齊 欣，韋 韜，余志祥

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

高速鐵路防零星落塊剛性防護系統(tǒng)試驗與數(shù)值分析

齊 欣，韋 韜，余志祥

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

結(jié)合長昆高速鐵路沿線防零星落塊的剛性防護系統(tǒng)的實際工程，針對剛性防護系統(tǒng)的防護能量不明確的現(xiàn)狀，開展了原尺寸剛性防護系統(tǒng)落石沖擊試驗，研究新型剛性防護系統(tǒng)的變形特征和傳力機理，明確該系統(tǒng)兩階段的傳力工作狀態(tài)，指出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)?；贚S-DYNA的顯式動力算法，模擬落石沖擊剛性防護系統(tǒng)的全過程，并與試驗結(jié)果進行對比，二者結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明：新型剛性防護系統(tǒng)結(jié)構形式布置合理，具有良好的變形能力和傳力途徑，能達到預計的抗沖擊效果，在此基礎上，提出該系統(tǒng)相應的設計優(yōu)化建議。

高速鐵路;剛性防護系統(tǒng);傳力機理;仿真分析;試驗

近年來，地質(zhì)災害頻發(fā)，如何防治公路、鐵路、礦山、景區(qū)等工程中的地質(zhì)災害進一步凸顯為熱點問題，針對此，被動防護結(jié)構技術獲得了廣泛應用［1］。目前，國內(nèi)常用的結(jié)構性防護技術措施主要是防護能級250 kJ以上的柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)一般采用拉錨繩、鋼柱、鋼絲繩網(wǎng)構成，其網(wǎng)片本身呈鏤空狀。實際使用時，這套系統(tǒng)對粒徑小，能量低的落石防護效果往往有限，甚至無法防護，但實際防治中，平均幾十kJ零星落塊非常常見。尤其高速鐵路沿線，在列車運行中，即使一個小小的石塊，也會對行車安全帶來巨大的隱患，因此有必要開展防治零星落塊的防護結(jié)構技術的研究。

國內(nèi)目前常見的防零星落塊的防護結(jié)構系統(tǒng)主要是剛性柵欄。其基本結(jié)構形式是采用角鋼支柱與角鋼橫撐作為主要的耗能構件，在其上焊接鋼筋網(wǎng)片后掛鋼絲格柵網(wǎng)，該系統(tǒng)存在著防護能級太低，被撞后變形不易恢復、結(jié)構耐久性差以及不美觀等缺陷。

近兩年，為了適應實際工程的需求，一種新型的防零星落塊的防護網(wǎng)系統(tǒng)逐漸在實際重大工程中獲得應用，目前已經(jīng)在武廣線、蘭青線等多條高速鐵路沿線應用。該系統(tǒng)由端柱、鋼絞線、中間柱以及間距保持板構成，耗能構件主要為鋼柱和鋼絞線。與剛性柵欄相比較，工字鋼代替了角鋼，鋼絞線替代了普通鋼筋，U形卡扣連接代替剛接，整個系統(tǒng)變形能力加大，吸收能量的能力更強，穩(wěn)定性更好。典型的剛性防護系統(tǒng)及實際應用如圖1、圖2所示。

圖1 典型剛性防護構成

圖2 蘭青線剛性防護

該結(jié)構體系施工要求低，適應復雜地形能力強，受到了青睞。但由于目前行業(yè)規(guī)范［2-3］都只是針對柔性防護系統(tǒng)，剛性防護系統(tǒng)沒有正式的行業(yè)規(guī)范，面臨著計算理論不完善、防護能量級別不明確等問題，因此設計上主要以經(jīng)驗為主，存在安全隱患。因此有必要開展專項的試驗和計算研究，從而明確其防護能級和變形特點，為設計和使用提供參考。

1 剛性防護系統(tǒng)防護能力試驗研究

1.1 試驗模型

為了考察剛性防護系統(tǒng)的抗沖擊能力，進行了原尺寸的落石沖擊剛性防護網(wǎng)系統(tǒng)的試驗。試驗模型安裝在混凝土反力墻上，鋼柱呈水平狀態(tài)，與落石軌跡的夾角α≈90°。試驗模型采用FHS-010(2.5 m)，即最大防護沖擊能力為100 kJ。建立的試驗模型如圖3所示。

