落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)能量衰減規(guī)律分析

孫 波，石少卿，汪 敏

(后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶 401311)

落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)能量衰減規(guī)律分析

孫 波，石少卿，汪 敏

(后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶 401311)

介紹了被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的基本原理，建立了RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的有限元模型，采用LS-DYNA軟件分析了不同直徑、不同初始動(dòng)能的落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)落石能量衰減規(guī)律。分析結(jié)果表明:落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)反彈時(shí)，在初始動(dòng)能相同時(shí)，落石能量隨直徑增加衰減時(shí)間變長(zhǎng);當(dāng)落石穿透被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，在落石尺寸相同時(shí)，隨著初始動(dòng)能增加，落石能量衰減值減少，衰減時(shí)間變短。該結(jié)論可以為被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)提供一定的參考，也可為落石防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

落石;沖擊;能量;數(shù)值模擬;能量衰減;被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

落石是指?jìng)€(gè)別塊石因某種原因從地質(zhì)體表面失穩(wěn)后經(jīng)過(guò)下落、回彈、跳躍、滾動(dòng)或滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式中的一種或幾種的組合沿著坡面向下快速運(yùn)動(dòng)，最后在較平緩的地帶或障礙物附近靜止下來(lái)的動(dòng)力演化過(guò)程［1］。近年來(lái)，隨著山區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，大量的基礎(chǔ)設(shè)施投入使用，落石引起的災(zāi)害比較頻繁，特別是在鐵路、公路、礦山建設(shè)等方面的落石災(zāi)害比較突出，嚴(yán)重影響著人們的安定生活?；诖耍灾鲃?dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)為代表的落石防治技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用較為普遍，其中柔性防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用尤其廣泛。該系統(tǒng)是瑞士布魯克集團(tuán)于20世紀(jì)50年代開發(fā)的一種邊坡地質(zhì)防治技術(shù)，其早期的開發(fā)目的或防治對(duì)象主要是針對(duì)各類斜坡坡面崩塌落石、風(fēng)化剝落和雪崩等災(zāi)害現(xiàn)象，并根據(jù)不同的災(zāi)害特征逐漸形成了以鋼絲繩網(wǎng)、高強(qiáng)度鋼絲格柵和環(huán)形網(wǎng)等高強(qiáng)度柔性網(wǎng)所構(gòu)成的被動(dòng)攔截、主動(dòng)加固和圍護(hù)等結(jié)構(gòu)形式［2］。柔性防護(hù)系統(tǒng)包含主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，與主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)相比，被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)布置較為靈活多變，在攔截落石、減少落石威脅方面發(fā)揮著重大作用。在落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)過(guò)程中，落石的能量會(huì)發(fā)生衰減，而被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)則通過(guò)變形耗散落石的能量，從被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)耗能效率來(lái)說(shuō)，落石能量衰減過(guò)程與被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)耗能性能密切相關(guān)，因此分析爆炸落石能量衰減過(guò)程對(duì)于被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)耗能性能評(píng)價(jià) 及 設(shè) 計(jì) 具 有 重 要 的 意 義。A.Cazzani［3］、F.Nicot［4］、David Bertrand［5］對(duì)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析;D.Peila［6］和 Guido Gottardi［7］對(duì)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)變形及吸收能量的情況。從落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的研究來(lái)看，目前的研究主要集中于被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)參數(shù)分析及能量耗散分析方面，而對(duì)于落石能量衰減過(guò)程分析不多見?？紤]到落石能量衰減對(duì)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)耗散能量的重要性，本文采用LS-DYNA軟件對(duì)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)能量衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)基本原理

被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(圖1)主要由鋼柱、減壓環(huán)、拉錨系統(tǒng)、支撐繩及鋼絲繩網(wǎng)組成柔性結(jié)構(gòu)［8］，承受并擴(kuò)散落石沖擊力，形成攔截屏障，利用系統(tǒng)的變形能力，延長(zhǎng)落石對(duì)攔截系統(tǒng)的作用時(shí)間，大大削弱沖擊力，同時(shí)不斷吸收和消化沖擊動(dòng)能，達(dá)到防護(hù)落石的目的。

