被動(dòng)網(wǎng)沖擊變形解析解及足尺試驗(yàn)對比研究

敖躍齊 羅 磊

(1.重慶大極建筑工程有限公司，重慶 400000； 2.四川奧思特邊坡防護(hù)工程有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

被動(dòng)網(wǎng)主要由支撐結(jié)構(gòu)、柔性網(wǎng)片以及減壓環(huán)構(gòu)成，其支撐結(jié)構(gòu)由鋼柱、基座、錨桿構(gòu)成；柔性網(wǎng)片由上下支撐繩、上下拉錨繩、環(huán)形網(wǎng)以及雙絞六邊形網(wǎng)構(gòu)成，如圖1所示。

近年來，針對被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)緩沖性能的研究多采用足尺沖擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬[2-13]。其中，Escallón等[5]根據(jù)歐洲規(guī)范ETAG027建立了一種被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了1 000 kJ足尺沖擊實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，支撐繩在柱端通過滑輪實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，由于支撐繩上懸掛的網(wǎng)環(huán)極易在滑輪處形成卡阻進(jìn)而造成鎖死，因此系統(tǒng)緩沖能力十分有限，足尺試驗(yàn)顯示，其最大沖擊變形僅為4.36 m。Kwan等[4]基于我國香港佐敦谷的實(shí)地考察，并結(jié)合反演分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)稱能級(jí)為1 000 kJ的防護(hù)系統(tǒng)雖然成功攔截能量約為463 kJ的落石沖擊，但鋼柱嚴(yán)重?fù)p壞，系統(tǒng)喪失防護(hù)能力，究其原因，與消能裝置沒有啟動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)沖擊變形能力不夠有直接關(guān)系，實(shí)測與計(jì)算均表明其沖擊變形僅約2.5 m。Escallón[5]改進(jìn)了支撐繩滑移變形控制方法，通過釋放柱端附近支撐繩上的數(shù)個(gè)網(wǎng)環(huán)，形成了卡阻“規(guī)避區(qū)”，延緩了變形鎖死，最大沖擊變形增加至約9 m，提高了系統(tǒng)緩沖性能。但因“規(guī)避區(qū)”的存在，導(dǎo)致網(wǎng)片有效支撐長度減少，降低了系統(tǒng)的攔截高度，同時(shí)，由于“規(guī)避區(qū)”尺寸限制，支撐繩滑移變形量有限，因此無法適應(yīng)高沖擊能量條件下的大沖擊變形需求。Gottardi等[11]開展了系列被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)的足尺沖擊試驗(yàn)。對于2 000 kJ～5 000 kJ的系統(tǒng)，則通過引入過渡繩的方式，其滑移控制原理與Escallón[5]相似，差別僅在于過渡繩可為“規(guī)避區(qū)”網(wǎng)環(huán)提供支撐，并承受局部懸掛網(wǎng)片上的少部分荷載。更重要的是，通過跨越柱端設(shè)置過渡繩來提高緩沖性能的方式實(shí)際上并未減輕支撐繩的負(fù)擔(dān)，制約了系統(tǒng)緩沖性能的進(jìn)一步提高。

2 大變形解析

既有研究表明，落石沖擊過程持時(shí)極短，經(jīng)統(tǒng)計(jì)約為0.2 s～0.5 s，持時(shí)與沖擊變形量s直接相關(guān)。被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)沖擊變形如圖2所示，由支撐結(jié)構(gòu)變形Δ1n、支撐繩牽引消能器伸長引起的滑移變形Δ2n、網(wǎng)片沖頂變形Δ3n等構(gòu)成，其量值可達(dá)10余米，準(zhǔn)確估算系統(tǒng)沖擊變形量，可為系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)變形

被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)由支撐鋼柱及與之相連的拉錨繩組成，其變形通常包含材料彈塑性變形及鋼柱轉(zhuǎn)動(dòng)變形，比較而言，材料彈塑性變形可忽略不計(jì)，因此，該部分變形主要取決于拉錨繩消能器伸長所引起的鋼柱轉(zhuǎn)動(dòng)。由于沖擊跨與相鄰跨拉錨繩內(nèi)力不同，相應(yīng)的消能器伸長量不同，可引入工作系數(shù)對其拉伸量分別進(jìn)行修正。假定沖擊跨拉錨繩伸長后長度為L1，相鄰跨拉錨繩伸長后長度為L2，可根據(jù)變形前后的支撐結(jié)構(gòu)位形建立空間幾何關(guān)系，采用幾何解析確定支撐結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的沖擊變形量Δ1n：

Δ1n=H-h=LAB′·cosα-(Hd-Hpsinβ)

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 支撐繩滑移變形

沖擊作用發(fā)生后，由于支撐主繩消能器的拉伸變形，沖擊區(qū)域支撐主繩會(huì)發(fā)生“V”形變形，并且與卸扣直接相連的部分會(huì)形成弧形區(qū)域，該區(qū)域的長度可假定等于落石的尺寸ws，并且由于該區(qū)域弧度較小，因此，其寬度w可近似等于其長度ws。根據(jù)足尺試驗(yàn)和歐洲規(guī)范，被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)的殘余攔截高度hR大致為0.5Hp，因此，可假定該“V”形變形區(qū)域在水平方向上兩側(cè)的收縮變形為0.25Hp。初始支撐主繩與水平面的夾角φ較小，可近似視為φ≈0°，即跨中支撐主繩的初始長度近似等于鋼柱間距Ld。因此，沿沖擊方向的變形量Δ2n可通過幾何分析確定：

