1.本发明涉及一种灯笼形装配式自复位耗能器及设计方法，属于防灾减灾领域。
背景技术：2.柔性防护结构已在崩塌落石、碎屑流、泥石流等坡面地质灾害的防治中取得了卓越成效，也逐步推广应用于高坠防护、船舶防护、车辆防护中。相较于刚性防护结构，柔性防护结构的使用寿命往往不可控，在遭受一次冲击后就会出现局部破坏或是整体失效的情况。因此，柔性防护结构的可修复性是最为关键的性能指标之一。多本国内外相关规范已经将可修复性列为柔性防护结构的评价指标。相关试验检验规程也明确指出，两次sel(正常工作能级)试验后可进行修复再进行mel(最大试验能级)试验，这表明柔性防护结构正常工作时不断修复具有普适性。同时，灾害发生后，快速清理致灾体，快速修复柔性防护结构对防止次生灾害发生具有重要意义，因此，修复效率十分重要。
3.柔性防护结构工作时，通过网片大变形、支撑绳滑移带动耗能器工作实现对致灾体的拦截并耗散冲击能量。目前，市面上常见的易修复柔性防护结构多采用“分区分块分段，坏哪里换哪里”的方式实现易修复。而现有柔性防护结构通用的耗能器多通过塑性变形、局部破坏等不可恢复的方式实现高耗能，从耗能机理上就注定了难以修复，往往需要整体更换耗能器。耗能器与支撑绳及拉锚绳连接，更换耗能器时，支撑拉锚体系失效，修复工作量大、效率低、成本高。因此亟需开发一种易修复的新式耗能器以提高柔性防护结构的修复效率并降低修复成本。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种灯笼形装配式自复位耗能器及设计方法，主要解决现有边坡柔性防护结构中耗能器修复工作量大的缺陷。
5.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：
6.一种灯笼形装配式自复位耗能器，包括骨架杆、基座板、摩擦板、摩擦夹板和高强螺栓；
7.所述骨架杆连接在两块所述基座板之间形成灯笼形外框架，所述摩擦板伸入所述摩擦夹板的摩擦腔内并通过所述高强螺栓使两者的接触面紧密贴合，所述摩擦板和所述摩擦夹板的两端分别连接在两块所述基座板上并内置于外框架内；
8.在冲击状态，两个所述基座板相向运动，所述骨架杆发生弹性弯曲变形，所述摩擦板与所述摩擦夹板之间相对运动实现摩擦耗能；
9.在恢复状态，通过释放所述高强螺栓约束，所述摩擦板与所述摩擦夹板复位，所述骨架杆恢复初始形状从而实现无修复持续工作。
10.进一步地，所述恢复状态包括第一恢复状态和第二恢复状态，第一恢复状态为全自动恢复，即所述骨架杆的弹性恢复力大于所述摩擦板的摩擦力，此时防护结构拦截物清理后耗能器可自动复位；第二恢复状态为人工恢复状态，即所述骨架杆的弹性恢复力小于
等于摩擦板的最大静摩擦力，此时耗能器锁死，需要人工拧松所述高强螺栓实现复位。
11.进一步地，所述骨架杆中部有一定扰度，两端头水平并带有螺纹，两端头分别与两块所述基座板通过螺帽装配连接。
12.进一步地，所述骨架杆采用弯曲弹簧、超弹性杆等具有弹性大变形的材料制成；或者，所述骨架杆材料为弹塑性材料，从而形成屈曲-摩擦复合耗能机制，变为高性能复合耗能器。
13.进一步地，所述基座板预留有骨架杆连接孔和索孔以方便装配连接。
14.进一步地，所述高强螺栓可进行旋钮以调整所述摩擦板和所述摩擦夹板之间的接触压力。
15.进一步地，所述摩擦板带有滑槽和橡胶垫，所述摩擦夹板带有螺栓孔以方便装配连接。
16.进一步地，还包括钢索，两条所述钢索分别通过金属绳锚连接在两块所述基座板上以将耗能器接入柔性防护结构中。
17.进一步地，另一端通过金属绳夹形成o形绳环并通过卸扣与柔性防护结构的支撑绳实现装配连接。
18.另一方面，本技术还保护根据前述的一种灯笼形装配式自复位耗能器的设计方法，包括以下几个步骤：
19.步骤1：设计耗能器的最大耗能值e
t
；
[0020][0021]
其中，s
max