被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在落石沖擊過(guò)程中主要通過(guò)各構(gòu)件耗散落石能量，其中鋼絲繩網(wǎng)是最主要的耗能構(gòu)件，由于鋼絲繩網(wǎng)具有很高的強(qiáng)度和彈性內(nèi)能吸收能力，落石的能量大部分通過(guò)鋼絲繩網(wǎng)的彈塑性變形被吸收，少部分則傳遞給支撐繩、拉錨繩等構(gòu)件，并最終傳給錨桿，同時(shí)當(dāng)落石能量較大時(shí)，減壓環(huán)可以通過(guò)啟動(dòng)位移吸收部分能量，但其吸收的能量遠(yuǎn)小于鋼絲繩網(wǎng)吸收的能量，其余構(gòu)件包括支撐繩、拉錨繩、鋼柱、錨桿等主要對(duì)系統(tǒng)起支撐約束作用，吸收的能量可以忽略不計(jì)。

圖1 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of passive protection system

2 數(shù)值計(jì)算模型和材料參數(shù)

2.1 落石的基本模型和參數(shù)

當(dāng)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，在防護(hù)網(wǎng)的攔截作用下，落石與防護(hù)網(wǎng)接觸后主要有反彈和穿透兩種狀態(tài)，即落石或者被防護(hù)網(wǎng)彈回，或者穿透防護(hù)網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。就一般來(lái)說(shuō)，大尺寸的落石容易反彈，而小尺寸同時(shí)能量較大的落石將穿透防護(hù)網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。為考察落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的能量衰減規(guī)律，我們將從落石反彈和穿透防護(hù)網(wǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，落石反彈時(shí)的基本尺寸取為 0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m，初始動(dòng)能分別為 150kJ，200kJ，250kJ，落石穿透防護(hù)網(wǎng)的基本尺寸取為0.3m，初始動(dòng)能分別為250kJ、300kJ、350kJ、400kJ。數(shù)值模擬時(shí)落石簡(jiǎn)化為球體，采用LS-DYNA中SOLID164實(shí)體單元和剛體模型，不考慮落石在沖擊過(guò)程中的破壞情況，同時(shí)忽略空氣阻力和重力作用，并假定落石作用在被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中心，落石的基本材料參數(shù)見表1。

2.2 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的基本模型和參數(shù)

以目前國(guó)內(nèi)常用的RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，RXI-050被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成如下:系統(tǒng)中鋼柱高度為4m，鋼柱間距為10m，環(huán)形網(wǎng)采用 R7/3/300，即由直徑為3mm的鋼絲、盤結(jié)7圈，按網(wǎng)孔內(nèi)切圓直徑300mm編織成的環(huán)形網(wǎng)［9］，上下支撐繩采用φ22單繩，上拉錨繩采用φ18單繩，鋼柱選用16號(hào)工字鋼。被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)平面及立面布置圖見圖2、圖3所示。

根據(jù)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的基本原理，考慮到錨桿破壞滯后于其他構(gòu)件的破壞，且錨桿對(duì)柔性防護(hù)系統(tǒng)能量耗散的貢獻(xiàn)不大，因此建立被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)模型時(shí)用固定約束代替錨桿的作用，同時(shí)當(dāng)落石速度較大時(shí)減壓環(huán)不能及時(shí)啟動(dòng)發(fā)揮耗能作用，且減壓環(huán)在整個(gè)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中耗能性能遠(yuǎn)小于防護(hù)網(wǎng)的性能，故計(jì)算模型中忽略減壓環(huán)的影響，按照RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)基本尺寸建立有限元模型如圖4所示。

圖2 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)立面布置圖Fig.2 Facade layout of passive protection system

圖3 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)立面布置圖Fig.3 Planar layout of passive protection system

圖4 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)有限元計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of passive protection system

根據(jù)布魯克(成都)工程有限公司提供的鋼絲繩破斷拉力的相關(guān)參數(shù)［10］，取圓環(huán)等效截面面積為 A1=35.2mm2，等效截面半徑為 r1=3.35mm;上下支撐繩等效截面面積為A2=171.0mm2，等效截面半徑為r2=7.38mm;側(cè)向拉錨繩等效截面面積為A3=248.4mm2，等效截面半徑為 r3=8.89mm;上拉錨繩等效截面面積為A4=124.2mm2，等效截面半徑為r4=6.29mm。

