滚石冲击棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究

以实际棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击砂土垫层进行数值仿真计算,分析不同冲击能量下多组砂土垫层厚度组合的动力响应及耗能缓冲机理。结果表明:低冲击能量下,改变砂土垫层厚度对滚石冲击力的影响不大,而高冲击能量下,不同厚度砂土垫层的吸能减震效果有显著差异;增大砂土垫层厚度可有效地减弱滚石冲击对棚洞钢筋混凝土顶板造成的变形影响,但同时也会增加结构自重;通过计算,可以得到最优化的垫层厚度,兼顾经济合理性和结构可靠性。研究成果将为滚石多发区棚洞结构砂土垫层的设计提供理论依据。

双层泡沫铝夹芯板抗滚石冲击结构性能优化研究

在山区桥墩抗滚石冲击领域中,防护结构优良的耗能性能是保证桥墩安全稳定的关键。为此,引入泡沫铝夹芯结构,通过MTS压缩试验与动力有限元分析芯体厚度变化对夹芯板耗能性能的影响。结果表明:相比于单层泡沫铝夹芯板,相同压载条件下双层泡沫铝夹芯板具有更优良的耗能能力;对于双层泡沫铝夹芯板,一定程度上增大上下层泡沫铝芯体厚度均可有效提升夹芯板耗能性能,然而,当芯体厚度增大到一定值时,夹芯板耗能性能不再显著提升;双层泡沫铝夹芯板上下层厚度的最优化比例为3:2。上述研究成果已应用于S303映(秀)-卧(龙)公路青岗坪渔子溪大桥桥墩,防护效果显著。

滚石冲击改进型开口帘式网耗能机制研究

帘式网是以引导、消能为主要作用机制的滚石柔性防护结构。传统帘式网因受制于维护难、成本高等问题,阻碍了其在滚石防治领域的推广应用。为此,基于下开口设计理念并优化传统帘式网拖尾长度提出了一种改进型开口帘式网。通过开展滚石冲击现场原位试验,研究不同拖尾长度对改进型开口帘式网耗能机制的影响。试验结果表明:改进型开口帘式网解决了滚石停滞网内清理不便的问题,其自身的裹挟、摩擦作用有效发挥了结构的柔性耗能特性,从而降低了滚石冲击能量;当拖尾长度由3 m增加到7 m时,滚石动能衰减率提高约20%,但其增幅呈下降趋势。为进一步提升改进型开口帘式网的耗能效果,通过数值模拟研究了滚石不同冲击位置和冲击角度对帘式网耗能效果的影响。模拟结果表明:滚石冲击帘式网中部时动能衰减率高于边侧位置,最高可提升20%;当滚石冲击方向与帘式网的夹角近似为45°时,滚石动能衰减率最高可达74.1%。因此,在实际工程中可通过合理设置帘式网拖尾长度、布设位置与倾斜角度使其耗能效果达到最大化。

滚石冲击下孔隙率和孔隙分布对空心砖缓冲性能的影响

采用大型摆锤冲击试验和LS-DYNA数值模型,研究了空心砖不同孔隙率(28%、42%、54%)和孔隙分布(2孔、8孔、18孔、32孔、50孔)对空心砖缓冲性能的影响。结果表明:滚石冲击力随着空心砖孔隙率的增大而减小,54%孔隙率空心砖比28%孔隙率空心砖减小了23%滚石冲击力峰值和46%空心砖缓冲层传递力峰值;滚石冲击力和空心砖缓冲层传递力随着孔隙分布均匀化而减小,相比于2孔空心砖,50孔空心砖最大可减小46%滚石冲击力,传递力可减小31%;均匀的孔隙结构分布可以有效增大传递力扩散角,50孔空心砖比2孔空心砖传递力扩散角增大46%。