Δ2n=

(5)

其中，Ld為鋼柱間距；ws為落石尺寸；μ2l,μ2r分別為左右支撐繩主消能器的效率系數(shù)；Δ2l,Δ2r分別為左右支撐主繩消能器的實(shí)際極限拉伸長度。

引入修正系數(shù)φt進(jìn)行折減。l可按式(6)計(jì)算確定：

(6)

其中，φt取0.8。因此，支撐繩消能器的實(shí)際極限拉伸長度Δ2需按式(7)確定：

(7)

其中，Δ2為消能器設(shè)計(jì)極限拉伸量。

2.3 網(wǎng)片沖頂變形

如圖3所示，網(wǎng)片遭受落石沖擊作用后，網(wǎng)環(huán)會(huì)發(fā)生對徑拉伸及對角拉伸等變形。柔性網(wǎng)的橫向長度遠(yuǎn)小于縱向，且縱向的松弛特征非常顯著，網(wǎng)片的沖擊傳力變形特征與單向板類似，即橫向網(wǎng)環(huán)的受力遠(yuǎn)大于縱向網(wǎng)環(huán)，因此，其沖頂變形主要取決于橫向網(wǎng)環(huán)的變形，這在試驗(yàn)與數(shù)值模擬中得到驗(yàn)證：橫向網(wǎng)環(huán)發(fā)生明顯的對徑拉伸彈塑性變形，而縱向網(wǎng)環(huán)幾乎處于彈性拉伸階段。因此，對于沖頂變形Δ3n，可以按照幾何關(guān)系近似求解：

(8)

(9)

其中，Ln0為橫向網(wǎng)環(huán)初始長度，可近似等于支撐鋼柱高度Hp；D為網(wǎng)環(huán)的直徑；ntotal為攔截高度上連續(xù)相連網(wǎng)環(huán)的個(gè)數(shù)；ndiagonal為頂頭包裹面上的網(wǎng)環(huán)數(shù)量；Ln為網(wǎng)片對徑拉伸之后的理論長度；φi為網(wǎng)片對徑拉伸發(fā)育系數(shù)，網(wǎng)片周邊為固定邊界時(shí)，可取經(jīng)驗(yàn)值0.6，為繩索支撐時(shí)，可取經(jīng)驗(yàn)值0.7。

3 落石沖擊足尺試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸踩纾靠?0 m，攔截網(wǎng)片呈水平狀態(tài)，共設(shè)置4根標(biāo)高為5 m的鋼柱。采用龍門吊將重為7 500 kg的試塊提升距網(wǎng)片20 m高，沖擊位置為中跨網(wǎng)片的中心，沖擊能量為1 500 kJ，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，將所有減壓環(huán)均置于支撐繩的最外側(cè)；共進(jìn)行三次沖擊試驗(yàn)。

3.1 沖擊過程

落石釋放后0.1 s，落石與攔截網(wǎng)片充分接觸，僅中跨網(wǎng)片變形，邊跨維持不動(dòng)；0.2 s，在試塊作用下，邊跨網(wǎng)片向中跨運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)支撐繩向中跨滑移，中跨網(wǎng)片變形明顯；0.3 s，中跨鋼柱同時(shí)向外、向下偏擺，網(wǎng)片產(chǎn)生巨大形變；0.38 s落石達(dá)到最大豎向沖擊位移，而后向外滾動(dòng)；0.5 s落石基本穩(wěn)定，見圖4。

3.2 變形特征

沖擊試驗(yàn)均成功攔截落石，提取各模型中沖擊點(diǎn)位移(即網(wǎng)片變形)、支撐繩位移以及端柱的豎向位移極值(見圖5)。

由解析計(jì)算公式得到的系統(tǒng)各變形分量與總體沖擊能力與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好(見表1)，系統(tǒng)總體沖擊能力最小誤差僅為0.8%，最大誤差為8.6%，說明解析計(jì)算公式計(jì)算結(jié)構(gòu)的沖擊能力具有較高的準(zhǔn)確性。

表1 變形分量計(jì)算對比

4 結(jié)語

1)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的攔截全過程是通過整體變形協(xié)調(diào)的過程，依靠系統(tǒng)的大變形消散沖擊能量，各構(gòu)件的變形有著內(nèi)在的相關(guān)性。2)提出被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)各構(gòu)件在沖擊荷載作用下變形的解析計(jì)算方法，并通過落石足尺沖擊試驗(yàn)對比驗(yàn)證了其正確性。3)由于足尺試驗(yàn)局限性，后續(xù)通過更多組、不同能級(jí)足尺的落石沖擊試驗(yàn)進(jìn)一步的驗(yàn)證被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)系統(tǒng)的受力、變形，以及驗(yàn)證解析解的結(jié)果。