數(shù)值模擬時(shí)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中支撐繩、側(cè)向拉錨繩、鋼柱采用link160單元進(jìn)行模擬，該模型只能考慮材料受到軸力的作用，不能承受彎矩，對(duì)圓環(huán)采用beam161單元進(jìn)行模擬，主要考慮圓環(huán)能在拉伸過(guò)程中承受一定的彎矩。支撐繩、拉錨繩、環(huán)形網(wǎng)的材料采用高強(qiáng)度鋼絲繩編織，鋼柱選用Q235鋼制作，選用的模型均采用塑性隨動(dòng)模型，該模型可以考慮單元失效及破壞效果。圖5～圖6分別給出了Q235鋼和鋼絲繩的應(yīng)力應(yīng)變曲線，表1給出了Q235鋼和鋼絲繩的基本參數(shù)。

圖5 Q235鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of Q235

圖6 鋼絲繩應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of wire rope

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Materials mechanical properties

在落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)過(guò)程中，鋼絲繩材料應(yīng)變變化速率較大，這將對(duì)彈塑性材料的硬化行為產(chǎn)生較大影響，計(jì)算中采用Cowper-symonds模型來(lái)考慮材料的塑性應(yīng)變效應(yīng)，用與應(yīng)變率有關(guān)的因數(shù)表示屈服應(yīng)力:

式中:σy——考慮應(yīng)變率影響的屈服應(yīng)力;

σ0——初始屈服應(yīng)力;

Ep——塑性硬化模量;

C，P——Cowper-symonds應(yīng)變率參數(shù)，對(duì)于鋼材可分別取 C=40，P=5。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)反彈時(shí)能量衰減規(guī)律

落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)鋼絲繩網(wǎng)耗散能量，從一般來(lái)說(shuō)，落石能量越大，防護(hù)網(wǎng)變形越大，落石能量越小，防護(hù)網(wǎng)變形越小。當(dāng)落石沖擊防護(hù)網(wǎng)反彈后，防護(hù)網(wǎng)的部分彈性變形能夠恢復(fù)，圖7給出了落石反彈時(shí)的圖像。

圖7 落石沖擊防護(hù)網(wǎng)反彈Fig.7 Rebound of rockfalls impact protection net

從圖中可以看出，伴隨著防護(hù)網(wǎng)變形，落石在與防護(hù)網(wǎng)接觸過(guò)程中能量先是迅速衰減，并在防護(hù)網(wǎng)達(dá)到最大變形時(shí)開始反彈，當(dāng)落石脫離防護(hù)網(wǎng)接觸時(shí)，落石能量趨于穩(wěn)定。我們把落石能量從初始動(dòng)能到零的變化時(shí)間稱為衰減時(shí)間，圖8～圖10給出了落石沖擊防護(hù)網(wǎng)反彈時(shí)能量時(shí)間曲線，表2給出了落石能量衰減時(shí)間。

圖8 150kJ時(shí)防護(hù)網(wǎng)能量時(shí)間曲線Fig.8 Energy-time curve of 150kJ protection net

由落石能量時(shí)間曲線(圖8)可以看出，落石在與防護(hù)網(wǎng)接觸時(shí)能量衰減非?？欤煌r下落石能量衰減時(shí)間基本控制在0.3s以內(nèi)，且隨后落石反彈能量增加比較明顯，這說(shuō)明被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)對(duì)耗散落石能量效果比較好。從表2提供的不同工況下落石能量衰減時(shí)間可知，當(dāng)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)初始動(dòng)能相同時(shí)，落石直徑越大，落石能量衰減時(shí)間越長(zhǎng)。

圖9 200kJ時(shí)防護(hù)網(wǎng)能量時(shí)間曲線Fig.9 Energy-time curve of 200kJ protection net

圖10 250kJ時(shí)防護(hù)網(wǎng)能量時(shí)間曲線Fig.10 Energy-time curve of 250kJ protection net

