柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究
滚石作用下棚洞结构数值模拟研究
滚石作用下棚洞结构数值模拟研究
近年来，地下棚洞结构在城市规划、地铁建设等领域中越来越受到重视，棚洞结构是一种重要的地下结构，其复杂的土力学状态和复杂的结构作用，使其在建设中面临许多挑战。
传统的数据获取方法以及理论分析可以提供基本的理论支撑，但在实际的工程应用中，受众多难以量化的因素的影响，仍然存在许多不确定性。
为了研究滚石作用下的棚洞结构的土力学变形行为，以及结构安全系数，本文采用数值模拟方法，进行棚洞结构模型的数值模拟分析。
针对研究对象，采用不同的深度和深度入口的棚洞结构进行数值模拟，比较和分析棚洞结构不同结构参数下的土力学变形行为，并采用有限元软件ANSYS进行结构模拟，探究不同结构系数下棚洞结构的安全系数。
首先，介绍了数值模拟的基本原理。
其次，建立了连续介质半空间形式的有限元模型，由此进行三维量化分析，并使用ANSYS软件进行模型计算分析，以确定结构参数对于棚洞结构变形行为的影响规律，以及安全性能分析。
在有限元模型建立的基础上，利用ANSYS软件对棚洞结构进行数值仿真，探究结构参数对于棚洞结构安全性的影响。
通过对结构参数的分析，可以更好地推测结构安全性和使用寿命。
通过对棚洞结构的数值模拟分析，可以得出以下结论：（1）滚石作用下的棚洞结构土力学变形性能显著。
（2）棚洞结构的深度和深度入口对棚洞结构的变形行为影响较大。
（3）棚洞结构的结构系数对结
构安全性有重要影响。
结论：滚石作用下的棚洞结构，其结构参数对于棚洞结构的安全性具有重要影响，可以通过有限元模拟分析，更好地推测结构变形行为和安全性能分析。
211038287_柔性钢棚洞的落车模拟与动力响应
随着国家高速铁路网的不断完善，交通干线纵横交错，高铁线与公路线桥出现交叉的情况越来越常见。
当出现线路交叉跨越的情况时，要求上跨的线桥应采取符合规范的安全防护措施，与上跨线桥交叉的下穿线路应采取对应的防撞设计。
柔性钢棚洞作为一种防护结构，具有降低施工难度、修建维修成本低、效率高以及速度快的特点，被广泛应用于山区公路、铁路以及桥隧连接处等地段，是下穿公路、铁路防撞设计的首选防护结构形式[1]。
然而，据调查显示，上跨公路桥发生严重车祸的频率较高，有时甚至会出现汽车失控撞坏防撞墙后翻落桥下的情况，对下方防护结构（例如柔性棚洞）造成冲击，影响下行路桥的正常运营。
因此，须对柔性钢棚洞进行落车冲击模拟。
该文建立了汽车-棚洞耦合有限元模型，模拟各种落车冲击姿态，计算柔性棚洞受冲击下的动力响应。
对不同落车姿态、不同冲击速度下的动力响应结果进行对比，找出汽车最不利的下落姿态，同时总结了动力响应的变化规律，为后续柔性棚洞的优化及设计计算理论的建立奠定了良好的研究基础。
1 建立有限元模型1.1 柔性钢棚洞有限元模型采用LS-DYNA分析软件建立柔性钢棚洞的有限元模型。
该棚洞宽15.0 m，高6.8 m，共5跨，每跨间距3.0 m，一侧有耗能器。
采用beam161单元模拟钢拱架、小钢柱、支撑杆、斜支撑杆、耗能器、卸扣、支撑绳以及柔性环形网中的每个钢丝环[2]。
有限元模型如图1所示，模型边界条件采取环向支撑绳与地面的连接处设为铰接连接，钢拱架柱底与地面设为固定连接。
1.2 落车有限元模型车辆的计算模型的形式和尺寸参考东风凯普特K8汽车[3]。
在ANSYS中完成建立整个落车的三维有限元模型和网格划分的任务，为了合理再现该车的结构相关特性（例如质量分布、外形轮廓等），采用实体单元模拟质量块和车轴，其中质量块可以调整其相关仿真参数，从而模拟汽车不同区域的质量分布。
1.3 耦合接触模型和材料模型运用LS-DYNA后处理软件将前述的有限元模型导入LS-PREPOST并进行接触关系定义，车-钢棚洞的接触定义为线-面接触[3]。
落石冲击作用下柔性被动防护系统结构的动力响应分析
落石冲击作用下柔性被动防护系统结构的动力响应分析宋男男;王林峰;宋小波;闻锋【摘要】柔性被动防护系统是防治落石灾害常见的方式之一.以被动防护系统为研究对象,将落石简化为刚性球体,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对落石冲击作用下的柔性被动防护系统的位移、冲击力和能量进行了研究,模拟了不同形状和冲击角度下的落石冲击荷载对柔性被动防护系统结构的动力响应.分析结果显示:在冲击角度不变时,落石形状为球形时冲击柔性被动防护系统的位移和冲击力最大,其值为2.87m、1.61×106N,在冲击落石形状相同时角度越小位移、冲击力越大,数值模拟球形落石比片状落石、立方体落石得到的位移、冲击力、能量大,这对于设计柔性防护结构来说比较保守.【期刊名称】《安阳工学院学报》【年(卷),期】2017(016)006【总页数】5页(P92-95,102)【关键词】被动柔性防护系统;落石;动力响应;ANSYS/LS-DYNA【作者】宋男男;王林峰;宋小波;闻锋【作者单位】重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】P642.1柔性防护系统结构施工简单、防护性能好，而且在我国公路系统得到了广泛应用。
目前，我国对落石灾害的基础研究相对薄弱，导致防治落石灾害的措施还有待提高。
被动柔性防护技术是上20世纪50年代瑞士布鲁克集团开发的一种边坡地质防治技术,最开始研发的目的主要是防治各种斜坡的坡面崩塌落石、雪崩和风化剥落等灾害现象,然后根据不一样的灾害的基本特征渐渐形成了以高强度钢丝格栅、钢丝绳网和环形网等高强度柔性网所组成的主动加固、被动拦截、和围护等结构形式[1]。
被动柔性防护技术被引入国内以来,在我国的水电站、市政、公路、铁路等领域的落石的拦截、边坡加固及危岩、坡面围护等方面得到了非常广泛的应用。
棚洞抗泥石流及落石冲击计算
泥石流防治工程设计计算1.泥石流防治工程设计主要参数的选取 （1）泥石流体重度按照《泥石流灾害防治工程勘察规范》附录G 进行易发程度评分，按照表G.2查表确定泥石流重度和泥沙修正系数，其结果如下表1所示：表1 泥石流重度及泥沙修正系数表U C =γH φ+1n C 2/3I C 1/2 式中，γH 为泥浆体容重，γH =2.65t /m 3;n 河床糙率系数，n =0.33；H C 为计算断面的平均泥深，根据病害现场照片，取H C =1.5m ；I C 为泥石流水力坡度，取沟床纵率0.268。
计算得U C =5.3m/s 。
（3）泥石流流量用雨洪修正法计算泥石流流量Q C =Q B （1+φ）D式中，Q B 为青水洪峰流量。
按云南省水文手册计算公式算得Q 0.2=11.21m 3/s ，D 为泥石流堵塞系数，取1.2。
计算得Q C =21.05m 3/s 。
（4）一次泥石流过程总量计算根据泥石流历时T(s)和最大流量Q C （m 3/s ），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化为五角形，其计算式为：Q=KTQ C 式中，K =0.264，T=22.4s 。
计算得Q =124.5m 3。
一次泥石流冲出的固体物质总量Q H ：Q H =Q (γC −γW )/(γH −γW )式中，γC 为泥石流重度，γC =1.593t/m 3;γW 为水的重度，γW =1.0t/m 3;γH 为固体物质重度，γH =2.65t/m 3。
计算得Q H =44.8m 3。
（5）泥石流整体冲击力σ=λγc g V C 2sina式中，λ为建筑物形状系数，λ=1.33；a 为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，a =90°。
σ=0.37kPa 。
2. 结构抗泥石流灾害的设计计算 （1）设计要求及计算参数：结构安全等级: 一级 混凝土强度等级: C50 钢筋等级: HRB335 单元类型：SOLID95材料特性：柱子：线弹性；顶板：材料非线性；填土:DP 特性初拟几何尺寸：边柱高32.0m ，截面2.0m ×3.0m ；顶板厚1.0m ；填土厚0.45+0.30×L 边界条件：基础：D ，ALL ，ALL ，0；靠山侧填土：D,ALL,UX,0 荷载组合：自重+泥石流固体物质+泥石流整体冲击（2）结构承载力验算C50砼抗压强度标准值：32.4MPa；抗拉强度标准值：2.64MPa；抗剪强度标准值：4.0MPa。
落石冲击棚洞结构的PFC3D数值模拟研究
文章引用: 李俊杰, 李俊隆, 王玉锁. 落石冲击棚洞结构的 PFC3D 数值模拟研究[J]. 土木工程, 2019, 8(3): 800-810. DOI: 10.12677/hjce.2019.83093
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2019, 8(3), 800-810 Published Online May 2019 in Hans. /journal/hjce https:///10.12677/hjce.2019.83093