圖3 試驗模型

試驗模型共3跨，4根鋼柱，鋼柱之間的距離均為4 m，總長為12 m，防護高度為2.5 m，模型中共有8根鋼絞線，每根鋼絞線之間的間距為0.3 m，通過鋼絞線鎖具拉緊固定于兩根端部鋼柱。所有鋼柱及間距保持板均采用材料為Q235碳素鋼，端部鋼柱采用矩形管□200×100×6，斜撐采用 C100×46×4.5×7.6，中間鋼柱采用 HN200×100×5.5×8，鋼絞線為 φ18 mm(3×7)，鋼絞線間距保持板斷面為3 mm×50 mm。角鋼支柱柱腳設計錨板，固定于反力墻上用于模擬混凝土基礎。

1.2 試驗方案

試驗時，用吊車將質(zhì)量為1 000 kg的落石塊提升至剛性防護網(wǎng)的10 m的正上方。落石自由落體，滿足沖擊能量為100 kJ。沖擊位置為水平剛性防護網(wǎng)的中跨，沖擊點位于3、4號鋼絞線之間。在中部3、4、5、6號鋼絞線上分別設置4個光纖光柵拉力傳感器。鋼柱及鋼絞線編號如圖4所示。

圖4 剛性防護網(wǎng)設計(單位:cm)

1.3 試驗結(jié)果與分析

通過試驗可以看出，落石與鋼絞線第一次接觸后，向前和向上反彈，在靠近鋼柱頂部的位置再次沖擊，鋼柱發(fā)生比較明顯的向下變形，整個防護網(wǎng)面向下的傾斜。

沖擊試驗結(jié)束后，結(jié)構的整體變形如圖5所示。在沖擊作用的位置，鋼絞線發(fā)生較明顯的變形(圖5(b))，但未發(fā)生破壞。剛性防護網(wǎng)在沖擊后的最大變形為0.85 m。

鋼柱變形明顯且局部屈曲。中柱發(fā)生明顯的向下和向外的變形(圖5(a)、5(b))，柱身未發(fā)生屈曲，柱腳的底板發(fā)生了較明顯的受彎變形，2號鋼柱自由端向下變形為0.65 m，鋼柱的變形角度為15°，3號鋼柱末端向下變形為0.60 m，鋼柱的變形角度為13.5°。端鋼柱基本未發(fā)生向下的變形(圖5(b))，但是受到鋼絞線的拉力作用，矩形管柱局部位置可以看到鋼柱的腹板發(fā)生明顯的屈曲變形，尤其是在直接承受沖擊作用的鋼絞線的位置(圖5(c))，柱腳的底板發(fā)生了較明顯的內(nèi)凹受彎變形。

圖5 試驗結(jié)果

在落石沖擊作用下，剛性防護體系的整體變形有明顯的二階段過程:第一階段落石和鋼絞線接觸，并產(chǎn)生沖擊變形，尤其是直接與落石接觸的兩根鋼絞線產(chǎn)生較大的沖擊變形。此時，鋼柱變形較小。第二階段，鋼柱發(fā)生面內(nèi)轉(zhuǎn)動，自由端向外、向下運動，同時沖擊點的位移繼續(xù)加大，最終系統(tǒng)能量達到平衡，停止運動。

2 有限元數(shù)值仿真

采用LS-DYNA軟件，基于顯式動力算法模擬落石沖擊剛性防護系統(tǒng)全過程，接觸算法為對稱罰函數(shù)法［4］，顯式動力問題中，力在介質(zhì)中以波的形式傳遞，計算收斂性及準確性與時間步長密切相關，為了保證沖擊過程模擬的精度，設置Δt≤1.0×10-5s。將石塊與網(wǎng)片初始設置為接觸狀態(tài)，并通過修正石塊的初始速度考慮其接觸時刻的沖擊能量，計算前對模型進行應力初始化，計算終止時刻兼顧系統(tǒng)內(nèi)能、動能、沙漏能的平衡。

