(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500；3.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200)

柔性棚洞結(jié)構(gòu)落石沖擊數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500；3.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200)

提出一種適用于鐵路線路落石防護(hù)的新型柔性棚洞，利用金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿組成柔性耗能結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)鋼筋混凝土棚洞頂部鋪設(shè)的砂、礫石墊層來達(dá)到緩沖消能目的。為準(zhǔn)確評(píng)估該柔性棚洞結(jié)構(gòu)的性能，采用動(dòng)力有限元方法對(duì)其落石沖擊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果修正、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；進(jìn)一步開展1∶1結(jié)構(gòu)局部模型落石沖擊試驗(yàn)；測(cè)試得到?jīng)_擊時(shí)長、金屬柔性網(wǎng)最大撓度、支撐繩索力和彈簧撐桿軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠，在能級(jí)為50 kJ的落石沖擊作用下，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)。最后，針對(duì)存在的問題給出改進(jìn)建議。

柔性棚洞結(jié)構(gòu)；落石；沖擊力；足尺模型試驗(yàn)；彈簧撐桿

修建于山區(qū)的鐵路或公路線路常遭受落石威脅，導(dǎo)致設(shè)施損毀、交通中斷及人員傷亡，其成因多為：高陡巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)定、邊坡施工刷坡或爆破等。落石災(zāi)害防治措施分為主動(dòng)防護(hù)措施和被動(dòng)防護(hù)措施[1]。主動(dòng)防護(hù)是利用加固、清除崩塌源等方式防止落石產(chǎn)生；被動(dòng)防護(hù)是對(duì)崩塌落石進(jìn)行有效攔截。公路工程多采用邊坡設(shè)主動(dòng)、被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)體系，效果較好。而鐵路線路對(duì)防護(hù)等級(jí)的要求更高，既有鐵路落石防護(hù)措施仍以對(duì)落石段線路采用全覆蓋的棚(明)洞工程為主，屬于被動(dòng)防護(hù)，多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其頂部通過鋪設(shè)砂、礫石或黏土墊層來達(dá)到緩沖、消能目的。落石沖擊作用下，經(jīng)墊層材料緩沖后再分散傳遞至下部結(jié)構(gòu)的沖擊荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的主要荷載之一。常規(guī)鋼筋混凝土棚洞結(jié)構(gòu)剛度大、防護(hù)性能好。但是，由于砂、礫石或黏土墊層材料自重荷載大，故對(duì)基礎(chǔ)承載力要求高，且施工工期長、建造成本高，施工過程中對(duì)既有鐵路運(yùn)營干擾大，安全隱患突出。而近年出現(xiàn)的柔性棚洞則以鋼桁架作為結(jié)構(gòu)主體，其上鋪設(shè)金屬柔性網(wǎng)作為落石緩沖層，充分利用了金屬柔性網(wǎng)“以柔克剛”的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)輕巧可靠、外形美觀、施工便捷、應(yīng)急能力強(qiáng)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工期間不中斷交通等優(yōu)點(diǎn)。劉成清等[2]比較了鋼筋混凝土棚洞和柔性鋼棚洞的工程造價(jià)，綜合金屬構(gòu)件制造、基礎(chǔ)施工和運(yùn)維成本，并考慮社會(huì)效益，在相同防護(hù)能級(jí)下，柔性鋼棚洞的建設(shè)成本最多可減少近40%。