是耗能器的极限行程即橡胶垫初始位置与基座板的距离，f
t
是与耗能器连接的绳索实时拉力，fa是耗能器达到极限行程过程中与之连接的绳索的平均拉力，ec是摩擦板摩擦耗能值，es是骨架杆弹性变形储能值；
[0022]
步骤2：设计高强螺栓数量、规格及预紧力fn；
[0023][0024][0025]
其中，fn为单个螺栓的预紧力，n1为沿板长度方向螺栓组数，n2为沿板宽度方向螺栓个数，μ为摩擦板与摩擦夹板间的动摩擦因数，nv是剪切面个数，d1为螺杆直径，是抗剪强度设计值，λ1为螺栓抗冲切安全因子，f
max
为与耗能器连接的绳索拉力最大值；
[0026]
步骤3：设计骨架杆根数n3及规格；
[0027][0028]fsa
＝n3f
smax
＞f
na
＝2n1n2fn[0029]
其中，f
sa
为弹性恢复力合力，f
na
为总摩擦力，fs为单根弹性骨架杆工作时的反力，f
smax
是单根弹性骨架杆工作时的最大反力即为耗能器行程最大时弹性骨架杆的恢复力，与弹性骨架杆规格有关，可通过试验或数值模拟获得；
[0030]
步骤4：设计摩擦板与摩擦夹板
[0031]sl
≥s
max
[0032]
d2＝d1+g1[0033]
其中，s
l
为摩擦板滑槽长度，d2为摩擦板滑槽高度，g1为螺栓与滑槽的间隙，摩擦板与摩擦夹板规格应满足抗拉、抗剪及构造需求。
[0034]
与现有技术相比，本技术的有益技术效果是：本发明所述耗能器通过合理设计可实现两阶段恢复特征，第一阶段为全自动恢复，即防护结构拦截物清理后由于弹性骨架杆恢复力大于摩擦板摩擦力，此时耗能器自动实现第一阶段复位；当弹性骨架杆恢复力等于摩擦板摩擦力时，耗能器锁死，需要人为拧松螺栓实现第二阶段复位。采用两阶段恢复特征可避免耗能器锁死时弹性骨架杆恢复力过大造成拧松螺栓时耗能器卸载过急，可提高操作人员的安全性。
附图说明
[0035]
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。
[0036]
图1为本发明一个实施例的一种灯笼形装配式自复位耗能器的结构示意图。
[0037]
图2为本发明另一实施例的一种灯笼形装配式自复位耗能器的结构示意图。
[0038]
图3为本发明另一实施例(骨架杆采用受弯弹簧)的一种灯笼形装配式自复位耗能器的结构示意图。
[0039]
图4为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的设计流程图。
[0040]
图5为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的耗能器工作原理图。
[0041]
图6为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的工作机理及两阶段恢复流程图。
[0042]
图7为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的基座板详图。
[0043]
图8为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的摩擦板详图。
[0044]
图9为本发明一种灯笼形装配式自复位耗能器的摩擦夹板详图。
[0045]
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：
[0046]
1-骨架杆，2-基座板，201-螺帽，202-骨架杆连接孔，203-索孔，3-摩擦板，301-滑槽，302-橡胶垫，4-摩擦夹板，401-螺栓孔，5-高强螺栓，6-钢索，601-金属绳夹，602-金属绳锚，7-卸扣，8-支撑绳。
具体实施方式
[0047]
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。