2.2. 力学本构关系
本次离散元数值模拟采用接触刚度模型，回填土颗粒单元采用接触粘结本构模型，棚洞颗粒单元采 用平行粘结结构模型。
3. 棚洞结构建模
采用离散元颗粒流数值模拟软件 PFC 建模，模拟工况是有回填土(t = 1 m)和无回填土(t = 0)两种情况, 落石重量 2.0 t，垂直下落冲击棚洞结构。落石冲击时，需要考虑落石重力、回填土的摩擦力、回填土对 落石的粘滞阻尼力和落石与回填土以及棚洞结构的碰撞力，阻尼选用粘滞阻尼，粘滞阻尼系数取值 0.2。
Received: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019
Abstract
Based on the discrete element theory, a particle model was made to simulate the process of rockfall impact to shed cave under with and without backfill soil and the impact effect of different parts of the shed structure was studied and analyzed. The results drew conclusions as below: The stress response of the same part was different and meanwhile, the dynamic response of different parts was neither different under the action of rockfall impact. The shear stress is taken as the control stress near the impact position of the falling rock, and the failure form is shear failure. At the end of the roof, the normal stress is used as the control stress, and the failure form is extrusion failure. The impact effect of backfill is less than that of non-backfill, which indicates that backfill has very good buffering effect on rockfall impact, and the layout of backfill has an effect on the stress distribution of roof under rockfall impact.
落石冲击力理论与数值模拟研究
3.2. 落石冲击棚洞结构的数值模型
本文运用 ANSYS/LS-DYNA 软件，建立与实际工程一致的模型，通过显示动力算法模拟落石冲击混 凝土棚洞的全过程。 材料模型：针对钢筋混凝土冲击过程中破坏大变形问题，选择合适的混凝土本构关系至关重要。混 凝土标号为 C30，采用 HJC 材料模型，该模型因其简明合理的描述和计算程序的适应性，在混凝土强动 载问题中获得了世界范围的广泛应用[12]。其材料参数见表 2。
3.1. 落石与棚洞材料参数
本文棚洞结构主要分为上下两个部分，上部为钢筋混凝土 T 型梁，下部为混凝土顶端梁，混凝土棚 洞模型如图 1 所示。根据 JTG/TD70-2010《公路隧道设计细则》[11]规定，当边坡有严重的危石、崩塌威 胁时，棚洞顶板的回填土厚度不宜小于 1.5 m，因此在棚洞顶板上铺设 1.5 m 砂土缓冲层。 由于实际工程中，落石的形状并非规则的球体，为了使冲击结果与实际工程更相近，因此落石采用
Open Access
1. 引言
落石是山区常见的灾害，对其危害范围内的公路、铁路等构筑物和人类活动构成了严重的威胁。棚 洞作为一种有效的被动防护措施，目前已广泛地建造于落石易发处，来保护山区公路和铁路，防止交通 堵塞。落石冲击力是棚洞结构设计时需要考虑的主要荷载之一。国内外学者对冲击力的研究主要基于四 个理论：动量定理、弹性力学、接触力学和塑性变形[1]。 为了保护棚洞的下部结构，设计人员通常在棚洞上部铺置一定厚度的砂土垫层来缓冲落石对棚洞结 构的冲击。 落石冲击土层时包含了土层的弹性、塑性变形， 也伴随着粘性、 硬化和摩擦能量耗散等行为， 导致冲击过程更加复杂。 因此学者们对于落石冲击的研究大多基于冲击实验结果推导半经验半理论公式： 日本道路公团[2]和 Labiouse 瑞士公式[3]基于 Hertz 弹性接触理论和室内落石冲击试验数据结果，提出计 算落石冲击力的半经验半理论公式；Pichler [4]等结合室外实验，根据落石冲击深度、落石高度计算其冲 击力及冲击时间；杨其新、关宝树教授[5]通过对室内落锤实验数据拟合，建立落石冲击力计算方法。另 外，国内的《公路路基设计规范》(JTJ13-95) [6]和《铁路工程设计技术手册·隧道(修订版)》[7]也推荐了 落石冲击力的近似算法。 然而实际工程中，山区落石的形状各异，冲击能量较大，当落石冲击砂石等缓冲层后，造成的压痕 较深变形较大，Hertz 弹性理论的小应变假设已经不能应用于伴随着塑性变形的落石冲击力的理论研究。 各个理论计算方法通常采用球形落石的形式，而忽略了落石形状对冲击力的影响。从理论上、数值上和 实验上，对落石形状对冲击力和结构响应的影响研究较少。徐胜[8]通过数值模拟表明：在同等条件下， 落石形状的不同会导致冲击力大小也不同，其中正方形时，落石冲击力最大。Peng Yan, Jinhua Zhang [9] 等人通过数值模拟发现，与圆形落石相比，椭球体随着球度的增大，峰值冲击力和冲量增大。因此本文 在考虑落石形状的情况下，通过数值模拟二十六面体落石冲击混凝土棚洞结构，来研究现今推荐使用的 各个落石最大冲击力的计算方法是否依然适用。
不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究
不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究张群利;王全才;吴清;郭绍平【摘要】借助ANSYS／LS－DYNA有限元软件模拟棚洞结构在落石冲击荷载下的动力响应过程，通过分析比较5类棚洞结构的受力与变形的特征，研究不同结构类型的抗冲击性能。
研究表明：不同结构类型棚洞在同等冲击作用下会有不同的动力响应，全拱式和半拱式棚洞的抗冲击性能比门式有优势，斜柱式比直柱式抗冲击性能好；门式和半拱式棚洞的柱体顶部内侧与顶板交接处，全拱式棚洞的拱柱底部是最大等效应力的集中部位，实际工程中可采取局部加强措施，保证结构的安全性。
%In order to study rock-fall impact properties of different shed-tunnel structures,five kinds of shed-tunnel structures' models were established with the finite element software ANSYS/LS-DYNA.The distribution of force and deformation characteristics was analyzed comparatively.The results showed that different shed-tunnel structure types possess different dynamic responses under the same impact load.The comprehensive analysis of effective stress duration curves and roof displacement indicated that the impact resistances of archstyle and semi-arch-style shed-tunnel structures are better than those of gantry ones,and the impact resistances of inclined column ones are better than those of straight column ones.The maximum equivalent stress distribution showed that dangerous parts of gantry shed-tunnel structures and semi-arch ones are at the juncture between inside of column crown and roof,and those of arch shed-tunnel structures are at the bottom of arch-column,some local reinforcementmeasures should be adopted in practical projects in order to keep the safety of shed-tunnel structures.