不同結構類型棚洞的抗沖擊性能研究

2015-12-30 03:19:41張群利,王全才,吳清等

振動與沖擊 2015年3期

第一作者張群利女，博士生，1986年生

通信作者王全才男，研究員，1959年生

不同結構類型棚洞的抗沖擊性能研究

張群利1,2,3，王全才1,2，吳清4，郭紹平1,2,3

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,成都610041；2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,成都610041；3.中國科學院大學,北京100049；4.西安中交土木科技有限公司,西安710075)

摘要：借助ANSYS/LS-DYNA有限元軟件模擬棚洞結構在落石沖擊荷載下的動力響應過程，通過分析比較5類棚洞結構的受力與變形的特征，研究不同結構類型的抗沖擊性能。研究表明：不同結構類型棚洞在同等沖擊作用下會有不同的動力響應，全拱式和半拱式棚洞的抗沖擊性能比門式有優勢，斜柱式比直柱式抗沖擊性能好；門式和半拱式棚洞的柱體頂部內側與頂板交接處，全拱式棚洞的拱柱底部是最大等效應力的集中部位，實際工程中可采取局部加強措施，保證結構的安全性。

關鍵詞：棚洞結構；落石；數值分析；沖擊響應

收稿日期：2013-09-11修改稿收到日期：2014-01-05

中圖分類號:TU311.3文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學

Anti-impact performances of different kinds of shed-tunnel structures

ZHANGQun-li1,2,3,WANGQuan-cai1,2,WUQing4,GUOShao-ping1,2,3(1. Key Laboratory of Mountain Surface Process and Hazards, CAS, Chengdu 610049, China;2. Research Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 600041, China; 3. Univ. of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. CCCC Civil Science & Technology Co., Ltd, Xi’an 710075, China)

Abstract: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 reinforcement measures should be adopted in practical projects in order to keep the safety of shed-tunnel structures.

Key words:shed-tunnel structure; rock-fall; numerical analysis; impulse response

山區經濟、旅游的快速發展，促使交通路線不斷向山區延伸，落石災害問題已愈發突出[1-2]。棚洞作為一種既安全又環保的防護結構，在道路建設中受到越來越多的重視和應用[3-4]。由于國內對落石災害的基礎研究比較薄弱，落石防護結構設計和施工等關鍵技術尚不成熟，實際應用中很多棚洞受到落石沖擊時都達不到強度要求，棚洞結構被砸壞的案例屢見不鮮，例如汶川地震時寶成鐵路109隧道洞口棚洞被崩石嚴重砸壞導致火車受損并著火，2012年6月7日國道317理縣境內大歧棚洞因山體滑坡被巨石砸中受損而危及行車安全，造成巨大損失[5]。為此，學者們[6-8]在棚洞抗沖擊性能研究方面做了很多努力，也取得了一定的成果。但是，為了滿足棚洞在工程中越來越多的應用需求，應在落石沖擊作用下棚洞結構的損傷、破壞機理等方面進一步加強理論研究。因此，開展落石沖擊作用下棚洞結構的動力響應機制研究，進一步完善落石防護結構設計體系，增強棚洞結構的環保性、安全性和經濟性，能為棚洞的合理設計和施工提供指導，具有重要的理論和現實意義。

本文針對目前常見的門式直柱式、門式斜柱式、半拱直柱式、半拱斜柱式和全拱式這5種棚洞結構形式(如圖1所示)[9]，借助ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，模擬落石沖擊荷載下棚洞結構的動力響應過程，對比分析不同結構類型棚洞在沖擊力作用下的受力變形特性，研究棚洞的抗沖擊性能，以期為同行提供參考。

圖1　幾種常見的棚洞結構 Fig.1 Several common shed-tunnel structures

1棚洞結構的數值模擬

1.1計算模型

參考實際工程中的棚洞結構[10-13]，直接在ANSYS/LS-DYNA軟件中生成等效直徑為2 m的落石，從10 m高處自由下落，沖擊在傾角為0.1∶1的緩沖土層上，落石沖擊處緩沖土層厚度為2 m；棚洞寬度為12 m，凈高6 m，斜柱傾角75°；考慮到結構的對稱性，長度方向取一跨，即8 m進行分析。有限元模型中涉及的主要材料為落石、土和鋼筋混凝土

(棚洞主體結構為C30

鋼筋混凝土)，均采用SOLID164實體單元模擬，其中滾石選用剛體材料模型，土體選用Drucker-Prager材料模型，鋼筋混凝土采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型。因本次研究的重點在棚洞結構，因此落石選擇自由網格劃分形式，土體和棚洞結構均采用掃掠網格劃分方法，以提高計算精度，棚洞的有限元模型見圖2。

圖2　棚洞結構的計算模型 Fig.2 Calculation model of shed-tunnel structures

1.2計算參數

為便于對比分析，計算涉及的材料力學參數是參照實際工程案例[14-15]和《公路隧道設計規范》[16]選取統一值，見表1。

表1　材料力學參數

2棚洞結構動力響應分析

2.1應力傳遞過程分析

為了準確地描述不同棚洞結構在落石沖擊作用下的應力變化情況，從各棚洞的不同部位取具有代表性的單元進行等效應力分析，具體情況見表2。所取代表單元號對應于各棚洞結構計算模型中所處的位置及其等效應力歷時曲線見圖4。

圖4　代表單元號在計算模型中所處位置及其等效應力歷時曲線 Fig.4 Location mapsand effective stress duration curves of representative elements in the calculation models

