3.工程实际中，隧道洞口落石区域通过延长明洞或在路基、桥梁段设置棚洞进行防护，防护棚洞顶板所受冲击力与落石冲击能量及棚顶缓冲耗能装置密切相关。传统棚洞顶缓冲材料主要有砂土或渣土，其优点为取材方便、养护工作量少；缺点为自重较重，填土厚度一般不小于2m，从而引起棚洞及相关承重结构尺寸加大导致经济性变差，尤其影响桥梁结构的合理性及经济性设计，且砂土在遇水后易发生板结变硬导致抗冲击性能变差。目前使用的缓冲材料还包括橡胶轮胎和聚苯乙烯泡沫(eps)材料，此类材料具有较好的缓冲性能，但单独使用时耐久性能差，且橡胶轮胎加工复杂、安装便捷性相对较差。
4.工程实践表明，棚洞及其支撑结构的安全性与棚顶缓冲耗能装置密切相关，亟需一种新型防落石冲击的耗能装置，能同时兼备防落石冲击能力强、耐久性能好、经济性好、易于施工及修复的优点。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，以有效防提高落石冲击能力和耐久性能，大幅度降低耗能结构的重量，且易于施工及维修。
6.本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
7.本实用新型的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，设置于棚洞顶部顶槽内，其特征是：所述顶槽内由下而上依次设置起拱钢结构、eps缓冲层和砂土层，起拱钢结构弧拱中点与顶槽底板之间设置弹性橡胶垫块，共同形成一体化耗能装置。
8.所述顶槽底板上纵向、横向间隔固定设置竖向钢板支撑构件，各竖向钢板支撑构件上端与起拱钢结构固定连接。
9.所述顶槽横向两侧侧壁上竖向间隔设置泄水管。
10.本实用新型的有益效果主要体面在如下方面：
11.一、防落石冲击能力强。具有三重缓冲作用，包括顶部砂土层、中间eps缓冲层及底部起拱钢结构，能有效延长落石冲击持续时间，较传统砂土层耗能性能显著增强；
12.二、耐久性能好。顶槽内设有双层泄水管，上层设置于砂土层底、下层设置于槽底，以及时排水，从而可有效避免砂土板结及钢材腐蚀。eps缓冲层采用土工布包裹及其上设有砂土层，可有效避免落石对eps材料直接破坏，增强了耗能装置的耐久性。
13.三、经济性好。该耗能装置重量仅为传统砂土回填层耗能结构的1/14，显著减少了棚洞结构及相关支撑结构承受荷载，从而减少棚洞结构材料用量，增强了棚洞结构的整体经济性及设计合理性。
14.四、易于施工及维修。砂土层取材方便，eps缓冲层及起拱钢结构制造工艺成熟，均可工厂定制加工，耗能装置三种主要材料从上而下依次布置，操作简单，施工便捷。极端自然状况导致装置失效时，耗能装置所需材料易于更换，更换主要施工工艺为钢构件焊接。
附图说明
15.本说明书包括如下四幅附图：
16.图1是本实用新型一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置的立面图；
17.图2是沿图1中a-a线的剖面图；
18.图3是沿图1中b-b线的剖面图；
19.图4是竖向钢板支撑构件的一种结构及与顶槽、起拱钢结构的连接方式示意图。
20.图中示出构件和对应的标记：顶槽10、泄水管11、弹性橡胶垫块20、起拱钢结构21、eps缓冲层22、砂土层23、竖向钢板支撑构件24，定位钢板25、竖向钢板26。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
22.参照图1和图2，本实用新型的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，设置于棚洞顶部顶槽10内，顶槽10内由下而上依次设置起拱钢结构21、eps缓冲层22和砂土层23，起拱钢结构21弧拱顶点与顶槽10底板之间设置弹性橡胶垫块20，共同形成一体化耗能装置。
23.耗能装置抗落石冲击能力按下式计算：
24.p＝qv0/gt
25.式中，p为落石冲击力，q为落石质量，v0为落石冲击速度，g为重力加速度，t为持续冲击时间。
26.本实用新型的耗能装置具有三重缓冲作用，包括顶部砂土层、中间eps缓冲层及底部起拱钢结构，其中起拱钢结构通过弧拱及弹性橡胶垫块20协同变形进行耗能，能有效延长落石冲击持续时间，较传统砂土层耗能性能显著增强。
27.参照图1和图2，所述起拱钢结构21横断面形状为弧形或折线形，由钢板制成安装节段，或者由钢管、多孔钢型材焊接拼装成安装节段。起拱钢结构21在工厂分段预制，厚度及起拱值根据起拱跨度确定。当起拱跨度小于10m时，一般采用钢板，起拱跨度大于10m时，宜采用钢管、多孔钢型材代替钢板。
28.参照图1和图3，所述顶槽10为钢筋混凝土结构，槽内高度一般为0.8～1.2m。所述顶槽10横向两侧侧壁上竖向间隔设置泄水管11，上层泄水管11设置于砂土层23底、下层泄水管11设置于槽底，以及时排水，从而可有效避免砂土板结及钢材腐蚀。所述eps缓冲层22的断面采用土工布包裹，可有效避免落石对eps材料直接破坏，增强了耗能装置的耐久性。
29.参照图1和图3，顶槽10底板上纵向、横向间隔固定设置竖向钢板支撑构件24，各竖向钢板支撑构件24的上端与起拱钢结构21固定连接。参照图4，竖向钢板支撑构件24通常由
定位钢板25和焊接在其板面上的竖向钢板26构成，定位钢板25在现浇顶槽10时预埋固定在顶槽10底板板面上，间距一般取2～3m，竖向钢板26的上端与起拱钢结构21焊接。起拱钢结构21通常是在工厂制作成节段，现场拼接，竖向钢板26与起拱钢结构21焊接处，可先在起拱钢结构21开孔，竖向钢板26插入孔内后通过焊接连接为一体。eps缓冲层22采用土工布包裹，以提高eps缓冲层22的耐久性。
30.实施例：
31.传统砂土缓冲层棚洞顶防落石冲击结构砂土回填厚度通常为2m，对顶槽10槽底产生的压强为32kpa。本实用新型中，砂土层23厚度为15cm，eps缓冲层22厚度为60cm，竖向钢板支撑构件24采用厚度为10mm厚的钢板。砂土重度取16kn/m3，eps材料重度取0.2kn/m3，钢板重度取78.5kn/m3，对槽底产生的压强为2.5kpa，仅为传统砂土回填层结构的1/14。因此，本实用新型的耗能装置轻型化显著，对防护棚洞及支撑棚洞的梁部结构产生的外部荷载显著减小，利于节省承重结构材料用量。
32.以上所述只是用图解说明本实用新型一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置的一些原理，并非是要将本实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。