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P72-76)【关键词】棚洞结构;落石;数值分析;冲击响应【作者】张群利;王全才;吴清;郭绍平【作者单位】中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041;西安中交土木科技有限公司，西安 710075;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041; 中国科学院大学，北京100049【正文语种】中文【中图分类】TU311.3第一作者张群利女，博士生，1986年生通信作者王全才男，研究员，1959年生Key words:shed-tunnel structure; rock-fall; numerical analysis; impulse response山区经济、旅游的快速发展，促使交通路线不断向山区延伸，落石灾害问题已愈发突出[1-2]。
棚洞结构模型试验研究
・
斜柱顶端设有纵 向托梁 ， 托梁为暗梁结构 ， 托梁高度
为 １ ８ 宽度 ｌ Ｏ ； ． ｍ， ＿ ｒ 曲墙平 板 厚度 为 ０ ８ 钢 筋 混 ｅ ．ｍ
其中棚洞结构采用有 机玻璃制作Ｌ ， ２ 回填体和边坡 ］ 材料采用混合砂 、 石膏粉等材料配合而成［ ， ３ 通过测 ］
尺 寸为 １２ ｘ１２ 相 邻 两 斜 柱 中心 间距 ９ ５ ． ｒ ｍ， ｅ ． ． ｍ；
得边坡 、 回填体和棚洞结构之间的接触压力 ， 确定棚
洞结构体系 的初始受力 状态 。然后 在边坡顶部 加 载， 模拟边坡侧向压力增大的情况下 ， 棚洞结构体系
件 、 同开挖坡率 、 不 不同 回填体材料 、 不同边坡高度等组 合情况 进行 了试验 。试验 过程 中 ， 回填体 与边坡及 棚洞 对 结 构间的接触应力 、 洞结构的表面应力 、 棚 棚洞 结构的位移 等指标 进行 了测试 ， 结果表 明 ： 相 同边 坡和棚 洞结构 在
条件 下 ， 回填相对 于片石回填 ， 土石 棚洞结构 的内力更 大 ； 相对 于土质边 坡 ， 质边坡 情况下 棚洞结 构受 回填 体材 岩
棚洞 边坡 岩体 从上 至下 依次 为 ： 植土 （ 耕 厚度 约
０ ５ ～ １ ５ ｍ） 粉 质 粘 土 夹 碎 石 （ 度 ５ ０ ７ 、 ．Ｏ ．０ 、 厚 ． ～ ｍ） 粉砂 质页 岩 。
棚洞 结构 与边 坡 间的 回填 主要 采 用干码 片 石和
耕植 土两 种材 料 ： 砌 片石 的高 度 与 棚 洞结 构 拱 顶 浆
合 理 回填材 料进 行 回填 ， 结 构 内力 和 位 移 进 行 分 对
铁路棚洞落石冲击力分析
【 关键词】 棚洞； 落石； 冲击力
【 Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ 】 Ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ； ｒ ｏ ｃ ｋ ； ｉ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ
【 中图分类号】 ４ ５ ８ － ３ 【 文献标志码Ｉ Ａ 【 文章编号】 １ ０ ０ ７ ． ９ ４ ６ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ ． ０ １ ３ ０ ． ０ ４
＼
４结论和建议
１ ） 按照隧道手册的公式计算 ， 其结果的确偏于不安全。冲
市政・ 交通 ・ 水利工程设计 ｌ
Ｍ ￣ ｄ ｃ ｉ ｐ ｄ・ 礤ｃ ・ Ｗ ｍ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ８ ・ ｅ 脑 ｎ Ｉ
表 ３ 冲击作用时间和冲击初速度关 系
初 始速 度 ｍ ／ ｓ ２ ０ １ ５ ２ 最 深 时时 间／ ｓ ０ ． ０ ８ １ ５ ６ ０ ． ０ ８ ２ ３ ７ ０ ． ０ ８ ０ ９ ２ ０ ． ０ ７ ６ ９ １ ０ ． ０ ７ ８ ８ ３
的覆 土厚 度 ， 但是 ， 对于 落石的冲击 作用未 做说 明。铁二院主编 的隧道设计手册 ， 对落石 的计算
提供 了一种方法 ，但似乎 与实际情 况有较 大差 别， 某些论文对 此进行了阐述 。为使结构检算全
面完整 ， 需要能找到 一种较实 用 、 可 靠 的计 算办
法。
图 １ 棚 洞 防护 设 计 断 面
ｌ 工程建设 与设计
ｌ Ｃ ｏ ｎ ￣ Ｗ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ＆Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｆ ｏ ｒ Ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ
铁 路 棚 洞 落 石 冲击 力分 析
Ｒｏ ｃ ｋ ｆ ａ ｌ ｌ Ｉ ｍｐａ ｃ ｔ Ｆｏ ｒ ｃ ｅ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｓ ｈ ｅ ｄ Ｈｏ ｌ ｅ
基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟
基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟柳春;余志祥;郭立平;骆丽茹;赵世春【摘要】与框架钢筋混凝土棚洞相比,拱形钢筋混凝土棚洞具有自重小、跨度大的优点,其常用砂土垫层来耗散冲击能量.针对有限元法(FEM)模拟拱棚洞砂土材料超大变形问题时所存在的困难,建立了有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合数值计算方法.利用SPH粒子模拟落石冲击区域的大变形砂土,为提高计算效率和精度,非冲击区域砂土用有限元单元模拟,并将混凝土、钢筋、岩石、冲击锤等划分成Lagrange标准有限元网格;然后基于耦合SPH-FEM方法建立了落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模型.研究结果表明:随着冲击能量的增大,冲击力峰值和拱中点位移峰值也逐渐增大;与足尺冲击试验结果对比,冲击力峰值和拱中点位移峰值最大误差均没有超过10％,验证了数值耦合模型的准确性;数值耦合模型形象再现了砂土成坑的物理过程,砂土垫层耗能占初始冲击动能的85％以上,说明砂垫层是一种很好的缓冲耗能材料.SPH-FEM耦合方法显示出了模拟拱形钢筋混凝土棚洞冲击问题的有效性.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)013【总页数】8页(P118-125)【关键词】SPH-FEM耦合;落石冲击;拱形钢筋混凝土棚洞;足尺冲击试验;数值计算【作者】柳春;余志祥;郭立平;骆丽茹;赵世春【作者单位】西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室,成都610031【正文语种】中文【中图分类】U417.1落石多发于高山峡谷，对铁路和公路沿线造成了巨大潜在威胁[1]。
棚洞受滚石法向冲击破碎分析
方式 ， 以及 立 柱 竖 向 压 缩 量 差 异 问 题 的构 造 处 理 （ 即各 层 楼 盖 结 参 考 文 献 ： １ ］ 罗福午 ， 张慧英 ， 杨 构系统和布置方案 ） 。２ ） 为 了保 证金茂 大厦 具有一 定 的可靠度 ， ［
军． 建筑结构概念设计及 案例 ［ Ｍ］ ． 北
Ｒ ｏ ｕ ｑ ｕ ａ ｎ ｄ — Ｍａ ｚ ａ ｒ ｓ ） 模型作为混 凝土本 构 ， 研究 了结 构在 滚石 冲击 １ 建模 及 分析 下 的棚洞板 的力学 响应 。Ｍ．Ｍｏ ｍ ｍ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ 利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ研究 了滚 １ ． １ 问题 描 述及 建模
石 冲击 棚 洞板 中 间 工况 下 的 混凝 土 的 破 坏 失 效 。
棚洞受滚石法 向冲击破碎 分析★
孙 新 坡 王 庆 乐
’ （ １ ． 西南科技大学土建学院 ， 四川 绵阳 ６ ２ １ ０ １ ０ ２ ． 中铁 二院重庆勘察设计研究院有限公司 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ２ ３ ）
