S形钢龙骨-夹芯板防护层的落石冲击缓冲性能试验研究

第36卷第24期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.36 No.24 2017S形钢龙骨-夹芯板防护层的落石冲击缓冲性能试验研究张山;，张俊发;，陶磊2%刘浩召;，高亮1(1.西安理工大学土木建筑工程学院，西安710048;2.西安理工大学水利水电学院，西安710048)摘要：为了减小高山峡谷中落石对建构筑物墙体的危害，提出了 S形钢与E P S泡沫夹芯板组合防护层的方案。

自行设计制作了 S形冷弯薄壁型钢，对采用这种防护方案的四角支承钢筋混凝土板，开展了一系列的落石冲击试验。

通过对落石冲击力及钢筋混凝土板四角处的支座反力变化过程研究，得到了落石冲击力和板底支座反力随时间的变化形态，探讨了新型防护结构的缓冲性能。

与无防护结构试验结果对比分析表明，新型防护结构使落石冲击钢筋混凝土板的持续时间延长了5~6倍，最大冲击力降低了一半，平均冲击力减小至1/7~ 1/6,板内钢筋与混凝土产生的最大应变率数量级由10= F1降至103~10_2 F1，大大降低了落石对钢筋混凝土板的冲击破坏程度，具有良好的缓冲防护性能。

关键词：落石冲击;防护层;S形钢;夹芯板;缓冲性能中图分类号：TU398 文献标志码：A D O I:10. 13465/j. cnki.jL.2017.24.023Tests for cushionperformance of a protective layer with S-shaped steel joistand sandwich slab under rockfall impactZH ANG Shan1，ZH NAG Junfa1，TAO L e i，LIU H aozhao^，GAO L ian g1(1. School of Civil Engineering and Architecture，Xi,an University of Technology，Xi’an 710048，China;2. School of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi ’an University of Technology，Xi ’an 710048，China)Abstract；To reduce wall damages of buildings and structures in alj^ine canyons due to rockfall impact，a protective layer scheme wi t l i combination of S-sliaped steel and E P S foam sandwich slab was prop walled steel was designed and self-mad e.The proposed protective layer scheme was used on a R C slab supported at four corners，then a series of rockfall impact tests were conducted on this R C slab.The cushioning performance of the protective layer was studied mainly through observing the variation o f rockfall impact force and fur comers of the R C slab with time.The results were compared with those without the the newprotective layer makes the time duration of rockfall impacting the R C slab be lengthened 5 -impact force decreases 50%，the average impact force decreases from the i n i t i a l value to i t s 1/7 - 1/6，the maximum strain rate in the R C slab drops from 10= s_1to 103-10 _2s_1，the damage level of t i i e R C slab due to rockfall impact i s greatly reduced，so the proposed protective layer has a good cushion performance.K e y w o r d s；rockfall impact; protective layer; S-shaped steel; sandwich slab; cushion performance我国山地面积广阔，其特殊的地质地貌条件使得滑坡、崩塌及落石等斜坡地质灾害时有发生，不仅对建构筑物及公共基础设施安全构成严重威胁，也影响着当地居民的生命安全和经济活动[1]。

而落石灾害因随机性大，突发性强，预测防治困难等特点，已成为西部高山峡谷区域的主要地质灾害类型[2]。

目前，针对落石灾害的防护主要分为主动防护和基金项目：国家自然科学基金(51279162);西安理工大学科学研究计划项 目（2015CX017);陕西省教育厅科学研究计划专项项目（17JK0567)收稿日期；2017 -05 -03修改稿收到日期；2017 -07 -17第一作者张山男，硕士生,1992年生通信作者张俊发男，博士，教授,1961年生被动防护两大类。

落石灾害往往发生在陡峭的高山峡谷之中，有些情况下对其主动防护难以实施，在实际工程中，多采用被动防护措施[3-4]，通常采用在建构筑物外表面覆盖一定厚度的缓冲垫层材料以缓解落石冲击力[5-11]，如国外Bhatti等[12]通过对砂土缓冲层的理论分析和H o等[13]对砂土缓冲层的试验研究，证明砂土缓冲层具有较好的耗能效果。