關鍵部位門式直柱式門式斜柱式半拱直柱式半拱斜柱式全拱式頂部H374H194H371H218H422外柱(直/斜柱)中心H356H254H350H248H302底部H335H302H332H299H213外緣H1121H1157H1034H1052—頂板中心H1016H1049H965H995H191近墻側H2886H2916———頂部H101H101H44H39H38內墻(直/曲墻)中心H122H122H104H86H80墻腳H140H140H141H140H140

由圖4中各棚洞結構在沖擊荷載下的等效應力曲線可以看出：①曲線都出現震蕩現象，表明沖擊荷載在結構中產生了沖擊波，沖擊波的傳播引起了應力和變形震蕩，其中門式斜柱式棚洞中不同部位的等效應力變化相較其他4類棚洞結構更具統一性，而沖擊波引起的震蕩在半拱斜柱式和全拱式棚洞中的影響較小；②各棚洞不同部位達到最大沖擊應力時間并不統一，且隨應力擴散過程有一定延遲；③不同時刻最大等效應力出現的部位也不斷變化。

總體來說，不同結構棚洞的危險部位順序不同：①門式直柱式棚洞：直柱頂內側>頂板落石沖擊位置>直柱底部內側>其他位置；②門式斜柱式棚洞：斜柱柱頂內側>頂板落石沖擊位置>其他位置；③半拱直柱式棚洞：直柱柱頂內側>直柱柱底部位>曲墻墻腳部位>其他部位；④半拱斜柱式棚洞：斜柱柱頂內側>斜柱柱底部位>曲墻墻腳部位>其他部位；⑤全拱式棚洞：拱柱部分是整個結構的薄弱環節，尤其是拱柱底部是最危險的部位。

2.2最大等效應力分析

不同結構類型棚洞在相同沖擊狀態下，結構的最大等效應力隨時間的變化如圖5所示，棚洞結構最大等效應力計算結果見表3。

表3　最大等效應力計算結果

圖5　最大等效應力歷時曲線 Fig.5 Relationship between maximum effective stress and time onthe most dangerous sections

圖5和表3結果表明，5種不同結構類型棚洞在沖擊力作用下等效應力變化有所不同：①門式直柱式棚洞沖擊時結構最大等效應力值最高，后期應力震蕩幅度最大，頻率較大；②門式斜柱式棚洞最大等效應力值較小，應力震蕩現象也很明顯，幅度小于直柱式棚洞，但頻率很高，且結構各部位震蕩現象很一致；③半拱直柱式棚洞最大等效應力值較大，應力震蕩明顯，振蕩頻率比門式棚洞低很多，幅度也小很多；④半拱斜柱式棚洞受沖擊力作用時結構的最大等效應力值較低，只有很小的應力震蕩現象，此微小波動比直柱式棚洞震蕩的頻率高很多；⑤全拱形棚洞的最大等效應力和直柱式棚洞接近，等效應力達到最大后迅速減小，后期應力以微小震蕩幅度減小，但振動頻率很高。

此外，最大等效應力集中部位表明門式和半拱式棚洞的最危險部位均位于柱體頂部內側與頂板的交接處，全拱式棚洞的最危險部位位于拱形柱底位置。因此，棚洞結構應在應力集中部位采取局部加強措施，以保證結構的安全性。

2.3棚洞頂板撞擊處的變形分析

落石沖擊荷載下，沖擊位置正下方棚洞頂板處的垂向位移歷時曲線如圖6所示，垂向最大位移見表4。

表4　沖擊位置正下方棚洞頂板處的垂向最大位移

注：初始時刻沖擊位置正下方棚洞頂板處的最大位移為0，垂向位移向上為“+”，向下為“-”。

由圖6和表4可知，沖擊荷載在結構中產生了沖擊波的傳播也引起了棚洞結構的變形震蕩，但是5種不同結構類型棚洞在同等沖擊力作用下沖擊位置正下方棚洞頂板的變形情況不同，垂向最大位移與震蕩幅度由大到小排序為：門式直柱式>門式斜柱式>半拱直柱式>半拱斜柱式>全拱式。

圖6　沖擊位置正下方棚洞頂板處的變形歷時曲線 Fig.6 Y-displacement duration curves of the shed-tunnel roof located just below the shock position

3結論

本文借助ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，模擬落石沖擊荷載下棚洞結構的動力響應過程，探討5種常見棚洞結構類型(門式直柱式、門式斜柱式、半拱直柱式、半拱斜柱式和全拱式棚洞)在沖擊力作用下的受力變形特性，得到如下結論：

(1)沖擊荷載在結構中產生沖擊波，沖擊波的傳播引起結構應力震蕩和結構變形，且應力擴散過程有一定延遲。

(2)5種不同結構類型棚洞在同等沖擊力作用下會有不同的動力響應：等效應力方面，全拱式棚洞與直柱式棚洞的最大等效應力接近，但明顯大于斜柱式棚洞，棚洞結構柱形相同時半拱式棚洞的最大等效應力略小于門式棚洞；在沖擊力荷載引起的應力震蕩方面，門式棚洞較半拱式和全拱式棚洞震蕩幅度明顯，斜柱式振蕩頻率高于直柱式；棚洞頂板變形方面，全拱式棚洞頂板變形最小，半拱式次之，門式最大，當棚洞洞形相同時直柱式大于斜柱式。總體而言，全拱式和半拱式棚洞的抗沖擊性能比門式有優勢，斜柱式比直柱式抗沖擊性能好。

(3)在落石沖擊作用下，最大等效應力集中在門式和半拱式棚洞的立柱頂部內側與頂板交接處，全拱式棚洞則集中于拱柱底部，這些部位是棚洞結構中最危險部位，實際工程中應采取局部加強措施，以保證結構的安全性。

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