不同结构类型棚洞的抗冲击特性研究的开题报告
不同结构类型棚洞的抗冲击特性研究的开题报告一、选题背景和研究意义随着城市化进程的加快，土地资源的日益紧张，地上建筑空间越来越有限，越来越多的人开始关注地下空间的利用。
而在地下空间的利用中，棚洞被广泛应用于地下通道、停车场、商业街、居住房等领域，并成为了一种重要的地下空间利用形式。
但是，棚洞的抗冲击能力在地下空间安全中是非常重要和必要的。
尤其在发生自然灾害或其他人为因素损坏时，棚洞结构抗冲击能力的研究至关重要。
目前，针对棚洞的抗冲击能力研究仍然较为薄弱，需要进一步深入研究。
本文将探讨不同结构类型棚洞的抗冲击特性，为棚洞的设计和建设提供理论参考。
二、研究方案和方法1. 文献综述通过收集和分析国内外相关研究文献，深入了解棚洞结构抗冲击的现状和研究方向，为后续的实验和理论研究提供基础。
2. 数值模拟基于有限元分析软件对不同结构类型棚洞进行数值模拟，模拟不同冲击条件下棚洞的动态响应，探究其抗冲击能力与结构类型的关系。
3. 实验研究通过实验得到不同结构类型棚洞在不同冲击条件下的受力情况和变形情况，并比较不同结构类型在抗冲击能力方面的优劣。
三、预期研究成果本研究将通过文献综述、数值模拟和实验研究，得到不同结构类型棚洞的抗冲击特性，探究其对棚洞抗冲击能力的影响，提供对棚洞的设计和建设提供参考。
四、研究进度安排本研究计划在6个月内完成，具体研究进度安排如下：1. 第一个月：文献综述，深入了解棚洞抗冲击的现状和研究方向。
2. 第二个月到第四个月：数值模拟，建立不同结构类型棚洞的有限元模型，模拟不同冲击条件下棚洞的动态响应。
3. 第五个月到第六个月：实验研究，进行不同冲击条件下棚洞的特性试验，并得出结论和建议。
五、研究团队和预算本研究采用小组合作的方式进行，共同完成各项任务。
预算费用主要用于实验设备和材料以及实验场地的租赁，约为10万元人民币。
柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究
柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究杨建荣;白羽;杨晓东;罗云飞【摘要】提出一种适用于铁路线路落石防护的新型柔性棚洞,利用金属柔性网和弹簧撑杆组成柔性耗能结构取代传统钢筋混凝土棚洞顶部铺设的砂、砾石垫层来达到缓冲消能目的.为准确评估该柔性棚洞结构的性能,采用动力有限元方法对其落石冲击过程进行了数值模拟,计算结构动力响应,并依据计算结果修正、优化结构设计;进一步开展1∶1结构局部模型落石冲击试验;测试得到冲击时长、金属柔性网最大挠度、支撑绳索力和弹簧撑杆轴向应变数据.经试验验证,数值计算结果可靠,在能级为50 kJ的落石冲击作用下,结构主要构件均处于弹性工作状态.最后,针对存在的问题给出改进建议.%A new flexible rock-shed was presented for protection of railway from failing 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 timeinterval,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 k J,the main components of the shed areworking within their elastic states.At last some complementary suggestions for improvement were offered.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)009【总页数】8页(P172-178,246)【关键词】柔性棚洞结构;落石;冲击力;足尺模型试验;弹簧撑杆【作者】杨建荣;白羽;杨晓东;罗云飞【作者单位】重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地,重庆400074;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明650200【正文语种】中文【中图分类】U213.83修建于山区的铁路或公路线路常遭受落石威胁，导致设施损毁、交通中断及人员伤亡，其成因多为：高陡岩质边坡不稳定、边坡施工刷坡或爆破等。
落石运动、冲击研究内容及被动防治设计建议
5
公
路
砂岩
路
缘
6
7
8
F
G
泥岩
30
70
9
60
80
4.13
5 运动研究的发展趋势及设计建议
防护系统布置区间的设计建议
拦石网的组成及特点
减压环
上拉锚绳 钢柱
钢绳网 格栅网
基座
Φ32地脚锚杆
1. 系统组成：柔性网、支撑系统、锚拉连接系统和减压环四部分 。 2. 系统特点：柔性最大化落石冲击时系统通过变形、转动和位移，起到
2007年以来，不完全统计，由于 落石致灾死亡人数超过200人。
1 崩塌落石的危害
一线天桥隧道口
1 崩塌落石的危害
国道213线 汶川段彻底
关大桥
1 崩塌落石的危害
白果隧道洞口棚洞
花果山隧道洞口棚洞
宝成线宝-绵段，仅因洞口落石灾害接长超过40m的隧道有26座， 占隧道总量8.8％，接长3.07km，占隧道总长3.1％。
日本公式 (kN)
10160 3.9 1.95
2.00
1530
1720
1073
10160 3.9 1.95
8.55
3340
3520
2565
18260 7.02 2.38
8.62
4750
5080
3814
18260 7.02 2.38
18.67
8160
8490
6064
18260 7.02 2.38
18.85
10m
W1 W2 10m
一级陡崖
W3
一级陡崖
W1 W2
10m W3
棚洞垫层厚度对落石冲击影响研究
棚洞垫层厚度对落石冲击影响研究李甫【摘要】为研究棚洞垫层厚度对落石冲击影响,首先利用ABAQUS有限元软件建立了落实冲击棚洞模型,针对棚洞垫层厚度与冲击深度、最大冲击力进行了分析,并探讨了棚洞垫层的合理厚度,研究提出的棚洞垫层厚度,建议值,为后续落石防护提供理论基础,对强风化边坡区域的落石防护方面的研究应用具有重要的理论参考价值.【期刊名称】《内蒙古公路与运输》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】4页(P49-52)【关键词】棚洞;垫层厚度;落石;有限元【作者】李甫【作者单位】重庆市市政设计研究院,重庆 400021【正文语种】中文【中图分类】U449传统观念上的公路建设主要是以开挖路堑为主，路基边坡相对比较稳定，但是在沿河傍山地带，将不可避免地出现高大切坡，边坡经常发生危岩、落石等地质灾害。
因此，系统研究沿江强风化超高边坡落石处治技术，可以提高我国西部山区道路边坡灾害治理的工程方案、降低工程造价，为有效地控制边坡落石灾害，减少交通事故发生，具有重要的理论价值和现实意义。
落石冲击棚洞的过程是一个非常复杂的瞬态动力学接触过程，具有时间短、速度快、能量巨大以及变形明显等特点。
采用传统的静力学来解决这类瞬态动力学问题非常困难，解决这类问题的途径以采用有限元方法进行数值模拟分析，借助ABAQUS 有限元软件，构建落石冲击棚洞结构模型，分析落石与棚洞相互作用过程中的力学动力响应，从而为利用棚洞防治落石提供合理的理论基础。
本文采用ABAQUS/Explicit模块分析求解。
ABAQUS/Explicit是利用对事件变化的显式积分来求解动态有限元方程。
该模块适合于分析冲击、爆炸这类短暂、瞬时的动态问题，对高度非线性问题也有不错的分析能力，包括模拟加工成型过程中改变接触条件的问题，具体的几大功能是：高速动力学分析、复杂的接触问题、复杂的后屈曲分析、高度非线性的准静态分析和材料退化和失效分析。
对于棚洞结构，重点研究落石冲击棚洞时棚洞顶板的受力情况。
落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究
