[发明专利]隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体及其设计方法

权利要求书

1.隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：包括多个人字形的防治结构单体(100)，防治结构单体(100)沿坡面布置，相邻的防治结构单体(100)之间通过叠瓦式套接或者无缝顺序衔接；

所述的防治结构单体(100)包括两片桁架结构顶棚(1)，桁架结构顶棚(1)通过支撑结构安装在坡面耗能减震锚固底座上，桁架结构顶棚(1)上覆盖有复合耗能盖板(2)。

2.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的桁架结构顶棚(1)为钢管按侧面为等边三角形的正四棱锥结构在空间内沿同一平面方向内相互铰接构成的框体。

3.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的复合耗能盖板(2)由多个正方体耗能单元组成，所述的正方体耗能单元包括高密度耗能材料外层(213)和低密度耗能材料内层(214)，高密度耗能材料外层(213)的上表面、低密度耗能材料内层(214)下表面、高密度耗能材料外层(213)和低密度耗能材料内层(214)之间分别有钢板(211)，正方体耗能单元四个侧边为薄层围板(212)。

4.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的支撑结构包括加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)和防护钢索(32)，加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)包括外侧钢管(311)和内侧钢管(312)，内侧钢管(312)嵌套在外侧钢管(311)内，外侧钢管(311)和内侧钢管(312)之间还分布有螺纹钢筋(313)，内侧钢管(312)中心还有工字钢(314)；外侧钢管(311)和内侧钢管(312)内填充混凝土(315)。

5.根据权利要求1所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体，其特征在于：所述的耗能减震锚固底座包括预应力锚杆(41)，预应力锚杆(41)上端为钢筋混凝土承台(42)，钢筋混凝土承台(42)中心有凹槽，凹槽内底部有耗能减震材料(45)，钢结构支撑桩连接装置(43)通过螺栓(44)安装在凹槽内。

6.根据权利要求1到5任一项所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的设计方法，其特征在于，包括以下过程：

调查隧洞口所在的山坡体，确定山坡体地形参数及滚石灾害发育特征参数，包括现场勘查确定滚石爆发点A距离隧洞口B的直线距离a、隧洞上方坡体坡度β、依历史监测统计确定隧洞口受滚石危害区域长度CB的最大值b和宽度DD’的最大值为2w；另外，还要确定待求支撑桩的空间位置，支撑桩即为加筋抗弯钢套管混凝土桩(31)，包括支撑桩与中轴面ABC的距离x、支撑桩在中轴线(12)上投影E’与滚石爆发点A的直线距离c；

步骤S2、依1计算确定支撑桩高度h：

式中，δ——结构单体两片桁架顶棚夹角的一半，°，可由下式确定：

h_B——棚洞口B点上方棚洞中轴线(12)的高度，即BB’的长度，m，可将式3中c替换为a的情况下由求出；

h₀——待求支撑桩所在棚洞横截面上中轴线(12)的高度,即EE’的长度，m，表示为：

式中，m——为桁架结构顶棚(1)及复合耗能盖板(2)的总厚度，m；

θ——棚洞顶棚中轴线(12)倾角，°，由式4确定；

7.根据权利要求6所述的隧道口柔性鼻形滚石排导棚洞结构体的设计方法，其特征在于，确定耗能减震锚固底座的耗能减震材料(45)厚度Z：

式中，ε_Δ——耗能减震材料用于耗能的屈服平台应变量，具体可表示为材料刚进入屈服时的应变与压密增强应变之差，材料的应力应变曲线可由压缩试验给出；

n——防治结构单体下耗能减震锚固底座的个数，取8；

A——耗能减震锚固底座的凹槽底面积，m²；

σ_y——耗能减震材料屈服平台强度，Pa，由试验确定，但必须满足：

σ_yA≤Sσ_c≤[N]式6

其中，σ_c——结构单体复合耗能盖板进入屈服状态耗能时的平均压垮荷载；

S——为防治结构单体上顶棚面积，m²，其值在工程设计中结合实际坡面地形数据及棚洞空间几何特征确定；

[N]——为防治结构单体中各部件承载力最小值，N，其值由结构分析和产品参数给出；

E_a——在极端不利条件下，结构单体复合耗能盖板的所有正方体耗能单元都同时被滚石冲击屈服且完全耗能破坏后，群发滚石剩余未被耗散的冲击动能，可表示为：

其中，E——为最不利情况下冲击在棚洞上群发滚石的冲击动能，由历史监测数据统计分析确定；

E_b——为单块正方体耗能单元的最大耗能；由产品耗能参数给出。