[0048]
如图1-9所示，本技术的一种灯笼形装配式自复位耗能器，包括骨架杆1、基座板2、
摩擦板3、摩擦夹板4和高强螺栓5；
[0049]
所述骨架杆1连接在两块所述基座板2之间形成灯笼形外框架，所述摩擦板3伸入所述摩擦夹板4的摩擦腔内并通过所述高强螺栓5使两者的接触面紧密贴合，所述摩擦板3和所述摩擦夹板4的两端分别连接在两块所述基座板2上并内置于外框架内；
[0050]
在冲击时状态，两个所述基座板2相向运动，所述骨架杆1发生弹性弯曲变形，所述摩擦板3与所述摩擦夹板4之间相对运动实现摩擦耗能；
[0051]
在恢复状态，通过释放所述高强螺栓5约束，所述摩擦板3与所述摩擦夹板4复位，所述骨架杆1恢复初始形状从而实现无修复持续工作。
[0052]
在本技术中，所述恢复状态包括第一恢复状态和第二恢复状态，第一恢复状态为全自动恢复，即所述骨架杆1的弹性恢复力大于所述摩擦板3的摩擦力，此时防护结构拦截物清理后耗能器可自动复位；第二恢复状态为人工恢复状态，即所述骨架杆1的弹性恢复力小于等于摩擦板的最大静摩擦力，此时耗能器锁死，需要人工拧松所述高强螺栓5实现复位。
[0053]
在本技术的实施例中，所述骨架杆1中部有一定扰度，两端头水平并带有螺纹，两端头分别与两块所述基座板2通过螺帽201装配连接。
[0054]
在本技术的实施例中，所述骨架杆1采用弯曲弹簧、超弹性杆等具有弹性大变形的材料制成；或者，所述骨架杆1材料为弹塑性材料，从而形成屈曲-摩擦复合耗能机制，变为高性能复合耗能器。
[0055]
在本技术的实施例中，所述基座板2预留有骨架杆连接孔202和索孔203以方便装配连接。
[0056]
在本技术的实施例中，所述高强螺栓5可进行旋钮以调整所述摩擦板3和所述摩擦夹板4之间的接触压力。
[0057]
在本技术的实施例中，所述摩擦板3带有滑槽301和橡胶垫302，所述摩擦夹板4带有螺栓孔401以方便装配连接。
[0058]
在本技术的实施例中，还包括钢索6，两条所述钢索6分别通过金属绳锚602连接在两块所述基座板2上以将耗能器接入柔性防护结构中。
[0059]
在本技术的实施例中，钢索6另一端通过金属绳夹601形成o形绳环并通过卸扣7与柔性防护结构的支撑绳8实现装配连接。
[0060]
在本技术中，还包括所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器的设计方法，包括以下几个步骤：
[0061]
步骤1：设计耗能器的最大耗能值e
t
；
[0062][0063]
其中，s
max
是耗能器的极限行程即橡胶垫302初始位置与基座板2的距离，f
t
是与耗能器连接的绳索实时拉力，fa是耗能器达到极限行程过程中与之连接的绳索的平均拉力，ec是摩擦板3摩擦耗能值，es是骨架杆1弹性变形储能值；
[0064]
步骤2：设计高强螺栓数量、规格及预紧力fn；
[0065]
[0066][0067]
其中，fn为单个螺栓的预紧力，n1为沿板长度方向螺栓组数，n2为沿板宽度方向螺栓个数，μ为摩擦板3与摩擦夹板4间的动摩擦因数，nv是剪切面个数，d1为螺杆直径，f
vb
是抗剪强度设计值，λ1为螺栓抗冲切安全因子，f
max
为与耗能器连接的绳索拉力最大值；
[0068]
步骤3：设计骨架杆1根数n3及规格；
[0069][0070]fsa
＝n3f
smax
＞f
na
＝2n1n2fn[0071]
其中，f
sa
为弹性恢复力合力，f
na
为总摩擦力，fs为单根弹性骨架杆1工作时的反力，f
smax
是单根弹性骨架杆1工作时的最大反力即为耗能器行程最大时弹性骨架杆1的恢复力，与弹性骨架杆1规格有关，可通过试验或数值模拟获得；
[0072]
步骤4：设计摩擦板3与摩擦夹板4
[0073]sl
＞s
max
[0074]