落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究唐建辉;王玉锁;谢强;潘润东;陈铖;郭晓晗;李茂茹;周晓军【摘要】为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1:30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋势进行了分析,最后利用结构变形、弯矩及轴力图,对落石冲击下有回填土拱形明洞结构受力模式进行了总结.研究结果表明:拱顶部位力学响应最显著,拱肩次之,拱腰及仰拱最小;结构受力形态可描述为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式;与静力学分析隧道或明洞衬砌结构的荷载-结构模式不同,现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对拱顶结构进行安全检算的方法并不适用于落石冲击工况;回填土厚度的增大有利于结构拱顶、拱肩及仰拱结构的受力,但对拱腰部位影响复杂,在设计时需结合落石规模、边墙形式及回填方式等进行具体分析.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2019(054)001【总页数】9页(P39-47)【关键词】拱形明洞;落石冲击;模型试验;受力分析;拱顶【作者】唐建辉;王玉锁;谢强;潘润东;陈铖;郭晓晗;李茂茹;周晓军【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】V221.3近年来我国高速铁路、公路向山区延伸，出现了大量的隧道工程，由于线路采用大半径曲线，许多隧道洞口段为高陡边、仰坡，危岩落石灾害现象突出[1].除采用主动措施如防护网加以防范外，为尽量减少潜在危害，洞口段往往接长明洞以确保运营安全. 其中拱形明洞是采用较多的结构形式，其内轮廓一般与隧道净空一致，有仰拱，为闭合结构，上部通常设有回填缓冲层. 结构设计时，拱形明洞结构的主要荷载包括回填土及结构自重、围岩侧的约束反力，而落石冲击荷载是作为偶然荷载，按附加荷载与主要荷载叠加，按承载能力极限状态法进行结构检算[2-3]. 考虑落石冲击的拱形明洞结构设计，需要对结构的力学响应有深入研究，才能建立起合理的结构受力模型，使设计更符合实际受力，保证结构安全可靠. 文献[4-5]采用有限元数值方法，对落石冲击下单压式拱形明洞的受力机理及回填方式进行了研究，并利用缩尺模型试验研究了无回填土拱形明洞的力学响应[6-7]. 文献[8]通过模型试验，对无仰拱无回填层的拱形棚洞的力学响应进行了研究. 文献[9]运用离散元和有限元方法对影响落石冲击拱形明洞结构冲击荷载的影响因素及力学响应进行了研究. 文献[10]利用有限元数值方法对拱形明洞耗能措施进行了研究. 文献[11-12]运用有限元方法对半拱式以及全拱式棚洞抗冲击性能进行了研究. 另外，许多学者对框架式棚洞垫层耗能措施进行了研究[13-15]. 对于洞顶有回填缓冲层、底部设仰拱的闭合的拱形明洞结构，其受落石冲击的力学响应的试验研究开展相对较少.由于拱形明洞与棚洞结构在受力方面有明显区别，因此，研究拱形明洞结构在落石冲击作用下的受力机理具有重要意义.本次利用缩尺模型试验，对有回填土的拱形明洞结构（底部有仰拱）在落石冲击下的力学响应进行研究，以探明拱形明洞在有回填土保护及约束状态下结构的受力特征，为结构的力学分析模型的合理设置提供理论基础.1 模型试验情况以某高速铁路双线隧道拱形明洞为参考，其结构尺寸如图1所示，试验模型尺寸为原型的1/30，纵向长度取0.68 m. 拱形明洞结构由石膏、铁丝网浇筑而成，干砂作为洞顶回填缓冲层，落石用混凝土球体模拟.本次试验在长、宽、高分别为0.90、0.70、0.72 m的台架内进行，台架底部先填筑12 cm厚的黏土并尽量夯到最密实以模拟仰拱底部的基岩，然后放置拱形明洞结构模型，再用干砂填筑至所需高度处，根据所用砂量除以体积得到回填砂容重约为15 kN/m3.将回填土厚度填至设计值后进行落石冲击试验. 在拱形明洞模型结构的拱顶、拱肩、拱腰以及仰拱部位所在的截面内、外侧环向布置应变片，冲击引起的结构应变响应通过导线与动态数据采集仪连接并由电脑自动存储，采样频率为1 kHz. 测点布置如图1，试验装置如图2.本文中所谓的结构的内侧指靠明洞净空范围，外侧指结构与围岩或回填土接触侧. 图1 隧道横断面及各测点布置（单位：cm）Fig.1 Cross section of tunnel and layout of each measuring point（unit：cm）图2 模型试验装置（单位：cm）Fig.2 Experimental setup（unit：cm）本次落石高度取1.6 m（指落石底部距缓冲层顶面），回填土厚度分别取 4、6、8、10、12、14、17 cm，落石质量分别取 65、155、310、500、860、1 115 g.为避免结构过早破坏而使结构尽量处于弹性受力范围，通过用另外试件的试冲击情况，当落石质量为1 115 g时，回填土厚度从取10 cm开始，再到12、14、17 cm.试验采用全面组合方法，共有7（回填土厚）×5（落石质量） + 4（落石质量为1 115 g时的回填土厚度数）×1= 39种试验组合情况，每种试验组合重复冲击两次.2 试验结果及分析提取落石冲击时刻结构拱顶、拱肩、拱腰及仰拱底部等部位内、外侧表面应变响应的最大峰值进行分析. 数据提取如图3所示，图示为落石高度1.6 m、落石质量500 g、回填土厚度6 cm工况时的不同部位应变最大峰值，取两次试验结果的平均值作为测试结果进行分析. 需要说明的是，在每次落石冲击试验前，通过由电脑控制的数据采集仪将各测点读数赋0，消除了由于回填引起的影响，因此所得结果为落石冲击引起的荷载效应.图3 落石冲击下结构应变响应及最大峰值提取Fig.3 Response and maximum peak of structure strain under rockfall impaction前期数值模拟分析表明，相同条件时，竖直冲击比斜向冲击引起的荷载效应更显著，在落石规模、垂直高度及回填厚度等都一定时，可以把竖向冲击作为不利工况进行结构设计[4-7, 9, 16]. 故本次试验落石均为竖直下落，没有进行斜向冲击.在落石与回填土相互作用过程中，当达到最大浸彻深度时，即落石冲击速度变为0时，可以认为落石与回填土相互作用力达到最大，传递到结构顶部的冲击荷载也达到最大峰值，此时，落石冲击下拱形明洞结构受力最大响应情况如图4所示[17-18].图4 落石冲击下拱形明洞结构受力（最大响应）分析模型Fig.4 Mechanical force （maximum response） analysis model of arch-shaped open tunnel structure under rockfall impaction落石冲击下拱形明洞结构为局部受力，然而如前所述，由于落石为竖向冲击，所引起的效应主要以竖向为主. 为简化分析，本次取落石冲击所在断面，即图4中I-I断面作为分析对像，按环向二维平面问题处理，由于此断面的落石冲击效应最显著，是能反映主要试验现象和规律的. 基于此，为便于分析结构横截面综合受力，本次近似按式（1）、（2）得到落石冲击作用点对应结构截面单位长度（沿结构纵向）上的轴力N、弯矩M. 轴力为正，表示轴向受拉，为负则表示轴向受压. 弯矩为正，表示结构外侧受拉，为负则表示结构内侧受拉.式中：E为结构材料的弹性模量，本次试验所用石膏材料弹性模量取1 GPa；h为结构截面厚度，本次模型结构拱圈衬砌厚度为2.3 cm；εn、εw分别为截面内、外侧应变，应变值为正表示为环向或横向伸长变形，负值表示压缩变形.必须指出，落石冲击下拱形明洞结构的受力为局部受力，结构截面内力应考虑纵向影响，应采用广义胡克定律进行分析，式（1）、（2）得到的轴力、弯矩是落石冲击所在结构横断面不同部位截面环向或横向的整体拉压、弯曲变形趋势.分别对拱形明洞结构拱顶、拱肩、拱腰及仰拱部位在不同工况下各测点的应变，以及由结构截面对应内、外侧应变通过式（1）、（2）换算得到的轴力、弯矩等内力响应的最大峰值随回填土厚度的变化规律进行分析，进而对落石冲击下拱形明洞结构受力模式、安全检算方法进行探讨.2.1 拱顶不同质量落石冲击下拱顶部位内外侧最大应变峰值随回填土厚度变化趋势如图5所示，相应的轴力、弯矩分别如图6、7所示.图5 拱顶部位最大应变峰值Fig.5 Maximum strain peak of vault由图5可知：落石冲击下拱顶部位应变表现为内侧伸长，外侧缩短，说明内侧受拉，外侧受压，伸长的程度总体上要大于缩短的程度；从应变随回填土厚度变化趋势看，内侧受拉应变随回填土厚度呈较明显减小趋势，基本呈线性减小（图5（a））；外侧受压应变则并不明显，与回填厚度无明显相关性（图5（b））；从曲线图的上下分离看，落石质量越大，引起的结构应变最大峰值越大（绝对值）.由图6可知，在本次试验范围内，当落石质量较大时，拱顶结构轴力为拉力（为正值），回填土越薄，轴向拉力越大，当回填土增大时，轴向拉力减小. 当落石质量小且回填土较薄时，如质量为65 g、回填土厚度为6～10 cm时，拱顶部位为轴向受拉，但当回填土增大到一定值时，如17 cm时，则变为轴向压力（为负值）或趋向于轴向压力.图6 拱顶轴力Fig.6 Axial force of vault图7 拱顶弯矩Fig.7 Moment of vault由图7可知，拱顶弯矩均为负值，说明落石冲击下拱顶结构内侧受拉，随回填土厚度增大，弯矩呈明显减小趋势.以上说明，落石冲击下拱顶部位向内侧发生弯曲变形，截面受到轴向拉力，当结构采用钢筋混凝土时，由于混凝土抗拉强度低，此受力状态对结构是不利的，增大回填土厚度将减小轴向拉力并有向轴向受压转化的趋势，说明增大回填土厚度有利于拱顶的受力，尤其是当结构采用钢筋混凝土材料时.2.2 拱肩拱肩部位内外侧应变最大峰值如图8所示，相应的轴力、弯矩如图9、10所示.