技术特征：
1.一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，设置于棚洞顶部顶槽(10)内，其特征是：所述顶槽(10)内由下而上依次设置起拱钢结构(21)、eps缓冲层(22)和砂土层(23)，起拱钢结构(21)弧拱中点与顶槽(10)底板之间设置弹性橡胶垫块(20)，共同形成一体化耗能装置。2.如权利要求1所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述顶槽(10)底板上纵向、横向间隔固定设置竖向钢板支撑构件(24)，各竖向钢板支撑构件(24)上端与起拱钢结构(21)固定连接。3.如权利要求2所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述竖向钢板支撑构件(24)由定位钢板(25)和焊接在其板面上的竖向钢板(26)构成，定位钢板(25)在现浇顶槽(10)时预埋固定在顶槽(10)底板板面上，竖向钢板(26)的上端与起拱钢结构(21)焊接。4.如权利要求1所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述起拱钢结构(21)横断面形状为弧形或折线形，由钢板制成安装节段，或者钢管、多孔钢型材焊接拼装成安装节段。5.如权利要求1所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述eps缓冲层(22)的断面采用土工布包裹。6.如权利要求1所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述顶槽(10)为钢筋混凝土结构，槽内高度为0.8～1.2m。7.如权利要求1所述的一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，其特征是：所述顶槽(10)横向两侧侧壁上竖向间隔设置泄水管(11)，上层泄水管(11)设置于砂土层(23)底、下层泄水管(11)设置于槽底。

技术总结
一种适用于棚洞顶防落石冲击的耗能装置，以有效防提高落石冲击能力和耐久性能，大幅度降低耗能结构的重量，且易于施工及维修。设置于棚洞顶部顶槽内，所述顶槽内由下而上依次设置起拱钢结构、EPS缓冲层和砂土层，起拱钢结构弧拱中点与顶槽底板之间设置弹性橡胶垫块，共同形成一体化耗能装置。同形成一体化耗能装置。同形成一体化耗能装置。


技术研发人员：聂细锋 黄树强 龚亚军 任科 朱永东 刘志军 杜新 胡建明 陈克坚 江州 郭臣东 于亮
受保护的技术使用者：中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司
技术研发日：2022.05.26
技术公布日：2022/10/24