TECCO格柵網斜向受落石沖擊試驗與數(shù)值模擬

俞棠榮，汪 敏，王高勝

(中國人民解放軍陸軍勤務學院 軍事設施系， 重慶 401311)

落石災害是我國山區(qū)主要自然災害之一，已成為我國交通道路等基礎設施建設的重要制約因素。隨著西部地區(qū)的開發(fā)，工程建設將面臨著大量潛在的落石災害，這將給交通線等基礎工程的建設和運營帶來極大的隱患[1]。因此，落石災害的防治是急需解決的重要課題。需要強調的是，我國西部地區(qū)多崇山峻嶺，地理環(huán)境較其他地區(qū)更加惡劣，部分省市過去囿于技術原因和施工難度導致交通線建設擱置，而近年來這些地區(qū)開建了新交通線，交通道路往往穿越高山峽谷，出現(xiàn)大量的高陡邊坡，部分交通路段呈現(xiàn)出明顯的一側緊傍陡山、另一側緊鄰深谷的“傍山險路”特征。這些區(qū)域交通道路的落石危害更加突出，落石防治更加嚴峻和迫切。

TECCO格柵網是一種柔性金屬網，采用高強度、高韌性特種鋼絲編制而成，它與預應力錨桿、縫合繩等部件共同組成柔性防護系統(tǒng)，實現(xiàn)攔截坡面崩塌滾落巖土體運動或加固斜坡防止淺層溜坍、塌落發(fā)生的目的，因而廣泛應用于落石攔截、邊坡防護和巷道支護加固等領域[2～5]。

對于高陡邊坡的落石防治，特別是傍山險路區(qū)域的落石防治，采用常規(guī)的TECCO網覆蓋防治或者棚洞保護存在著設施安裝條件不滿足、積石清理困難以及結構維護不便等問題。可將TECCO網傾斜布置于交通道路的上方，用于攔截并反彈落石，因此TECCO網的傾斜角度是非常重要的，它對落石的攔截和彈出效果有著關鍵的影響。此外，落石垂直沖擊金屬網只是理想化的狀態(tài)，實際大部分落石沖擊方向與金屬網平面是存在傾斜角度的。因此，研究網的傾斜角度對TECCO網受落石沖擊的影響有著重要的意義。為研究不同傾斜角度下TECCO網受落石沖擊的特性，開展了室內TECCO網斜向受落石沖擊模型試驗，應用ANSYS/LS-DYNA軟件建立落石斜向沖擊TECCO網數(shù)值模型，驗證并進行數(shù)值分析研究。

1 落石斜向沖擊TECCO格柵網試驗

1.1 試驗設計

試驗所用TECCO格柵網為T4/80型TECCO網，網的參數(shù)見表1。利用鋼絲繩卡扣將第1支撐繩、第2支撐繩分別與TECCO網平面中平行于網孔短軸的一對邊界連接，2條支撐繩平行固定于反力架上，調整支撐繩使TECCO網剛好張緊拉平。第1支撐繩、第2支撐繩分別固定于前排、后排的反力架上，第2支撐繩高于第1支撐繩，使TECCO網平面與水平面的夾角為30°。

表1 TECCO網參數(shù)

第1支撐繩兩側對稱位置串聯(lián)有#1、#2拉壓力傳感器；第2支撐繩兩側對稱串聯(lián)#3、#4拉壓力傳感器。#1、#2、#3、#4拉壓力傳感器量程均為200 kN，額定輸出分別為1.482 8、1.488 2、1.488 4、1.494 6 mV/V。拉壓力傳感器通過橋式傳感器與泰斯特動態(tài)測試系統(tǒng)連接，記錄落石沖擊過程中2條支撐繩所承受的瞬時沖擊力。高速攝像機固定于TECCO網正前方，記錄落石下落、沖擊、回彈過程及TECCO網斜向變形過程。整個試驗設備布置及連接方式分別如圖1所示。

圖1 試驗布置圖

考慮到不規(guī)則落石難以控制沖擊作用時與金屬網接觸的試塊部位，使試驗條件難以重復，且極度不規(guī)則落石最終形成的沖擊速度小于規(guī)則落石，一般并不代表同一現(xiàn)場的最大落石動能，因此試驗采用多面體塊體或球體[6～7]。本試驗采用的是頂角處切去棱長 1/3的14面異形立方體形狀的落石，落石用混凝土澆筑，質量分別為20、50 kg，試驗通過自動脫鉤裝置實現(xiàn)落石的無初速度自由脫落。