由图8可知，与拱顶相反，落石冲击下拱肩内侧受压而外侧受拉，内侧压缩变形明显大于外侧受拉变形. 随回填土厚度增大，内侧受压与外侧受拉应变都呈减小趋势，同拱顶一样，外侧的变化趋势没有内侧明显. 当回填土厚度增大到一定程度（厚17 cm）时，外侧也有进入受压状态的趋势，从而使结构拱肩部位整个截面进入受压，这样是有利于结构承载的.图8 拱肩部位最大应变峰值Fig.8 Maximum strain peak of spandrel由图9可知，拱肩部位轴力为负，说明为轴向受压. 当回填土增大时，轴向压力减小. 需要说明的是，对于混凝土结构来说，结构轴向压力减小，并不一定对结构受力有利，需要与所受的弯矩结合，通过偏心距大小，来综合判断结构的受力[2-3].图9 拱肩轴力Fig.9 Axial force of spandrel由图10可知，拱肩部位弯矩全部为正值，说明外侧受拉. 回填土厚度越大，弯矩值越小，说明增大回填土厚度有利于拱肩部位的受力.图10 拱肩弯矩Fig.10 Moment of spandrel2.3 拱腰拱腰部位内、外侧应变最大峰值如图11所示，轴力、弯矩如图12、13所示.图11 拱腰部位最大应变峰值Fig.11 Maximum strain peak of hance由图11可知，拱腰部位应变最大响应表现为内侧受压（应变值为负）而外侧受拉（应变值为正），幅值明显小于拱顶和拱肩部位. 当落石质量较小时，如65、155 g时，内侧压应变（绝对值）随回填土厚度增大而呈减小趋势；当落石质量较大时，拱腰内侧压应变随回填土厚度增大而增大，落石质量越大，增大趋势越明显，如图11（a）中的质量为1 115 g的落石.拱腰外侧应变为拉伸应变，拉应变随回填土的增大呈先增大后减小的模式（1 115 g的落石回填土厚度是从10 cm开始）.由图12可知：当落石质量较小时，如65、155 g时，轴力为正，即轴向受压，随回填土厚度增大呈先减小后又增大的趋势（指绝对值）；当落石质量较大时，如860 g，随回填土厚度增大，轴力绝对值先呈减小，再出现轴力方向变化，即由压力变为拉力（正值），当回填土再增大，又变为压力（负值）.图12 拱腰轴力Fig.12 Axial force of hance图13 拱腰弯矩Fig.13 Moment of hance由图13可知，拱腰部位弯矩值相对较小，为正值，说明拱腰呈向外侧弯曲变形趋势. 弯矩值随回填土厚度的增大呈先增大后减小的趋势，当回填土为10 cm时，拱腰弯矩值相对最大.以上分析表明，落石冲击下拱形明洞结构的拱腰部位有向外侧弯曲变形的趋势，在轴力、弯矩与回填土坐标系下，均呈现向上凸起的模式，如图12、13，说明与回填土厚度的关系较为复杂. 对此试验现象作如下分析：当回填土厚度较小时，落石冲击通过回填缓冲层扩散到结构拱顶的范围有限，还没有扩散到拱腰范围，冲击效应主要由拱顶局部范围内承受，拱腰受力较小，而当回填土厚度增大时，扩散范围变大，拱腰的力学响应开始变大，继续增大回填土厚度，则由于冲击能量在回填层中的消耗与衰减使传递到拱腰的能量减小[16-20]，所以相应受力就小了.同时，应注意到本次试验结构仰拱上部全部采用土砂回填，而实际设计中两侧很少有直接用土石回填，一般会修筑混凝土挡墙或三角区域混凝土，最大跨以上土石回填，此时由于两侧或单侧的约束较强，由拱顶传到下部的冲击能量会减小，因此实际工程结构的拱腰受落石冲击影响应没有本次模型试验结果这么明显.2.4 仰拱仰拱部位内外侧应变最大峰值如图14所示，轴力、弯矩如图15、16所示.图14 仰拱部位最大应变峰值Fig.14 Maximum strain peak of inverted arch由图14可知：仰拱底部最大应变响应表现为内侧压缩而外侧拉伸，同等落石条件下，结构同一截面内侧压缩程度要大于外侧伸长程度；随回填土厚度增大，内外侧应变值（绝对值）呈减小趋势，说明增加回填土厚度有利于仰拱受力. 与图8、11相比，仰拱受落石冲击的应变响应要明显小于拱顶与拱肩部位，但要大于拱腰部位. 由图15可知：根据图14应变值通过式（1）换算得到的仰拱底部结构截面轴力总体上为压力（负值）. 当落石质量较小时，如65、155 g时，仰拱轴力总体上随回填土厚度增大而呈减小趋势；但在300、500、860 g时，轴力随回填土厚度增大呈先增大后减小的趋势，轴向压力有一个极大值的现象，即在填土厚度9～12 cm 时轴力最大，当填土厚度再增大时，轴力又会减小，甚至会出现轴向受拉的趋势，如860 g的落石回填土厚为17 cm时就有这种情况. 以上说明，仰拱底部结构轴力与回填土厚度关系较为复杂，需要与弯矩同时考虑才能判定回填土厚度对仰拱的作用或保护效果.图15 仰拱轴力Fig.15 Axial force of inverted arch图16 仰拱弯矩Fig.16 Moment of inverted arch由图16可知：根据式（2）换算得到的仰拱底部结构截面弯矩为正值，说明仰拱底部向外侧弯曲；随回填土厚度的增大，弯矩值呈减小趋势. 如果结构按偏心受压构件进行检算，弯矩小、轴力大时偏心距就小，则结构是偏于安全的，据此，综合图15、16可知，增大回填土的厚度是有利于仰拱底部结构的受力的.同拱腰部位相同，应注意到模型试验与实际工程的回填方式有所区别，实际中当两侧修筑混凝土挡墙或三角区域混凝土填充时，由拱顶传到仰拱的冲击能量会很小，实际结构的仰拱受落石冲击影响应很小[4-5].以上试验现象也说明，落石冲击下拱形明洞的力学响应规律复杂，在不同回填土厚度以及不同质量落石冲击下，明洞结构不同部位响应并不能一概而论，一定要根据工程的具体情况，如落石规模、回填土厚度及回填方式等进行全面分析.3 落石冲击下拱形明洞受力形态通过以上对明洞结构各部位的应变、轴力、弯矩分析，可知落石冲击下拱形明洞在拱顶（落石冲击部位）表现为内侧受拉，外侧受压，轴向受拉力作用，说明拱形明洞拱顶为向内侧弯曲变形，拱顶部位是相当于静力分析中“荷载-结构”模式下的脱离区；拱肩、仰拱部位内侧受压，外侧受拉，轴向受压力作用；拱腰部位外侧受拉，内侧受压，轴向受压受拉均有可能，取决于落石冲击规模及回填方式，同时也与结构形式有关. 根据前述所得轴力、弯矩结果，将落石冲击下有回填土拱形明洞结构力学响应最大时的受力模式用变形及弯矩（变形与弯矩的分布形态是相同的）、轴力示意图描述，如图17所示.图17 落石冲击下拱形明洞结构受力模式Fig.17 Stress pattern of arched open tunnel structure under rockfall impaction在图17中：结构拱顶弯矩最大且截面为轴向受拉，此部位构件属偏心受拉构件，此构件长度为拱顶中心向左右侧至拱肩部分范围，分界面位于当轴力由拉（正值）变为压（负值）时所在截面（图 17（b））；拱顶至拱肩的这部分弯曲受拉范围是受力最不利部位，可考虑按两端约束的简支或固支梁按弯曲破坏模式进行结构检算，相应约束的处理（简支或固支）需要根据具体工程及落石规模而定.另外根据试验结果，拱腰部位外侧受拉，截面轴力拉压都有可能，与落石规模及边墙的弯曲程度有关，当轴力为拉时需要关注此部位的结构检算.仰拱为外侧受拉，中心截面轴力为压力，属小偏心受压构件，与拱顶和拱肩部位相比，受力较小，是相对安全部位.4 结束语通过对落石冲击下有回填土拱形明洞受力的模型试验进行分析，有如下结论及讨论：（1）本次试验的目的主要在于反映落石冲击下结构的受力规律，考虑到结构受力具有动力学效应，很难满足相关相似原理的要求，因此在文中并没有涉及试验结果与实际工程的定量对应关系，而主要是反映结构受力的不利部位和荷载效应的大小规律.（2）落石冲击在结构中心上方回填土表面，结构力学响应最大部位为拱顶，其次为拱肩，拱腰与仰拱处最小. 需要注意的是，为避免夯填中对模型结构造成破坏，本次回填的干砂密实程度可能会造成拱腰与仰拱部位受力较实际工程偏大.（3）拱顶部位一定范围结构为轴向受拉（偏心）构件，此时已不能根据现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对衬砌结构进行安全检算，应按偏心受拉的钢筋混凝土构件进行结构安全检算. 根据本次拱顶结构内外侧应变试验结果，回填土厚度增大有利于结构拱顶承受落石冲击荷载. 落石冲击规模越大，拱顶为轴向受拉的范围越大，即受拉范围向拱肩及下部扩散.（4）拱肩及仰拱部位仍为轴向偏心受压，可以按隧道规范中的方法进行结构安全性检算，根据本次得到的拱肩及仰拱部位的最大内力结果，回填土厚度的增大有利于结构的受力；拱腰部位受力与回填土厚度的关系较为复杂，结构截面受拉受压均有可能，与落石规模、回填厚度、回填方式以及边墙形式有关，结构设计时应做具体分析.（5）落石冲击下结构受力形态为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式，这与用静力学分析隧道或明洞衬砌结构的“荷载-结构”模式是完全不同的，而弯矩分布除拱顶为明显的向结构内侧弯曲变形外，仰拱为向外侧（围岩侧）弯曲变形是与普通静力学模式显著不同之处，原因可能与曲墙拱脚底部为平台而对冲击能量的吸收与反射有关，需做进一步研究分析；现行隧道设计规范中关于二次衬砌或明洞的结构检算方法并不适用于落石冲击下拱形明洞结构（指为具有仰拱的闭合结构），其相应的静力法力学模式应进行深入研究.