目前，國內(nèi)、外針對(duì)鋼筋混凝土棚洞結(jié)構(gòu)的研究成果較多，主要涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、設(shè)計(jì)方法、耗能減震和施工等方面。而對(duì)于柔性棚洞結(jié)構(gòu)的研究尚不充分，主要研究了柔性棚洞的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造，對(duì)落石沖擊作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真，初步探討其變形及破壞特點(diǎn)。Gentilini等[3]對(duì)柔性防護(hù)網(wǎng)的落石沖擊進(jìn)行了系統(tǒng)研究，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立并校準(zhǔn)柔性防護(hù)網(wǎng)有限元模型，證明數(shù)值方法作為一種設(shè)計(jì)工具的可靠性。汪敏等[4-5]設(shè)計(jì)了一種由型鋼拱架和環(huán)形網(wǎng)組成的柔性棚洞，并對(duì)其開展了落石沖擊數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，證明采用數(shù)值方法能夠較好地計(jì)算柔性棚洞在落石沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)；試驗(yàn)過程中出現(xiàn)剛拱架局部扭曲和節(jié)點(diǎn)板破壞，表明在高能級(jí)落石沖擊頻發(fā)地段，必須設(shè)法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性。落石沖擊作用下，柔性棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析須要考慮材料非線性、結(jié)構(gòu)大變形及復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。目前，僅《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 13-95)[6]針對(duì)常規(guī)棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出了落石沖擊力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，且計(jì)算誤差較大[7]。面對(duì)相同的防護(hù)能級(jí)，由于缺少統(tǒng)一規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中對(duì)落石的質(zhì)量和幾何形狀的選擇均較為隨意，大量數(shù)值模擬因缺少試驗(yàn)驗(yàn)證而無法獲得準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。

通過合理設(shè)計(jì)、安裝耗能減振裝置，可大幅耗散落石入射能量，減緩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)于常規(guī)棚洞結(jié)構(gòu)，Mougin等[8-11]通過在頂板支座處增設(shè)金屬耗能器吸收落石沖擊能量，從而減少墊層厚度及結(jié)構(gòu)自重。這一思路同樣適用于柔性棚洞，但柔性棚洞結(jié)構(gòu)加裝耗能減振裝置的工程實(shí)踐不多，對(duì)其緩沖耗能效果的理論和試驗(yàn)研究鮮見。本文以某鐵路區(qū)間的柔性棚洞工程為背景，提出一種新型柔性棚洞結(jié)構(gòu)[12]。該結(jié)構(gòu)主要依靠由金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿構(gòu)成的柔性耗能結(jié)構(gòu)來緩沖落石沖擊作用，既利用了柔性金屬網(wǎng)的柔性和高強(qiáng)度特征，同時(shí)又通過設(shè)置彈簧撐桿進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)彈性和阻尼。首先，取柔性棚洞標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元為研究對(duì)象，開展落石沖擊數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果修正、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，進(jìn)一步對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元開展1∶1結(jié)構(gòu)局部模型落石沖擊試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并改進(jìn)結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造措施,為今后同類柔性棚洞的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1 柔性棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

某既有鐵路路線位于云貴山區(qū)的喀斯特地貌區(qū)，受氣候條件和山區(qū)鐵路坡面巖石風(fēng)化及地震等作用，落石病害范圍逐步擴(kuò)大，急需開展落石整治工程。鑒于該路段行車密度很大，要求新建棚(明)洞結(jié)構(gòu)施工盡可能降低行車干擾，加快施工速度。經(jīng)過前期對(duì)各初始方案的數(shù)值模擬分析、優(yōu)化，中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司完成了一種新型柔性棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

(a) 柔性棚洞結(jié)構(gòu)方案

(b) 完工狀態(tài)照片

根據(jù)該路段落石病害整治統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，將柔性棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)能級(jí)確定為50 kJ，最大設(shè)計(jì)落石質(zhì)量 340 kg。根據(jù)鐵路行車要求，對(duì)柔性棚洞基本斷面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼筋混凝土門架寬為9.0 m，軌頂至門架頂8.8 m，單跨跨度為6.0 m，共8跨，全長54.0 m(3 m+8×6 m+3 m)。