試驗時落石以自由落體方式鉛直沖擊TECCCO網的中心位置。試驗中落石只發(fā)生平動，不讓其發(fā)生轉動，主要原因在于：① 在試驗技術上為落石施加可控制的轉動角速度是非常困難的；② 在落石沖擊中，轉動角速度的速度矢量與網的接觸面近于相切從而迅速削減，且數(shù)值上也比平動速度小很多，對沖擊峰值荷載影響不大；③ 轉動的存在也使落石在沖擊初期會發(fā)生一定的滾動，經過滾動的緩沖降能，其沖擊力偏小，試驗結果的安全系數(shù)較僅有平動速度的落石沖擊試驗低。因此，采用只發(fā)生平動的落石沖擊TECCO網是合理的。

試驗設計了不同落石以不同高度斜向沖擊TECCO網，試驗具體工況見表2。表2中試驗工況采用相關參數(shù)簡記，如“XT-2.5-20-2”表示20 kg落石在2 m高度處自由下落，斜向沖擊規(guī)格為2.5 m×2.5 m的TECCO網。

表2 斜向沖擊試驗工況

1.2 試驗結果

利用支撐繩兩端布置的拉壓力傳感器和泰斯特動態(tài)測試系統(tǒng)(TST6200)記錄下落石沖擊過程中第1支撐繩、第2支撐繩承受的瞬時沖擊力。動態(tài)測試系統(tǒng)的采樣頻率為 1 kHz，攝像機采樣頻率經調試后設定為 239 幀/s。根據試驗中#1、#2、#3、#4拉壓力傳感器的測試結果，得到不同試驗工況下第1支撐繩、第2支撐繩所受的最大瞬時沖擊力(受拉為正)，見表3。

2 數(shù)值模型的建立與驗證

2.1 材料參數(shù)與模型建立

采用LS-DYNA軟件對落石斜向沖擊TECCO網進行數(shù)值模擬，選用單元為：落石采用8節(jié)點三維實體顯式結構單元SOLID164單元模擬；支撐繩采用能夠考慮失效的LINK160單元模擬；考慮到遭受落石沖擊發(fā)生變形時，高強鋼絲會受到軸力、彎矩的耦合作用，同時在連接處有剪力存在，因此鋼絲采用BEAM161單元來模擬。數(shù)值模擬的材料模型為：落石為剛性體模型；高強鋼絲以及支撐繩采用塑性隨動強化模型和 Cowper-Symonds模型[8]。

在數(shù)值計算中，對TECCO網中高強鋼絲和支撐繩的本構模型進行簡化處理，均采用雙線性本構模型。數(shù)值計算中各種材料的力學性能參數(shù)見表4。對于直徑16 mm的支撐繩，其破斷拉力為161 kN，采用等效截面面積的方法計算得出其等效面積為 90.96 mm2。落石密度由實際測量預先制作的14面體混凝土塊質量與體積計算得到。

表3 不同工況下支撐繩所受最大瞬時沖擊力

表4 各種材料的力學性能參數(shù)指標

碰撞過程中材料應變率變化較大，這對彈塑性材料的硬化行為產生較大影響，采用Cowper-Symonds 模型來考慮材料的塑性應變效應，用與應變率有關的因數(shù)來表示屈服應力，見式(1)：

(1)

TECCO 網由具有規(guī)則幾何形狀的菱形網孔單元組成，網孔之間的連接是由高強鋼絲的扭轉勾連而成。在建立TECCO網有限元幾何模型中，沿網孔短軸方向(圖2中x方向)每個連接點處兩側各相鄰的梁單元采用共節(jié)點連接，沿網孔長軸方向(圖2中y方向)每個連接點處的相鄰梁單元采用自由度耦合方式實現(xiàn)鉸接連接，即TECCO網能夠以網孔短軸為軸進行自由折疊，這與實際相符。

圖2 TECCO網

為對試驗中TECCO網與支撐繩通過鋼絲繩卡扣連接進行模擬[9]，在數(shù)值分析中可以通過自由度耦合(CP命令)和施加約束方程(CE命令)實現(xiàn)TECCO網與支撐繩的連接。支撐繩兩端的邊界條件設置為鉸接。建立的數(shù)值模型見圖3。

采用ANSYS/LS-DYNA進行計算時，考慮落石與TECCO網之間的摩擦作用，取落石沖擊TECCO網過程中的靜、動力摩擦系數(shù)均為0.8。落石與TECCO網之間的接觸設置CONTACT DEFINITIONS為自動單面接觸。為節(jié)省計算時間，模型建立時，令落石與TECCO網接觸，初始時間為0 s，接觸時落石初速度根據試驗中落石自由落體高度計算得出，總計算時間為0.4 s。為驗證數(shù)值模型的有效性，從3個方面進行數(shù)值模擬結果和試驗測試結果的對比分析：① TECCO網的變形特征；② 第1支撐繩和第2支撐繩所承受沖擊力的時程曲線；③ 第1支撐繩、第2支撐繩所承受的最大瞬時沖擊力。