【相关文献】[1]王玉锁，杨国柱. 隧道洞口段危岩落石风险评估[J].现代隧道技术，2010，47(6)： 33-39.WANG Yusuo， YANG Guozhu. Rockfall risk assessment for a tunnel portal section[J]. Modern Tunnelling Technology， 2010， 47(6)： 33-39.[2]国家铁路局. 铁路隧道设计规范：TB10003—2016[S].北京：中国铁道出版社，2017.[3]中华人民共和国交通部. 公路隧道设计规范：JTG D70—2004[S]. 北京：人民交通出版社，2004.[4]王玉锁，周良，李正辉，等. 落石冲击下单压式拱形明洞的力学响应[J]. 西南交通大学学报，2017，52(3)：505-515.WANG Yuosuo， ZHOU Liang， LI Zhenghui， et al.Mechanical responses of single-pressure arch-shaped open tunnel structure under rockfall impaction[J].Journal of Southwest Jiaotong University， 2017，52(3)： 505-515.[5]王玉锁，周良，王涛，等. 落石冲击下单压式拱形明洞的回填方式[J]. 中国铁道科学，2018，39(2)： 71-79.WANG Yuosuo， ZHOU Liang， Wang Tao， et al. The backfill method of single-pressure arch-shaped open tunnel structure under rockfall impaction[J]. China Railway Science， 2018， 39(2)： 71-79.[6]WANG Yusuo， TANG Jianhui， YAN Tao， et al.Model test investigation of rock-fall impaction to cutand-cover tunnel arch structure[J]. 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Journal of Vibration and Shock，2015， 34(3)： 72-76.[12]冯科. 山岭隧道高陡边坡防落石棚洞结构形式研究[D]. 成都：西南交通大学，2013.[13]裴向军，刘洋，王东坡. 滚石冲击棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究[J]. 四川大学学报（工程科学版），2016，48(1)： 15-22.PEI Xiangjun， LIU Yang， WANG Dongpo. Study on the energy dissipation of sandy soil cushions on the rock-shed under rockfall impact load[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition)，2016， 48(1)： 15-22.[14]王东坡，何思明，李新坡，等. 冲击荷载下EPS垫层棚洞耗能减震作用研究[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012，44(6)： 102-107.WANG Dongpo， HE Siming， LI Xinpo， et al. Study on the dissipating effects of shed with EPS cushion under impact load[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition)， 2012， 44(6)： 102-107.[15]熊磊. 落石冲击作用下棚洞顶缓冲垫层优化设置研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2016.[16]王玉锁，王涛，周良，等. 跨中受落石冲击的拱形护桥明洞力学响应[J]. 隧道建设，2018，38(1)： 22-32.WANG Yuosuo， Wang Tao， ZHOU Liang， et al.Mechanical responses of arched protection shed of bridge under rock-fall impaction on midspan of rooftop[J]. 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一种改进的落石冲击力计算方法
一种改进的落石冲击力计算方法郭绍平;王全才;吴清;张群利【摘要】为了寻找一种合理、正确的落石冲击力计算方法,为落石灾害防治中棚洞工程的设计提供合理可靠的理论依据,对现有的几种落石冲击力理论计算方法进行了对比研究,分析了现有计算方法的理论基础及存在缺陷,并在此基础上进行改进.针对现有计算方法中存在的问题,将可以反映落石质量、缓冲土层厚度以及冲击速度影响的冲击历时计算公式引入隧道计算方法,同时引入放大系数k,形成了改进的隧道公式方法.通过将改进方法和现有几种计算方法进行对比,以及用数值模拟结果进行验证,证明改进方法计算落石冲击力的结果是可靠的,它比路基规范方法、原隧道方法和杨其新方法更切合实际,同时又弥补了日本和瑞士方法中理论基础和斜碰问题的缺陷,为以后棚洞的工程设计提供了新的理论依据.【期刊名称】《山地学报》【年(卷),期】2014(032)003【总页数】5页(P345-349)【关键词】落石;冲击力;计算方法;改进【作者】郭绍平;王全才;吴清;张群利【作者单位】中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害环境研究所,四川成都610041;中国科学院大学,北京100049;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害环境研究所,四川成都610041;中国科学院大学,北京100049;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害环境研究所,四川成都610041;中国科学院大学,北京100049;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害环境研究所,四川成都610041;中国科学院大学,北京100049【正文语种】中文【中图分类】P642.2棚洞作为一种环保型结构.在防治落石灾害问题中得到越来越多的重视和应用［1－3］。
落石冲击力计算是进行棚洞设计的基础.合理确定落石冲击力大小是正确设计棚洞的关键.它直接关系到棚洞类型的选择和结构尺寸拟定等［4－5］。
落石冲击砂土-EPE-棚洞顶板的精细化动力响应模拟
落石冲击砂土-EPE-棚洞顶板的精细化动力响应模拟王星;任博;王庆;黄炜【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2022(46)3【摘要】落石灾害是我国三大地质灾害之一,为了更有效地进行边坡落石防护,基于LS-DYNA显式计算软件依次构建了“砂土-顶板”“砂土-EPE-顶板”三维计算模型,定性研究了各分部结构冲击应力分布规律,定量计算了顶板腹部正中单元、腹部中轴线单元的应力与位移.探究了设置EPE垫层的厚度、型号敏感性分析,揭示了落石、砂垫层、EPE垫层的能量分布特征.研究结果表明:EPE垫层具备良好的“阻滞应力传播”特性,14 m/s冲击速度下,添加0.4 m厚EPE垫层,落石峰值加速度降幅可达27.13%,速度衰减至0所需时间约由0.04 s增至0.06 s,最大冲击位移约由0.3 m增至0.4 m.顶板峰值应力由2.389 MPa降至0.893 MPa,降幅达62.62%,峰值位移由0.391 mm降至0.166 mm.缓冲效果随EPE厚度增加而逐步放缓,EPE 设置厚度以0.4~0.8 m为宜,并应结合现场情况选取强度适宜的EPE型号,数值模拟与实验结果一致性较好.添加EPE垫层后,落石内能降低,动能衰减时间延长.砂垫层动能增加内能降低,EPE动能随其厚度减小而逐渐降低,内能逐步升高.【总页数】10页(P118-127)【作者】王星;任博;王庆;黄炜【作者单位】空军工程大学航空工程学院;三峡集团西藏能源投资有限公司;中交第二公路工程局有限公司;空后工程代建管理办公室【正文语种】中文【中图分类】U458.3【相关文献】1.落石冲击下隧道大跨度棚洞的动力响应数值分析与抗冲击研究2.滚石冲击下棚洞破坏动力响应分析及改进对策——以川藏公路(安久拉山南麓)门式棚洞为例3.滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究4.落石冲击UHPC棚洞板砂土层缓冲性能研究5.多落石冲击作用下棚洞结构力学响应因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