Schellenbeg等[14-15]提出了一种由金属网和泡沫玻璃组成的新形缓冲层，通过理论分析和大型试验，表明该缓冲层具有较好的耗能效果。

国内石少卿等[16]进行新型废旧轮胎组合拦石结构的试验研究，利用废旧轮胎的弹性和韧性缓解落石的冲击力;王东坡[17^8]通过有限元法对落石冲击闭孔泡沫铝夹芯板和防护棚洞E P S(聚苯乙烯）垫层结构第24期张山等！S形钢龙骨-夹芯板防护层的落石冲击缓冲性能试验研究149进行分析研究，揭示了泡沫铝和E P S垫层结构的缓冲 机理;黎良仆等[19]对有E P E(可发性聚乙烯）垫层的棚 洞进行了落石冲击缓冲作用的研究，结果表明E P E能 广泛应用于实际工程，缓冲性能与抗冲击性能较好。

当前，建构筑物的大部分防护措施是在其外表面水 平层面上直接覆盖一定缓冲垫层，但在垂直层面上对落 石防护措施的研究却很少。

在汶川地震中，映秀湾水电 站厂房的山墙遭到落石的洞穿破坏（如图1所示#。

课 题组选用E P S泡沫夹芯板作为缓冲垫层用于垂直层面 的落石防护，这种材料市场上较为常见，广泛用于轻型工 业厂房、建筑工地临时房屋的屋面等墙体。

但考虑到 E P S泡沫为渐増硬化材料，当落石冲击能量过大时，EPS 泡沫夹芯板受冲击作用后会因塑性波的汇聚产生冲击 波[2：]，难以达到防护效果。

因而自行设计制作了 S形冷 弯薄壁型钢龙骨，以E P S泡沫夹芯板作为面层组合成缓 冲防护层。

期望通过S形钢较大行程的塑性变形进一步 的缓冲及耗能，以抵御冲击能量更大的落石。

这种防护 层具有重量轻的特点，便于外挂固定于建构筑物外墙。

通过落石冲击试验对这种防护层的缓冲性能进行研究，可望为实际工程中防护层的应用提供参考。

图1受落石冲击后的映秀湾水电站厂房山墙Fig. 1 Yingxiuwan hydropower station house gablesunder impact of rockfalll试验设计i.i试验板及防护层缓冲耗能装置抵抗冲击的能量吸收原则之一是，较长的行程能吸收更多的能量。

即在冲击作用下易于 屈服且有较大的变形行程，有利于冲击能量的耗散。

基于这一原则，笔者提出如下防护方案，将'235薄壁 钢板冷弯加工制成截面为S形的型钢，用自攻螺钉把S 形钢与E P S泡沫夹芯板连接在一起，组成以S形钢为 龙骨，E P S泡沫夹芯板为面层的防护层（如图2所示#，将其固定与钢筋混凝土板（后面简称R C板）上。

再通 过落石冲击试验开展防护层的缓冲性能研究。

试验中S形钢高160 m m、宽60 m m，厚2.5 m m，单 根长度为1 6〇〇m m，横截面面积为749. 63 m m2,质量为9.416 kg。

泡沫夹芯板的尺寸为长1 600 m m，宽 970 m m，厚100 m m，其中上下表面为0.5 m m厚的彩钢 板，芯材为E P S材料，密度为16 k g/m3。

R C板呈正方 形，整个板用C40混凝土烧筑，边长2 000 m m，厚 200 m m，质量约为2 000 k/。

板内采用直径为16 m m、间距为200 m m、钢筋型号为H R B400的对称双向配筋 和直径为20 m m、间距为600 m m、钢筋型号为H R B400 的拉筋配筋，并在板四周绑扎直径为A m m、间距为 200 m m、钢筋型号为H P B300的箍筋。

\自攻螺钉60 ,1.350 1300300300350 1_.n1 600 1s i1,E P S泡沫夹芯板1— s形钢钢筋混凝土板图2防护层示意图Fig. 2 Protective layer schematic diagram1.2试验方案落石冲击能量的大小由冲击高度和落石质量决 定，试验中采用不同落锤高度模拟了两种不同冲击能 量的落石，用以研究S形钢和E P S泡沫夹芯板防护层 的缓冲性能。

落锤采用铸钢材料铸造，质量为100 k g，为了保证测出落锤冲击方向的加速度，要求落锤下落 过程中不能翻滚，将其设计成鸭梨状。

为了探讨S B钢间距和S形钢根数对防护层缓冲性能的影响，将S 形钢间距设为300 m m(4根）和200 m m(6根）两种情 况，进行对比试验研究。

表1为具体的试验工况，其中1 ~3组为落锤冲击设有防护层的试验，第4组为未设防护层的对照试验，第5组为未设防护层的小高度试验，每组试验进行两 次。

为了方便1~4组试验数据的处理，需要引人一个 参照系数进行对比分析，通过第5组试验数据得到的 参照系数是对比分析1 ~4组的试验数据的重要依据。