表2 落石沖擊防護(hù)網(wǎng)反彈時(shí)的能量衰減時(shí)間Table 2 Attenuation time of the energy of rockfalls impact protection net

3.2 落石穿透被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)能量衰減規(guī)律

落石穿透防護(hù)網(wǎng)的現(xiàn)象一般可稱之為“子彈效應(yīng)”，在這個(gè)過(guò)程中，防護(hù)網(wǎng)會(huì)發(fā)生局部破壞，同時(shí)落石能量也會(huì)衰減，圖11給出了落石穿透防護(hù)網(wǎng)的圖像，圖12給出了落石穿透防護(hù)網(wǎng)時(shí)能量時(shí)間曲線。由落石能量時(shí)間曲線可以看出，落石與防護(hù)網(wǎng)接觸時(shí)能量開始衰減，且衰減速度很快，當(dāng)落石穿透防護(hù)網(wǎng)之后，落石能量保持穩(wěn)定。

圖11 落石穿透防護(hù)網(wǎng)Fig.11 Penetration of rockfalls impact protection net

圖12 落石穿透防護(hù)網(wǎng)時(shí)能量時(shí)間曲線Fig.12 Energy-time curve of rockfalls penetrating into protection net

表3給出了落石能量衰減時(shí)間和衰減值，比較可知，隨著初始動(dòng)能的增加，落石的能量衰減時(shí)間越短，能量衰減越少，這說(shuō)明落石初始動(dòng)能越大，落石與防護(hù)網(wǎng)接觸作用時(shí)間越短，防護(hù)網(wǎng)沒(méi)有充分發(fā)揮變形耗能作用，因此對(duì)這部分落石應(yīng)采取提高防護(hù)網(wǎng)性能或者采取多道攔截的方式進(jìn)行防護(hù)。

表3 落石穿透防護(hù)網(wǎng)時(shí)能量衰減計(jì)算結(jié)果Table 3 The attenuation calculation result of rockfalls’energy of penetrating into protection net

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)能量衰減規(guī)律研究，可以得到如下結(jié)論:

(1)在落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)過(guò)程中，落石無(wú)論是反彈還是穿透防護(hù)網(wǎng)均伴隨著能量的衰減，其中落石反彈時(shí)能量衰減作用尤其明顯。

(2)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)反彈時(shí)，當(dāng)初始動(dòng)能相同時(shí)，落石直徑越大，能量衰減時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)落石穿透防護(hù)網(wǎng)時(shí)，當(dāng)落石尺寸相同時(shí)，隨著初始動(dòng)能增加，落石的能量衰減時(shí)間越短，能量衰減越少。

(4)落石沖擊被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，大尺寸的落石容易反彈，小尺寸的落石容易穿透，且穿透后落石的能量衰減不多，這對(duì)改善被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的性能和優(yōu)化攔截方式提出了要求。

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［10］柔性防護(hù)網(wǎng)(主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng))檢驗(yàn)報(bào)告［R］.成都:布魯克(成都)工程有限公司，2003.

Analysis of the rhythm of energy attenuation when rockfalls impact on the passive protection system

SUN Bo，SHI Shao-qing，WANG Min
(Dept.of Architecture＆Civil Engineering，LEU，Chong qing 401311，China)

Passive protection system is introduced，and the finite element model of RXI-050 is established.LSDYNA is applied to analysis the energy attenuation of rockfalls with different diameters and different initial kinetic energy which impact on the passive protection system.The results show that the times of energy attenuation will increase with the addition of rockfalls’diameters when rockfalls with the same initial kinetic energy rebound after impacting on the flexible passive system，then the values and times will reduce with the increasing of initial kinetic energy when rockfalls with the same diameters penetrate into the flexible passive system.The conclusion provides a reference for improving the function of flexible passive system，and it also provides a foundation for the designing of rockfalls protection.

rockfall;impact;energy，numerical simulation;rhythem of energy attenuation;passive prevention system

1003-8035(2010)04-0034-05

U213.83

A

2010-07-07;

2010-09-02

總后基建營(yíng)房部資助項(xiàng)目

孫 波(1982—)，男，碩士，主要從事防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程方面的研究工作。

E-mail:bobbysue@126.com