落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的影響研究

沈彬 劉成清

【摘要】被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)是公路和鐵路沿線防護(hù)落石災(zāi)害的一種常用裝置，為研究落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的影響，文章以常用的RX-500型被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)為原型，通過(guò)ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)具有相同尺寸、相同動(dòng)能和不同動(dòng)量的落石沖擊被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的受力性能和能量耗能規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)落石能量耗散時(shí)間影響很大，落石動(dòng)量越大，落石能量耗散的時(shí)間越長(zhǎng)，落石沖擊時(shí)間可延長(zhǎng)21.34 %;落石對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的受力性能和各構(gòu)件的耗能占比影響較小。

【關(guān)鍵詞】被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng); 落石; 動(dòng)量; 受力性能; 能量耗散

【中國(guó)分類號(hào)】U216.41+5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

鐵路與公路

1 被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)

被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)由于具有易于安裝、布置靈活、防護(hù)能力突出等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地針對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)，因此廣泛地應(yīng)用于泥石流、落石甚至雪崩的防護(hù)工作[1]。被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)主要由金屬柔性網(wǎng)（鋼絲繩網(wǎng)、格柵網(wǎng)等）、連接構(gòu)件（錨桿、拉錨繩、基座、支撐繩等）、消能件（減壓環(huán)等）和鋼柱四部分構(gòu)成[2]（圖1）。

劉成清等[3]建立鋼柱與鋼絲繩網(wǎng)、鋼柱基礎(chǔ)在不同連接方式下不同被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)在不同落石沖擊能量下各構(gòu)件的變形和受力進(jìn)行分析。孫波等[4]利用LS-DYNA對(duì)不同落石直徑、不同落石動(dòng)能沖擊下被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的能量耗散規(guī)律進(jìn)行研究。目前關(guān)于被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的研究和安全性能評(píng)價(jià)基本都是考慮落石的動(dòng)能[5]，事實(shí)上落石動(dòng)能只是描述落石運(yùn)動(dòng)形態(tài)的其中一個(gè)尺度，相同動(dòng)能下動(dòng)量可能不一樣。為了探究落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的影響，本文建立常用的RX-500型被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，通過(guò)ANSYS/LS-DYNA對(duì)落石在相同動(dòng)能不同動(dòng)量的條件下沖擊結(jié)構(gòu)的受力性能和能量耗散規(guī)律進(jìn)行研究。

2 有限元數(shù)值模型

選用工程中常用的RX-500作為被動(dòng)柔性防護(hù)體系，其防護(hù)能級(jí)為500 kJ。選取3跨建立模型，防護(hù)網(wǎng)鋼柱間距為10 m，鋼柱高度為5 m。鋼柱采用20b工字鋼。鋼絲繩網(wǎng)規(guī)格為DO/08/200，支撐繩為216 mm，上拉錨繩為14 mm，側(cè)拉錨繩為16 mm。減壓環(huán)采用GS-8000，分別布置在支撐繩和上拉錨繩中。

鋼絲繩網(wǎng)、支撐繩、拉錨繩采用Link160單元模擬，鋼柱采用Beam161單元模擬，落石采用Solid164單元模擬，減壓環(huán)采用Combi165單元模擬。鋼絲繩網(wǎng)、支撐繩、拉錨繩以及鋼柱均采用雙線性彈塑性材料模型，材料參數(shù)見表1;如圖3，采用三折線非線性彈簧模型來(lái)描述減壓環(huán)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[6]。假定落石為剛性球體，撞擊位置被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的中間跨正中心[5]。由于上、下支撐繩在可沿鋼柱滑動(dòng)，通過(guò)*ELEMENT_SEATBELT與*ELEMENT_SEATBELT_SLPRING可滑移接觸單元對(duì)模擬這一行為。有限元模型如圖2所示，鋼柱可沿鉛垂面轉(zhuǎn)動(dòng)，落石與鋼絲繩網(wǎng)采用點(diǎn)面接觸。