圖3 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬計算結果

圖4給出了20 kg落石以3 m高度斜向沖擊TECCO 網工況的數(shù)值模擬。通過與高速攝像機拍攝的沖擊過程對比，數(shù)值模擬與試驗沖擊落石運動過程吻合較好，說明采用有限元數(shù)值模擬方法能夠較好地模擬落石沖擊 TECCO 網的動態(tài)過程。

圖4 落石斜向沖擊過程的數(shù)值模擬(XT-2.5-20-3)

圖5給出了XT-2.5-20-2工況下從落石開始接觸TECCO網到第1次沖擊結束這一階段(不考慮落石第1次沖擊回彈后的第2次沖擊)中第1支撐繩試驗測試和數(shù)值計算得出的拉力時程曲線對比圖(受拉為正)，試驗測試結果包括#1、#2拉壓力傳感器測試的時程曲線。從圖5中可以看出：試驗測試和數(shù)值分析中的支撐繩拉力時程曲線上升階段即從沖擊接觸到達到峰值沖擊荷載這一過程吻合很好。

圖5 #1、#2傳感器測量值與數(shù)值分析結果(XT-2.5-20-2)

表5給出不同工況落石沖擊TECCO網過程中支撐繩所受的最大瞬時沖擊力以及數(shù)值模擬計算結果。通過對比結果發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬能夠準確地反映出支撐繩在落石沖擊過程中所受的最大沖擊力。

3 TECCO 網斜向受落石沖擊數(shù)值分析

在模型試驗以及TECCO網斜向受落石沖擊數(shù)值模型的基礎上，對不同傾斜角度的TECCO網受落石沖擊特性進行分析。對比分析相同沖擊能作用下不同角度(與水平面的夾角)TECCO網的受落石沖擊性能，主要對比不同工況下的TECCO網所受落石沖擊力、剩余高度、防護寬度及支撐繩所承受沖擊力。其中：剩余高度指落石沖擊TECCO網達到最大變形時與第1支撐繩的高度差，涉及到金屬柔性網變形時的侵限問題；防護寬度指落石沖擊TECCO網回彈彈出后向外拋射降落至第1支撐繩的初始水平時，落石距第2支撐繩初始位置的水平距離，涉及到落石被拋出后的威脅邊界問題。在數(shù)值分析中，考慮到要使落石與TECCO網接觸時接觸面的幾何形狀不隨TECCO網角度的變化，落石模型采用圓球模型來代替原多面體模型，圓球模型密度設置為2 500 kg/m3，質量50 kg，落石的沖擊速度設定為25 m/s，其他參數(shù)不變。TECCO網的傾斜角度按照在水平(0°)與豎直(90°)之間每間隔15°進行數(shù)值模擬分析。

表6是從數(shù)值分析中提取的不同傾斜角度TECCO網的抗落石沖擊性能參數(shù)。由表6可知：當TECCO網傾角不大時，即傾角為15°、30°，在此范圍內落石沖擊后的回彈效果較好，支撐繩的最大瞬時沖擊力均較大；當角度增大時，剩余高度小幅提高，支撐繩最大瞬時沖擊力變化很小，網的防護寬度基本較大，并有增加；當傾角為45°時，落石所受沖擊力繼續(xù)減小，支撐繩所承受的最大瞬時沖擊力要比傾角15°、30°工況下的支撐繩承受的最大瞬時沖擊力小；而在TECCO網傾角過大時，即傾角為60°、75°工況下，在沖擊過程中落石最大瞬時沖擊力和支撐繩最大瞬時沖擊力明顯減小，減小的幅度增大，網的防護寬度急劇減小，且網對落石沖擊的回彈效果較差。其中，在TECCO網傾角60°工況下，落石完全是由于滾落沖擊第1支撐繩而被彈出，在TECCO網傾角75°工況下，落石幾乎沒有出現(xiàn)沖擊后的回彈現(xiàn)象。

總體來看：TECCO網傾角較小時，落石回彈效果較好，當網的防護寬度基本較大，支撐繩最大瞬時沖擊力較大；當傾角越大，落石最大瞬時沖擊力和支撐繩最大瞬時沖擊力就越小；當傾角過大時，網的防護寬度急劇減小，落石回彈效果明顯變差。

表5 試驗和數(shù)值計算的支撐繩所受最大瞬時沖擊力對比

表6 不同沖擊角度下TECCO網的抗落石沖擊性能

4 結論

1) 建立的TECCO網斜向受落石沖擊數(shù)值模型，較好地再現(xiàn)了沖擊試驗過程，數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合較好，驗證了數(shù)值模型的可行性。

2) 計算表明：落石所受的最大瞬時沖擊力和支撐繩最大瞬時沖擊力隨TECCO網的傾角增大而減小，且隨著傾角的增大，沖擊力減小的幅度越來越大。

3) 當TECCO網傾角較小時，落石回彈效果較好，網的防護寬度基本較大；當傾角增大時，防護寬度先增加后減小；傾角過大時，TECCO網的防護寬度急劇減小，落石回彈效果明顯變差。