d2＝d1+g1[0075]
其中，s
l
为摩擦板3滑槽301长度，d2为摩擦板3滑槽301高度，g1为螺栓与滑槽301的间隙，摩擦板3与摩擦夹板4规格应满足抗拉、抗剪及构造需求。
[0076]
实施例1
[0077]
本实施例拟设计一款耗能能力为30kj的灯笼形装配式自恢复耗能器，骨架杆采用窄钢板，如图2所示。
[0078]
按照设计流程进行设计：
[0079]
首先确定耗能器的最大耗能值为30kj，并将总耗能分配为摩擦板摩擦耗能值ec为20kj，骨架杆弹性变形储能值es为10kj。预设s
max
为50mm，则其平均工作拉力fa约为60kn，按照等式进行计算。
[0080]
其次设计高强螺栓数量、规格及预紧力fn：
[0081]
根据等式计算预紧力fn，预设螺栓组数n1为2组，每组螺栓数量为2个，动摩擦因数μ为0.15，故每个螺栓预紧力为33.3kn，选择10.9级m20高强螺栓，按照等式进行验算，满足要求。
[0082]
第三，设计骨架杆根数n3及规格：
[0083]
通过等式确定骨架杆数量，通过数值模拟进行计算可得单根骨架杆工作反力约为3.5kn，最大变形量约为0.5m，变形量为0.5m时反力约为7kn，故至少应设置6根骨架杆。根据等式f
sa
＝n3f
smax
＞f
na
＝2n1n2fn进行验算，骨架杆设计满足要求。
[0084]
第四，设计摩擦板及摩擦夹板：
[0085]
根据等式s
l
≥s
max
设计滑槽长度，s
l
取50mm。根据等式d2＝d1+g1设计滑槽高度，d1＝20mm，取间隙g1为5mm，故滑槽高度为25mm。根据构造要求设计摩擦板与摩擦夹板，长度为
600mm，宽度为100mm，厚度为20mm。
[0086]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于，包括骨架杆(1)、基座板(2)、摩擦板(3)、摩擦夹板(4)和高强螺栓(5)；所述骨架杆(1)连接在两块所述基座板(2)之间形成灯笼形外框架，所述摩擦板(3)伸入所述摩擦夹板(4)的摩擦腔内并通过所述高强螺栓(5)使两者的接触面紧密贴合，所述摩擦板(3)和所述摩擦夹板(4)的两端分别连接在两块所述基座板(2)上并内置于外框架内；在冲击状态，两个所述基座板(2)相向运动，所述骨架杆(1)发生弹性弯曲变形，所述摩擦板(3)与所述摩擦夹板(4)之间相对运动实现摩擦耗能；在恢复状态，通过释放所述高强螺栓(5)约束，所述摩擦板(3)与所述摩擦夹板(4)复位，所述骨架杆(1)恢复初始形状从而实现无修复持续工作。2.根据权利要求1所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述恢复状态包括第一恢复状态和第二恢复状态，第一恢复状态为全自动恢复，即所述骨架杆(1)的弹性恢复力大于所述摩擦板(3)的摩擦力，此时防护结构拦截物清理后耗能器可自动复位；第二恢复状态为人工恢复状态，即所述骨架杆(1)的弹性恢复力小于等于摩擦板的最大静摩擦力，此时耗能器锁死，需要人工拧松所述高强螺栓(5)实现复位。3.根据权利要求1所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述骨架杆(1)中部有一定扰度，两端头水平并带有螺纹，两端头分别与两块所述基座板(2)通过螺帽(201)装配连接。4.根据权利要求1或2所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述骨架杆(1)采用弯曲弹簧、超弹性杆等具有弹性大变形的材料制成；或者，所述骨架杆(1)材料为弹塑性材料，从而形成屈曲-摩擦复合耗能机制，变为高性能复合耗能器。5.根据权利要求1或2所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述基座板(2)预留有骨架杆连接孔(202)和索孔(203)以方便装配连接。