金屬柔性網(wǎng)用于直接承受落石沖擊，其鋪掛在支撐繩上，與專門設(shè)計(jì)的彈簧撐桿頂端連接，組成上部緩沖結(jié)構(gòu)，其下部支撐體系由鋼管桁架和鋼筋混凝土門架構(gòu)成。鋼管桁架的桿件采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接，并通過橡膠支座支承于鋼筋混凝土門架橫梁上。當(dāng)落石入射時(shí)，柔性棚洞主要通過金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿的彈塑性變形緩沖、耗散沖擊能量，其余結(jié)構(gòu)則處于彈性工作狀態(tài)。根據(jù)沖量定理，對(duì)于給定質(zhì)量和速度的落石，上部緩沖結(jié)構(gòu)與落石的相互作用時(shí)間越長，則傳遞至下部支撐體系的荷載就越小，這要求棚洞內(nèi)部應(yīng)預(yù)留足夠的變形空間。

金屬柔性網(wǎng)由三層網(wǎng)片構(gòu)成，如圖2所示。自上而下分別為：鋼絲格柵、環(huán)形網(wǎng)和鋼絲繩網(wǎng)。鋼絲格柵由φ 3 mm鋼絲編制，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，用于攔截小塊落石，處于松弛狀態(tài)。環(huán)形網(wǎng)由ROCCO圓環(huán)相互套接構(gòu)成，單個(gè)ROCCO圓環(huán)由φ 3 mm的鋼絲按網(wǎng)孔內(nèi)切圓φ 300 mm，盤結(jié)7圈編制，然后采用3個(gè)金屬卡箍固定(R7/3/300)。鋼絲繩網(wǎng)是由鋼絲繩編制，并在交叉結(jié)點(diǎn)處用專用“+”字卡扣固定的成品網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)片單元用φ 28 mm的支撐繩形成3 000 mm×2 000 mm網(wǎng)格，其間用φ 16 mm鋼絲繩加密索，形成500 mm×500 mm網(wǎng)格。環(huán)形網(wǎng)和鋼絲繩網(wǎng)四周由縫合繩與支撐繩連接，將直接承受落石沖擊，依靠其自身的彈塑性變形緩沖落石沖擊能量。支撐繩采用φ 31 mm雙繩。金屬柔性網(wǎng)安裝時(shí)需要對(duì)各支撐繩施加預(yù)張力，使整個(gè)金屬柔性網(wǎng)處于張緊狀態(tài)，此時(shí)彈簧撐桿受壓。

圖2 金屬柔性網(wǎng)，含：鋼絲格柵、環(huán)形網(wǎng)和鋼絲繩網(wǎng)

彈簧撐桿的構(gòu)造，如圖3所示。主要由一根外徑68 mm，壁厚8.5 mm的鋼管與另一根外徑50 mm，壁厚9 mm的鋼管套接一個(gè)圓柱螺旋彈簧構(gòu)成，以便于更換，有利于結(jié)構(gòu)日常維護(hù)。選用YB 35×140×720型[13]圓柱螺旋彈簧，其剛度系數(shù)k為432 kN/m，最大工作負(fù)荷Fn為71.16 kN，最大工作變形量fn為165 mm。鋼管桁架均采用直徑108 mm，壁厚10 mm的鋼管；鋼筋混凝土門架梁、柱均為800 mm×800 mm矩形截面。

圖3 彈簧撐桿構(gòu)造造

該結(jié)構(gòu)地形適應(yīng)性強(qiáng)，施工簡單快捷，易維護(hù)，非常適合在役線路的落石防護(hù)。由于取消了常規(guī)棚洞特有的鋼筋混凝土頂板及墊層，結(jié)構(gòu)自重大幅下降，下部門架尺寸、基礎(chǔ)埋深、斷面尺寸隨之減小。經(jīng)測(cè)算，綜合結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化所減少的投資與設(shè)置柔性耗能結(jié)構(gòu)體系增加的投資，再考慮因采用工廠預(yù)制現(xiàn)場裝配的施工方法縮短了工期，每延米柔性棚洞的造價(jià)較常規(guī)棚(明)洞結(jié)構(gòu)將減少12%[14]。