柔性棚洞整体性能检验
整体性能检验E.1 冲击检测内容与方法E.1.1 柔性棚洞极限防护能级、侵界距离、最大变形等整体性能，应采用冲击试块自由下落的方式对柔性棚洞结构进行直接冲击作用。
E.1.2 采用可靠的方法将支撑结构等效简化后，可仅进行缓冲系统子结构直接冲击检验。
E.1.3 试验时，冲击试块在接触到防护网前1m 距离范围的平均速度不应小于15m/s 。
E.1.4 冲击试块可由普通钢筋混凝土制作而成，其形状宜为多面体或球体，如图E.1.4所示，且最大尺寸应小于试验所用柔性棚洞平面投影最小长度的三分之一。
图E.1.4 冲击试块形状E.1.5 冲击试块的密度应在2500 kg/m 3～3000kg/m 3之间。
如增加钢含量，则钢材应均匀地分布在冲击试块之内，保持冲击试块的质心和形心一致。
E.1.6 采用自由下落冲击方式时，最大变形量是在冲击位置沿竖直方向测得。
测量时需考虑到柔性网的最大初始挠度，使用摄像机记录。
测量的结果应四舍五入，单位精确到cm 。
E.1.7冲击试块的冲击动能E 应按下列公式计算：自由下落冲击E mgh = （E.1.7-1）边坡滚落冲击2221425E mv m r ω=+（E.1.7-2）式中：m ——冲击试块的质量；g ——重力加速度；h ——试块的下落高度。
v ——通过落石轨迹模拟得到的冲击时试块的速度；r ——通过落石轨迹模拟得到的冲击时试块的滚动角速度；E.1.8 柔性棚洞的冲击试验应按拦截式棚洞和抛出式棚洞分别开展。
并分别按两个不同工况依次进行：正常服役防护能级（以下简称SEL ）冲击工况和极限防护能级（以下简称MEL ）冲击工况。
E.1.9 拦截式棚洞SEL 冲击工况中应包含两次连续冲击，冲击试块分别以相同的动能落入d/2 d d缓冲层。
E.1.10 拦截式棚洞SEL冲击工况中第一次冲击的位置应为缓冲系统的中心，如图E.1.10所示。
图E.1.10 SEL 冲击工况中第一次冲击位置E.1.11拦截式棚洞SEL冲击工况中第一次冲击后，应仅移走冲击试块，在不更换任何构件和不进行任何维护的情况下进行第二次冲击，冲击的位置仍位于柔性缓冲层中心，该位置应在第一次冲击后可以获得，如图E.1.11所示。
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. r e p l a c e a n a r r a y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o r t a b l e f r a m e s l i n k e d w i t h a l o n g i t u d i n a l s t e e l t u b e t r u s s I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e
文献标志码：A
DOI ：10. 13465/ki.jvs.2017.09.026
N u m e r i c a l simulationandtests for flexible r o c k s h e d subjected to rackfall i m pact
YANG Jianrong1,2 , BAI Yu2 , YANG Xiaodong2 , LUO Yunfei
(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongq
400074，China；2. Faculty of Civil Engineering and Architecture，Kunming University of Science and Technology，Kunming
， ， d a t a o b t a i n e d i n c l u d e d i m p a c t t i m e i n t e r v a l m a x i m u m d e f l e c t i o n o f m e t a l f l e x i b l e n e t t e n s i l e f o r c e o f s u p p o r t r o p e s a n d
第 36卷第9 期
振动与冲击
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol.36 No.9 2017
柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究
杨建荣$，2，白 羽 2& 杨 晓 东 2 & 罗 云 飞 3 (1.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074;2.昆明理工大学建筑工程学院，昆 明 650500;
3.中铁二 院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆 明 650200)
摘 要 ：提出一种适用于铁路线路落石防护的新型柔性棚洞，利用金属柔性网和弹簧撑杆组成柔性耗能结构取代
传统钢筋混凝土棚洞顶部铺设的砂、砾石垫层来达到缓冲消能目的。为准确评估该柔性棚洞结构的性能，采用动力有限
元方法对其落石冲击过程进行了数值模拟，计算结构动力响应，并依据计算结果修正、优化结构设计;进一步开展1: 1结
构局部模型落石冲击试验;测试得到冲击时长、金属柔性网最大挠度、支撑绳索力和弹簧撑杆轴向应变数据。经试验验
证，数值计算结果可靠，在能级为50 kJ的落石冲击作用下，结构主要构件均处于弹性工作状态。最后，针对存在的问题
给出改进建议。
关键词：柔性棚洞结构;落石;冲击力；足尺模型试验;弹簧撑杆
中图分类号：U 213.83
650500，China；3. Kunming Survey，Design and Research
Institute Co.，Ltd.of
CREEC，Kunming 650200，Chi
ห้องสมุดไป่ตู้
Abstract: . A n e w f l e x i l D l e r o c k - s l i e d w a s p r e s e n t e d f o r p r o t e c t i o n o f r a i l w a y f r o m f a l l i n g r o c k s T h e s h e d c o n s i s t e d o f
structure c a n withstand
impact energy
50 ， o f
k J the
m a i n c o m p o n e n t s of
the
shed are working within
. . a x i a l s t r a i n o f s p r i n g s p a c e r b a r s T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s w e r e v e r i f i e d w i t h t e s t e d d a t a It w a s s h o w n t h a t t h e
. a m e t a l f l e x i b l e n e t s y s t e m c o n n e c t e d w i t l i s p e c i f i c s p r i n g s p a c e r b a r s I t w a s d e s i g n e d a s a b u f f e r a g a i n s t r o c k i m p a c t a n d
p e r f o r m a n c e of the
， f l e x i b l e r o c k - s h e d t h e
numerical
simulation w a s
p e r f o r m e d to
investigate
impa
. ， . t o r o c k f a l l T h e n t h e i m p a c t t e s t s w e r e c o n d u c t e d o n a f u l l - s c a l e m o d e l f o r t i i e l o c a l p a r t o f t i i e p r o t o t y p e s t r u c t u r e T h e