在落石尺寸和動(dòng)能一定條件下，通過(guò)改變落石密度來(lái)改變落石動(dòng)量，來(lái)探究落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的影響。考慮常見巖石密度在2 000～3 000 kg/m3，建立落石動(dòng)能300 kJ，動(dòng)量為42×103～50×103? kg·m/s五個(gè)不同工況，見表2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖4為落石沖擊能量和沖擊時(shí)間的關(guān)系示意圖，從中可以看到隨著動(dòng)量的增大，落石沖擊時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，沖擊時(shí)間從0.42 s延長(zhǎng)到0.51 s，延長(zhǎng)了21.42 %，說(shuō)明落石動(dòng)量的大小對(duì)于能量耗散的快慢影響很大，落石動(dòng)量大，能量耗散時(shí)間長(zhǎng)。這是由于落石動(dòng)量越大，落石質(zhì)量就越大，相應(yīng)落石在沖擊鋼絲繩網(wǎng)時(shí)加速度就越小，所以落石作用時(shí)間就越長(zhǎng)，落石能量耗散時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖5為落石沖擊力和沖擊時(shí)間的關(guān)系示意圖。可以看到落石動(dòng)量越小，落石沖擊力峰值就越大。落石沖擊力最大156.49 kN，最小為146.37 kN，相差僅6.35 %，差距不大。說(shuō)明動(dòng)量對(duì)落石沖擊力峰值影響不大。此外從圖中可以看出，落石動(dòng)量較小時(shí)，落石沖擊力增大較快，這與落石動(dòng)量越小，落石初始速度越大，網(wǎng)片法向位移增長(zhǎng)較快有關(guān)。

圖6為落石沖擊力和落石沖擊點(diǎn)位移的關(guān)系示意圖。從中可以看出不同落石動(dòng)量下落石沖擊力與落石沖擊點(diǎn)位移的關(guān)系曲線基本重合。這是因?yàn)橐环矫媛涫瘺_擊力與落石沖擊點(diǎn)位移之比與結(jié)構(gòu)自身的布置有關(guān)，另一方面落石沖擊點(diǎn)位移也僅與落石沖擊能量與關(guān)。所以落石動(dòng)量對(duì)落石沖擊點(diǎn)位移無(wú)影響。

從上面的分析可以看出落石動(dòng)量主要影響落石的能量耗散快慢，對(duì)落石沖擊力和落石沖擊點(diǎn)位移基本無(wú)影響。為進(jìn)一步考察落石動(dòng)量對(duì)能量耗散分布規(guī)律，下面對(duì)被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)各構(gòu)件的耗能情況進(jìn)行分析。

圖7落石動(dòng)量為I=42×103 kg·m/s時(shí)各構(gòu)件的耗能占比，可見減壓環(huán)是主要耗能構(gòu)件，通過(guò)其余落石動(dòng)量的各構(gòu)件耗能占比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件耗能占比變化很小。所有落石動(dòng)量參數(shù)主要影響的是被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的能量耗散時(shí)間，對(duì)各構(gòu)件的耗能占比影響非常小。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)相同動(dòng)能、相同尺寸、不同動(dòng)量的落石進(jìn)行參數(shù)化分析，對(duì)落石能量、落石沖擊力、沖擊點(diǎn)位移和各組成構(gòu)件的耗能情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)落石的能量耗散時(shí)間影響很大。相同落石尺寸和動(dòng)能條件下，落石動(dòng)量越大，耗能時(shí)間越長(zhǎng)，能量耗散時(shí)間可延長(zhǎng)21.34 %。

（2）落石動(dòng)量參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能影響較小，對(duì)各構(gòu)件的耗能占比基本無(wú)影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 陽(yáng)友奎， 原振華，楊濤.柔性防護(hù)系統(tǒng)及其工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[2] TB/T 3089—2004 鐵路沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)[S].

[3] 劉成清，陳林雅，齊欣.落石沖擊作用下不同連接方式被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的受力分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2016，37（2）：17-25.

[4] 孫波，石少卿，汪敏.落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)能量衰減規(guī)律分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21（4）：34-38.

[5] TB/T 3449-2016鐵路邊坡柔性被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品落石沖擊試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)[S].

[6] 齊欣.柔性被動(dòng)攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.