2 柔性棚洞落石沖擊數(shù)值模擬

2.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元有限元模型

為配合隨后進(jìn)行的1∶1結(jié)構(gòu)局部模型落石沖擊試驗(yàn)，選取標(biāo)準(zhǔn)柔性結(jié)構(gòu)單元建立分析模型。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元包括：一張規(guī)格為3 000 mm×2 000 mm的金屬柔性網(wǎng)片、16套彈簧撐桿、8根拉錨繩及其連接彈簧，如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元有限元模型

采用通用顯式動(dòng)力分析程序ANSYS/LS-DYNA(版本970)進(jìn)行落石動(dòng)力沖擊過程數(shù)值模擬。用LINK167索單元模擬支撐繩、鋼絲繩網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)，LINK167單元為只拉單元，故采用索材料(EDMP, CABLE)；用COMBI165彈簧阻尼單元模擬彈簧撐桿；用SOLID164實(shí)體單元模擬落石。上述單元均為程序所提供的顯式分析單元。由于SOLID164實(shí)體單元選用了剛性材料(EDMP, RIGID)[15]，故整個(gè)數(shù)值模擬過程不存在沙漏現(xiàn)象。

落石沖擊作用下，柔性棚洞的確切的結(jié)構(gòu)響應(yīng)受多種因素控制，各因素之間的相互關(guān)系目前還不明確。采用數(shù)值方法分析柔性棚洞的落石動(dòng)力沖擊問題時(shí)，需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)作必要的假設(shè)，以簡化計(jì)算。由于鋼絲格柵僅屬維護(hù)構(gòu)件，其承受的落石沖擊作用微小，故在數(shù)值模擬時(shí)予以忽略?？紤]環(huán)形網(wǎng)的ROCCO圓環(huán)間相互套接所造成的尺寸縮減，通過調(diào)整每個(gè)圓環(huán)的直徑使其兩兩相切，并使環(huán)形網(wǎng)有限元模型中的圓環(huán)數(shù)量與實(shí)際情況保持一致。直接建立各圓環(huán)有限元模型，在切點(diǎn)處共用結(jié)點(diǎn)連接。下層的鋼絲繩網(wǎng)則采用在鋼絲繩交叉處共用結(jié)點(diǎn)來模擬“+”字卡扣連接。鋼管桁架和鋼筋混凝土門架的變形遠(yuǎn)小于金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿，故忽略二者的影響，將彈簧撐桿下端設(shè)置為鉸支約束。支撐繩與彈簧撐桿上端為剛性連接，環(huán)形網(wǎng)、鋼絲繩網(wǎng)與四周支撐繩均采用縫合繩固定，有限元分析模型則簡化為共結(jié)點(diǎn)。各支撐繩與地面連接處設(shè)為鉸支。

數(shù)值計(jì)算時(shí)各構(gòu)件的材料力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示。落石沖擊作用下，彈簧撐桿設(shè)計(jì)為處于彈性工作狀態(tài)，故選用彈性材料模型。根據(jù)鋼絲繩單軸靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果[16]，鋼絲繩應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要經(jīng)歷：非線性硬化(鋼束相互鉸緊)、彈性變形、塑性變形和退化(鋼束逐步斷裂)四個(gè)階段。為簡化計(jì)算，鋼絲繩網(wǎng)落石沖擊的數(shù)值模擬多采用雙線性本構(gòu)模型，模型參數(shù)則依據(jù)單軸靜力拉伸試驗(yàn)確定。Del Coz Díaz等[17]針對(duì)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)開展了落石沖擊試驗(yàn)，證明該模型合理、有效，故本文為支撐繩、鋼絲繩網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)選用雙線性本構(gòu)模型。計(jì)算中，為考慮上述構(gòu)件的失效效應(yīng)，選用塑性隨動(dòng)(Plastic Kinematic)材料模型，同時(shí)采用Cowper-Symonds 模型來計(jì)入應(yīng)變率效應(yīng)的影響，用與應(yīng)變率有關(guān)的因數(shù)表示屈服應(yīng)力。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