基于Hertz弹性理论和Thornton弹塑性假设的滚石冲击力的修正计算

以Hertz弹性碰撞理论所取得的滚石冲击力远远超过实际情况,无法应用于工程实践中。因此,以Hertz接触力学和Thornton弹塑性假设为基础,考虑构造物材料特性、冲击物的相对尺寸、结构变位等因素,建立了滚石对构造物的冲击力修正方程,最终以二郎山1#滑坡防治工程中滚石对锚索抗滑桩的冲击为例进行对比分析。结果表明:二郎山1#滑坡治理工程中,滚石冲击力计算结果显示,修正系数介于0.06~0.11之间,计算结果与实际估计较为一致;修正系数随冲击速度的增加而先急剧后平稳降低;落石冲击力随构造物强度、滚石速度的增大而增大。

基于能量比例系数的滚石冲击力计算方法研究

滚石冲击力是滚石防护工程设计的重要依据。为此,基于能量守恒原理,引入能量比例系数,考虑滚石冲击角度,提出滚石冲击土体的最大冲击力计算方法。通过物理模型试验,研究了滚石特征参数(质量与尺寸)、动力学参数(冲击速度与角度)及土体性质参数(密度与抗压强度)对能量比例系数的影响,构建能量比例系数无量纲经验公式,建立滚石冲击力计算模型并验证了模型的可靠性。结果表明:能量比例系数与滚石质量、冲击速度、冲击角度呈负相关关系,而与滚石尺寸、土体密度以及抗压强度正相关;提出的基于能量比例系数的滚石冲击力计算模型能够有效预测滚石最大冲击力,且与已有研究中大尺度模型试验结果吻合良好。研究成果可为滚石灾害防治提供理论依据及技术支持。

滚石冲击下新型组合棚洞结构的动力响应分析

棚洞结构是防止滚石灾害的有效措施之一,传统意义上的钢筋混凝土棚洞结构已经不能更好地解决这一问题。因此提出了一种以索网和钢桁架组合而成的新型组合棚洞结构的方法来阻拦滚石冲击。本结构中钢拱梁及格构柱为主要传力构件,主要承受拉力、压力、弯矩,而钢丝网及下部索网为主要的耗能构件,具有很大的变形能力,能够吸收滚石的冲击能。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对该结构进行数值模拟,从加速度响应、能量耗散、应力传递三方面进行了动力分析,研究了滚石冲击对棚洞结构破坏的影响,为新型组合棚洞结构的设计提供了理论依据。

落石荷载下悬臂式棚洞结构的动力响应分析

落石是我国山区重要灾害之一,棚(明)洞是抵御滚石冲击的重要措施。在实际工程应用中,棚(明)洞结构被落石砸坏的案例屡见不鲜,然而目前有关棚洞抗冲击性能的研究较少。文章借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立了山区常见的悬臂式棚洞结构模型,并对滚石冲击荷载下的悬臂式棚洞的动力响应过程进行了仿真分析,研究其在冲击作用下的受力变形特性。研究结果表明:(1)冲击力荷载作用下,悬臂式棚洞中会产生冲击波,其传播会使结构产生应力和变形震荡;(2)棚洞结构不同部位达到最大应力的时间有所不同;(3)悬臂式棚洞的最危险部位在立墙顶部内侧与平板交接处和立墙下半段位置,实际工程中应采取局部加强措施,以保证结构的安全性;(4)冲击作用完成后棚洞结构内部的残余应力比较大,因此其顶部落石需要及时清理。该研究成果可为悬臂式棚洞的合理设计和施工提供重要的参考依据。

公路滚石荷载下不同结构类型棚洞的抗冲击性能分析

随着棚洞应用数量的不断增加,其安全性和稳定性越发值得重视,然而在实际工程应用中棚洞被砸坏的案例仍是屡见不鲜。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立不同类型棚洞的有限元模型,并对滚石冲击下的不同结构类型棚洞的响应进行了数值仿真。研究表明:(1)滚石冲击荷载会使棚洞结构中产生冲击波,冲击波的传播会引起结构应力和变形震荡,门式棚洞比半拱式棚洞的震荡反应明显;(2)抗冲击性能方面,斜柱式棚洞比直柱式棚洞更优越,半拱式棚洞比门式棚洞有优势;(3)门式棚洞和半拱式棚洞在冲击作用下的结构最危险处都位于立柱顶部内侧。首次从结构角度出发研究棚洞的抗冲击性能,其成果完善了棚洞既有理论,并为今后棚洞的合理设计和施工具有重要的指导意义。