6.根据权利要求1-3之一所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述高强螺栓(5)可进行旋钮以调整所述摩擦板(3)和所述摩擦夹板(4)之间的接触压力。7.根据权利要求1-3之一所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述摩擦板(3)带有滑槽(301)和橡胶垫(302)，所述摩擦夹板(4)带有螺栓孔(401)以方便装配连接。8.根据权利要求1-4之一所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：还包括钢索(6)，两条所述钢索(6)分别通过金属绳锚(602)连接在两块所述基座板(2)上以将耗能器接入柔性防护结构中。9.根据权利要求1-4之一所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器，其特征在于：所述钢索(6)通过金属绳夹(601)形成o形绳环并通过卸扣(7)与柔性防护结构的支撑绳(8)实现装配连接。10.根据权利要求7所述的一种灯笼形装配式自复位耗能器的设计方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤1：设计耗能器的最大耗能值e
t
；其中，s
max
是耗能器的极限行程即橡胶垫(302)初始位置与基座板(2)的距离，f
t
是与耗
能器连接的绳索实时拉力，f
a
是耗能器达到极限行程过程中与之连接的绳索的平均拉力，e
c
是摩擦板(3)摩擦耗能值，e
s
是骨架杆(1)弹性变形储能值；步骤2：设计高强螺栓数量、规格及预紧力f
n
；；其中，f
n
为单个螺栓的预紧力，n1为沿板长度方向螺栓组数，n2为沿板宽度方向螺栓个数，μ为摩擦板(3)与摩擦夹板(4)间的动摩擦因数，n
v
是剪切面个数，d1为螺杆直径，f
vb
是抗剪强度设计值，λ1为螺栓抗冲切安全因子，f
max
为与耗能器连接的绳索拉力最大值；步骤3：设计骨架杆(1)根数n3及规格；f
sa
＝n3f
smax
＞f
na
＝2n1n2f
n
其中，f
sa
为弹性恢复力合力，f
na
为总摩擦力，f
s
为单根弹性骨架杆(1)工作时的反力，f
smax
是单根弹性骨架杆(1)工作时的最大反力即为耗能器行程最大时弹性骨架杆(1)的恢复力，与弹性骨架杆(1)规格有关，可通过试验或数值模拟获得；步骤4：设计摩擦板(3)与摩擦夹板(4)s
l
≥s
max
d2＝d1+g1其中，s
l
为摩擦板(3)滑槽(301)长度，d2为摩擦板(3)滑槽(301)高度，g1为螺栓与滑槽(301)的间隙，摩擦板(3)与摩擦夹板(4)规格应满足抗拉、抗剪及构造需求。
技术总结本发明公开了一种灯笼形装配式自复位耗能器及设计方法，包括骨架杆、基座板、摩擦板、摩擦夹板和高强螺栓；所述骨架杆连接在两块所述基座板之间形成灯笼形外框架，所述摩擦板伸入所述摩擦夹板的摩擦腔内并通过所述高强螺栓使两者的接触面紧密贴合，所述摩擦板和所述摩擦夹板的两端分别连接在两块所述基座板上并内置于外框架内；在冲击时状态，两个所述基座板相向运动，所述骨架杆发生弹性弯曲变形，所述摩擦板与所述摩擦夹板之间相对运动实现摩擦耗能；在恢复状态，通过释放所述高强螺栓约束，所述摩擦板与所述摩擦夹板复位，所述骨架杆恢复初始形状从而实现无修复持续工作。架杆恢复初始形状从而实现无修复持续工作。架杆恢复初始形状从而实现无修复持续工作。
技术研发人员：余志祥 廖林绪 张丽君 杨啸宇 刘键 许浒 齐欣
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