(1)

(2)

式中，E、Etan分別為彈性模量和切線模量。

支撐繩(拉錨繩)和鋼絲繩網(wǎng)的截面積均采用等效截面面積，分別為357.96 mm2和102.00 mm2。考慮鋼絲盤結(jié)效應(yīng)后，ROCCO圓環(huán)截面的等效半徑r1按式(3)計(jì)算[19-20]

r1=n1/3r

(3)

式中，r為鋼絲盤結(jié)n圈形成圓環(huán)的橫截面半徑。ROCCO圓環(huán)等效截面面積為25.87 mm2。

試驗(yàn)沖擊能級(jí)為50 kJ，落石模擬為340 kg的球形質(zhì)量塊，由金屬柔性網(wǎng)片中心正上方1.00 m處垂直入射，初速度17.15 m/s。計(jì)算起始時(shí)間點(diǎn)為0持續(xù)2.5 s。為準(zhǔn)確地描述在大變形接觸和動(dòng)態(tài)撞擊中的復(fù)雜幾何體之間的相互作用，落石與金屬柔性網(wǎng)間的接觸設(shè)為通用接觸，接觸類型為點(diǎn)-面接觸(NTS)，并假定動(dòng)摩擦因數(shù)為0.8。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

由數(shù)值模擬可得到柔性棚洞結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)落石荷載沖擊下的各種動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，為便于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，本文主要研究了沖擊時(shí)長、金屬柔性網(wǎng)撓度、支撐繩索力和彈簧撐桿應(yīng)變，并于表2依次列出其極值。將落石自接觸金屬柔性網(wǎng)到下落至最低點(diǎn)全程所需時(shí)間定義為沖擊時(shí)長，即柔性棚洞結(jié)構(gòu)用于緩沖落石沖擊的時(shí)間。

根據(jù)分析結(jié)果，柔性棚洞結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力抵御50 kJ能級(jí)落石沖擊。沖擊過程中，金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿的內(nèi)力和應(yīng)變值始終處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。金屬柔性網(wǎng)的最大撓度為1 454 mm，而其與鋼管桁架上弦桿間預(yù)留有2 000 mm的容許變形量，故金屬柔性網(wǎng)的變形滿足設(shè)計(jì)要求。因結(jié)構(gòu)在落石沖擊作用下的變形為大變形，結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)決定其內(nèi)力分布。柔性網(wǎng)長邊方向(縱向)柔度大，承載較多，短邊方向(橫向)則承載較少，導(dǎo)致縱、橫向支撐繩受力不均，如圖5所示。支撐繩索力極值為33.45 kN，遠(yuǎn)小于其662 kN的破斷拉力。為確保當(dāng)落石能級(jí)超過50 kJ時(shí)，結(jié)構(gòu)仍具有足夠的安全余量，故未調(diào)整支撐繩直徑。

由數(shù)值模擬得到落石的豎向加速度時(shí)程曲線，如圖6所示。落石的加速度主要經(jīng)歷了三個(gè)變化階段：階段I，落石入射金屬柔性網(wǎng)，經(jīng)過0.100 0 s(沖擊時(shí)長)后下落至最低點(diǎn)，其豎向加速度達(dá)到峰值626.87 m/s2，對(duì)應(yīng)沖擊力峰值為213.14 kN；階段II，在結(jié)構(gòu)恢復(fù)力作用下，落石由最低點(diǎn)反彈至完全脫離金屬柔性網(wǎng)，其豎向加速度經(jīng)0.045 0 s后，由峰值逐漸降為零；階段III，落石勻速飛離金屬柔性網(wǎng)。