剛性防護網(wǎng)模型幾何參數(shù)與試驗保持一致。分析中采用的單元［5］:鋼絞線采用索單元(cable beam)，只考慮材料受拉，不承擔彎矩;柱采用Hughes-Liu殼全積分單元;落石為solid實體。數(shù)值模擬分析時的材料模型:落石為剛體，密度為3 000 kg/m3，彈性模量為2×104MPa，泊松比為0.2;鋼柱采用塑性隨動強化材料(Plastic kinematic)，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa;鋼絞線采用 cable discrete beam，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。

沖擊位置水平為跨中，豎向為距柱腳2.67 m。施加落石v=10 m/s的初速度，并考慮重力作用，沖擊能量設定為100 kJ。

3 仿真與試驗結(jié)果對比分析

3.1 體系變形

體系的整體變形如圖6所示。兩中柱向外偏擺，端柱向內(nèi)靠攏。分別取中柱和端柱的自由端以及沖擊點，得到其豎向位移隨時間的變化如圖7所示。從變化軌跡來看，也體現(xiàn)了二階段的特點，一階段，落石與鋼絞線一旦接觸，沖擊點隨即發(fā)生向下運動。此時，鋼柱基本未發(fā)生運動。隨后，進入到二階段，鋼絞線的運動，同時帶動中柱向下運動，二者變化速率快，端柱最后啟動向下運動，變化速率慢。沖擊結(jié)束后，沖擊點的位移最大，最大值達到了-0.84 m。中柱的自由端位移為-0.69 m，大于端柱自由端的位移-0.17 m。與試驗的結(jié)果保持一致。求得鋼柱的最大轉(zhuǎn)角，中柱為15°，端柱為3.9°。中柱已發(fā)生較大的轉(zhuǎn)角，在實際中應為鋼柱的架立留有足夠的變形空間。端柱的屈曲如圖8所示，尤其是柱腳到5號鋼絞線之間的部分，端柱的外側(cè)均已經(jīng)發(fā)生了屈服，且伴隨較為明顯的向內(nèi)彎曲。

圖6 整體變形

圖7 特征點位移

圖8 端柱屈曲

3.2 鋼絞線拉力

試驗中通過拉力傳感器測試得到的鋼絞線的拉力結(jié)果與數(shù)值仿真分析中得到的鋼絞線拉力結(jié)果對比如圖9所示。從圖9中可直觀看出，拉力值在0.2 s左右達到峰值，峰值出現(xiàn)順序為3—4—5—6，由柱腳到柱端自由端依次傳遞。力的大小，直接承受落石沖擊的鋼絞線3、4號受力較大，其余的鋼絞線5、6號受力較小。7、8號鋼絞線未設置拉力傳感器，但數(shù)值仿真的結(jié)果顯示，其拉力值僅為15 kN，結(jié)果更小。因此，主要為落石直接沖擊的2條鋼絞線發(fā)揮作用，其余鋼絞線作用較小。鋼絞線拉力的最大值比較如表1所示。仿真分析的結(jié)果略大于試驗的結(jié)果。對于3×7股的高強度鋼絞線，該4根鋼絞線拉力結(jié)果都遠小于極限拉斷力［5］，因此，鋼絞線的受力仍有一定富余。

圖9 鋼絞線拉力

表1 鋼絞線拉力最大值

拉力試驗數(shù)據(jù)也進一步的證明了數(shù)值仿真分析與試驗吻合較好。

3.3 能量對比

體系中各部件能量的吸收如圖10所示。鋼柱吸收的能量遠大于鋼絞線吸收的能量，因此在該系統(tǒng)中鋼柱為主要的耗能構件。一旦落石與鋼絞線接觸，鋼絞線隨即發(fā)生變形，此時鋼絞線為主要的耗能構件，同時鋼絞線的向下運動，給鋼柱以向下的作用力，帶動鋼柱發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋼柱轉(zhuǎn)角逐步加大，鋼絞線和鋼柱協(xié)同工作，鋼絞線吸收的能量達到最大值為23.98 kJ，鋼柱繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋼柱吸收的能量增加，鋼絞線吸收的能量降低，最終穩(wěn)定狀態(tài)鋼柱吸收的能量為76.06 kJ，鋼絞線吸收了19.98 kJ，同時間距保持板吸收了3.96 kJ。鋼柱吸收的能量較多，鋼絞線吸收的能量較少。

