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

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。