(b)測(cè)力計(jì)T3

(c)測(cè)力計(jì)T4

(d)測(cè)力計(jì)T5

(e)測(cè)力計(jì)T7

(f)測(cè)力計(jì)T8

由圖7應(yīng)變時(shí)程曲線，彈簧撐桿應(yīng)變極值為-146 με，根據(jù)其截面積和彈性模量計(jì)算軸力為-47.74 kN，處于彈性狀態(tài)。此時(shí)，彈簧撐桿中支座的豎向反力達(dá)到最大值217.64 kN。經(jīng)參數(shù)分析，彈簧撐桿合理的剛度系數(shù)范圍為300～500 kN/m。因缺少對(duì)金屬柔性網(wǎng)的阻尼實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，未定義接觸阻尼，導(dǎo)致各支撐繩索力時(shí)程曲線在落石與柔性金屬網(wǎng)脫離接觸后出現(xiàn)不真實(shí)的振蕩。

圖6 落石豎向加速度時(shí)程曲線

(a) 應(yīng)變計(jì)S1

(b) 應(yīng)變計(jì)S2

(c) 應(yīng)變計(jì)S5

(d) 應(yīng)變計(jì)S6

3 結(jié)構(gòu)局部模型試驗(yàn)

3.1 模型加工

由金屬柔性網(wǎng)和彈簧撐桿構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)對(duì)緩沖、耗散落石沖擊動(dòng)能至關(guān)重要，而其實(shí)際工作性能有待測(cè)試。同時(shí)，下部鋼管桁架和鋼筋混凝土門架的設(shè)計(jì)荷載均取自數(shù)值模擬結(jié)果，未經(jīng)驗(yàn)證。因此，必須開展柔性棚洞結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)。限于模型制造費(fèi)用高，難以制作柔性棚洞整體模型，故選取其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)單元制作1∶1結(jié)構(gòu)局部模型，如圖8所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂玫乃袠?gòu)件均與原型結(jié)構(gòu)一致。彈簧撐桿的彈簧與支撐繩連接彈簧型號(hào)相同，實(shí)測(cè)該型號(hào)彈簧樣品剛度系數(shù)平均值k為432 kN/m，標(biāo)準(zhǔn)差s為2.23 kN/m。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

采用正方體切削形成的24面體模擬落石，以使其外形接近球體，其外殼由鋼板焊接而成，內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土填充。落石質(zhì)量340 kg，入射速度為17.15 m/s。試驗(yàn)中用吊車將落石起吊至14.99 m高度，令其自由下落，以達(dá)到預(yù)定入射速度和50 kJ的初始動(dòng)能。吊車掛鉤與落石之間安裝有遙控脫鉤裝置，以保證落石脫鉤瞬間處于靜止?fàn)顟B(tài)。采用鉛垂定位沖擊位置，保證落石入射點(diǎn)位于網(wǎng)片中心。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置，如圖9所示。利用OLYMPUS高速攝影機(jī)拍攝沖擊過程，拍攝頻率為1 000幀/s。該型號(hào)攝影機(jī)配有3D變形和運(yùn)動(dòng)分析軟件，可自動(dòng)參照標(biāo)尺由視頻數(shù)據(jù)計(jì)算出金屬柔性網(wǎng)和落石的位移。

在各彈簧撐桿表面沿其軸線方向?qū)ΨQ粘貼一組(兩片)應(yīng)變計(jì)，共布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)16組，依次編號(hào)S1～S16。在支撐繩與連接彈簧之間串接拉壓力傳感器，測(cè)試支撐繩索力，共布設(shè)索力測(cè)點(diǎn)8個(gè)，依次編號(hào)T1～T8。同時(shí)采用兩臺(tái)16通道DEWE800動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變和索力信號(hào)，采樣時(shí)間步長0.000 1 s。