圖10 能量對比

4 結(jié)論與建議

通過試驗與仿真分析，可以得出以下主要的結(jié)論。

(1)剛性防護網(wǎng)結(jié)構形式合理，具有良好傳力路徑和變形能力，該剛性防護網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足防護要求。系統(tǒng)中鋼柱為主要的耗能構件。

(2)在落石沖擊作用下，剛性防護體系的變形和受力有明顯的二階段過程。第一階段，落石和鋼絞線接觸，并產(chǎn)生沖擊變形，尤其是直接與落石接觸的兩根鋼絞線產(chǎn)生較大的沖擊變形。鋼絞線中產(chǎn)生瞬間的最大的拉力。此時，鋼柱變形較小，內(nèi)力較小，柱腳未屈服。第一階段內(nèi)，系統(tǒng)主要靠鋼絞線吸收能量。第二階段，鋼絞線的拉力向兩端的端柱傳遞，由于鋼絞線基本處于彈性工作段，鋼絞線最大沖擊變形減小。同時鋼柱發(fā)生面內(nèi)轉(zhuǎn)動，自由端向下運動，最終，鋼柱傾斜，鋼柱柱腳屈服。隨著鋼柱變形加大，鋼柱吸收的能量逐步增大。鋼絞線變形部分回縮，鋼絞線吸收的能量減小。最終，落石成功攔截，鋼絞線和鋼柱吸收的能量趨于穩(wěn)定。一階段持續(xù)的時間較短，二階段的持續(xù)時間較長。

(3)落石沖擊下，鋼柱的柱腳均已經(jīng)發(fā)生屈服，端柱在直接承受沖擊作用的鋼絞線的位置，腹板發(fā)生明顯的屈曲變形，在工程應用中應加以重視?？蛇m當?shù)脑龃蠖酥匿撎枴Ｍ瑫r最大能級的荷載沖擊下，鋼柱產(chǎn)生了約15°的轉(zhuǎn)角，在實際的架設中為充分發(fā)揮剛性防護系統(tǒng)的作用，應留有足夠的變形空間。

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Test Research and Numerical Analysis of Rigid Protection System Against Sporadic Rock Falling on High-speed Railway

QI Xin，WEI Tao，YU Zhi-xiang
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In combination with the actual project of rigid protection system against the sporadic rockfalling on Changsha-Kunming high-speed railway，and in view of the actual situation that it was not clear how much protective energy the rigid protection system could provide，the impact test on the rigid protection system against the full-sized falling rocks was carried out.Then according to the test results，the deformation behavior and the load transfer mechanism were studied;therefore the working conditions of the two stages of this system were made clear，and the weak links in this system were pointed out.In addition，based on explicit dynamic algorithm LS-DYNA，the overall process was simulated in which the rigid protection system was knocked by the falling rocks severely.Further，by comparing the simulation results with the test results，it can be seen that the two results accord with each other well.And all the results show that the structure of this new rigid protection system is reasonable，with good deformability and good load transfer mechanism，and can achieve the expected anti-impact effect.Finally，on the basis of above-mentioned achievements，the relevant suggestions on the design optimization for this system were put forward.

high-speed railway;rigid protection system;load transfer mechanism;simulation analysis;test

U238;U213.1+55

A

1004-2954(2013)10-0031-04

2013-04-29;

2013-05-21

鐵道部科技研究開發(fā)計劃重點項目資助(2012G003-J);鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2010G014-E)

齊 欣(1981—)，女，博士研究生，E-mail:qixin_117@126.com。