3.3 測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

試驗(yàn)表明：試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌虺惺苜|(zhì)量塊的動(dòng)力沖擊作用，結(jié)構(gòu)構(gòu)件無破壞。落石沖擊作用下，由數(shù)值模擬得到的結(jié)構(gòu)變形特征與試驗(yàn)結(jié)果一致。表2同時(shí)比較了試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的落石沖擊時(shí)長、金屬柔性網(wǎng)最大撓度、彈簧撐桿最大應(yīng)力和支撐繩最大索力。實(shí)測(cè)最大撓度1 680 mm，超出計(jì)算值16%，但仍未超出預(yù)留容許變形量，且作用時(shí)間較短，其原因在于：試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹卫K無法如計(jì)算模型一樣完全張緊，同時(shí)，各構(gòu)件間的初始連接尚未達(dá)到密貼狀態(tài)，與計(jì)算模型的共用結(jié)點(diǎn)的連接方式存在差異，故從落石入射至各構(gòu)件開始受力，整個(gè)結(jié)構(gòu)必須先完成一定的變形量；采用兩兩相切的圓環(huán)模擬環(huán)形網(wǎng)中相互嵌套的ROCOO圓環(huán)，造成金屬柔性網(wǎng)片的理論尺寸小于實(shí)際尺寸，網(wǎng)片的理論剛度大于實(shí)際剛度。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5繪出了T2～T5、T7、T8測(cè)點(diǎn)的索力時(shí)程曲線(T1、T6測(cè)點(diǎn)損壞)，圖中實(shí)線表示試驗(yàn)值，虛線為計(jì)算值。由于試驗(yàn)值的采樣起始時(shí)間點(diǎn)與計(jì)算值不同，故按照峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻相同的方法折算試驗(yàn)值的時(shí)間坐標(biāo)。由圖可知，金屬柔性網(wǎng)縱向支撐繩索力遠(yuǎn)大于橫向支撐繩索力，前者均值是后者的10.24倍。這與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，并進(jìn)一步證明：對(duì)于金屬柔性網(wǎng)這樣具有強(qiáng)幾何非線性的結(jié)構(gòu)，荷載主要向剛度較小的方向傳遞。由試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的縱向支撐繩索力時(shí)程曲線吻合良好，極值偏差15%；橫向支撐繩的索力實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，說明計(jì)算模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿源嬖谳^大差異。由于風(fēng)載使吊鉤輕微晃動(dòng)，使落石無法精確入射網(wǎng)片中心，同時(shí)，因測(cè)量誤差、安裝誤差、模型不完全對(duì)稱等原因，各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)、計(jì)算結(jié)果均存在細(xì)微差別。

圖7繪出S1、S2、S5、S6測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線(其余應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的結(jié)果可據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性得到類似規(guī)律)，同樣也按照峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻相同的方法折算了試驗(yàn)值的時(shí)間坐標(biāo)。各彈簧撐桿的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果均為兩片應(yīng)變計(jì)測(cè)試結(jié)果的平均值。落石沖擊過程中，除了外側(cè)1#測(cè)點(diǎn)受拉外，其余測(cè)點(diǎn)均受壓。經(jīng)比較，由試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的彈簧撐桿應(yīng)變時(shí)程曲線吻合良好，極值偏差11%。當(dāng)質(zhì)量塊下落至最低點(diǎn)時(shí)刻，S1達(dá)到其極值45.27 με，此時(shí)其余各桿也同時(shí)達(dá)壓應(yīng)變峰值。據(jù)觀測(cè)，各彈簧撐桿壓應(yīng)變最大值為-129.73 με，出現(xiàn)在S6，對(duì)應(yīng)最大軸力值為-42.42 kN。由于缺少彈簧撐桿支反力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故計(jì)入各桿轉(zhuǎn)動(dòng)位移的影響，由各彈簧撐桿最大軸力值估算中支座的豎向反力最大值為193.38 kN，小于其計(jì)算值11%。柔性棚洞的鋼管桁架和鋼筋混凝土門架不考慮大變形和材料非線性，而以彈簧撐桿的最大支反力與結(jié)構(gòu)恒載的不利組合作為鋼管桁架和鋼筋混凝土門架的設(shè)計(jì)荷載，以此確保二者的小變形和彈性工作狀態(tài)。

質(zhì)量塊下落至最低點(diǎn)后，在結(jié)構(gòu)恢復(fù)力作用下開始反彈，并最終飛離。金屬柔性網(wǎng)存在殘余變形，約下?lián)?60 mm。沖擊過程中，環(huán)形網(wǎng)和鋼絲繩網(wǎng)未見斷裂，鋼絲繩網(wǎng)的“+”字卡扣完好，無滑動(dòng)，所有彈簧撐桿均能自動(dòng)反彈復(fù)位。

4 結(jié) 論

本文綜合被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和常規(guī)鋼筋混凝土棚洞的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型柔性棚洞，并對(duì)該柔性棚洞結(jié)構(gòu)開展了落石沖擊數(shù)值模擬和1∶1局部模型試驗(yàn)。結(jié)果表明：

(1) 該柔性棚洞結(jié)構(gòu)合理，能夠安全防護(hù)初始動(dòng)能為50 kJ的落石。落石沖擊作用下，結(jié)構(gòu)最大位移、最大內(nèi)力響應(yīng)均滿足設(shè)計(jì)要求，落石與電力接觸網(wǎng)始終保持安全距離，不影響列車正常通行。

(2) 對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明通過數(shù)值方法能夠較好地模擬柔性棚洞結(jié)構(gòu)在落石沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為柔性棚洞整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。但數(shù)值模擬過程較為繁瑣，不便于工程應(yīng)用，尚需進(jìn)一步研究柔性棚洞結(jié)構(gòu)落石沖擊力的簡化計(jì)算方法。

(3) 柔性棚洞結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的柔度分布直接決定了各構(gòu)件所承受的落石沖擊力大小。故應(yīng)合理地設(shè)計(jì)各構(gòu)件的柔度，使整個(gè)結(jié)構(gòu)柔度均勻分布，進(jìn)而控制落石沖擊力的均勻分布，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

(4) 在設(shè)計(jì)能級(jí)的落石沖擊下，柔性棚洞結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，無需維修；當(dāng)落石能級(jí)超過設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性變形，更換受損構(gòu)件后即可恢復(fù)使用。因此，當(dāng)落石荷載能級(jí)較低或者落石發(fā)生概率較低時(shí)，采用柔性棚洞具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)；而當(dāng)防護(hù)線路落石頻發(fā)、能級(jí)較大時(shí)，則宜采用常規(guī)棚(明)結(jié)構(gòu)加以防護(hù)，但須增加必要的建設(shè)成本。

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楊建榮1,2， 白 羽2， 楊曉東2， 羅云飛3

Numerical simulation and tests for flexible rock shed subjected to rackfall impact

YANG Jianrong1,2， BAI Yu2， YANG Xiaodong2, LUO Yunfei3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 3. Kunming Survey, Design and Research Institute Co., Ltd. of CREEC, Kunming 650200, China)

A new flexible rock-shed was presented for protection of railway from falling rocks. The shed consisted of a metal flexible net system connected with specific spring spacer bars. It was designed as a buffer against rock impact and replace an array of reinforced concrete portable frames linked with a longitudinal steel tube truss. In order to evaluate the performance of the flexible rock-shed, the numerical simulation was performed to investigate impact responses of the shed to rockfall. Then, the impact tests were conducted on a full-scale model for the local part of the prototype structure. The data obtained included impact time interval, maximum deflection of metal flexible net, tensile force of support ropes and axial strain of spring spacer bars. The numerical simulation results were verified with tested data. It was shown that the structure can withstand impact energy of 50 kJ, the main components of the shed are working within their elastic states. At last some complementary suggestions for improvement were offered.

flexible rock shed; rockfall; impact; full-scale model test; spring spacer bar

山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(重慶交通大學(xué))開放基金(CQSLBF-Y13-9)；云南省科技富民強(qiáng)縣計(jì)劃基金(2015EA002)

2015-11-09 修改稿收到日期：2016-02-09

楊建榮 男，博士，副教授，1978年生 E-mail：332970794@qq.com

U213.83

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.026