落石沖擊作用下被動柔性防護網整體結構試驗

劉成清，陳林雅，陳 馳，韋 韜

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

被動柔性防護網于20世紀50年代開發(fā)，對各類斜坡坡面崩塌落石、風化剝落和雪崩等災害起到了良好的防護效果，在國內外已得到廣泛應用［1-7］。在國外，典型的如日本立山町邊坡、美國霍姆斯特煤礦、南非開普海濱公路等處(圖1)。我國自1995年引入，如黔桂鐵路南丹至河池段、北京八達嶺高速公路、金溫鐵路沿線等處均利用被動柔性防護網對落石進行防護(圖2)。被動柔性防護網在適用性、安全性、經濟性和環(huán)保性等方面體現(xiàn)出了顯著優(yōu)越性。

圖1 日本被動柔性防護網工程Fig.1 Passive flexible protection in Japan

圖2 中國被動柔性防護網工程Fig.2 Passive flexible protection in Chinese

目前，一些學者利用理論、試驗及數(shù)值模擬等方法研究被動柔性防護網，主要涉及崩塌落石、系統(tǒng)組件及整體受力性能研究三個方面。其中，Cazzani等［8］數(shù)值模擬了落石撞擊被動柔性防護網過程，關注了沖擊點及落石尺寸對整體性能的影響;而Gentilini等［9］研究了數(shù)值模擬中三維模型石塊對系統(tǒng)性能的影響;Thoenia等［10］通過準靜態(tài)和動態(tài)試驗研究，提出了伴隨有扭曲變形的鋼繩網離散接觸模型，但未考慮鋼繩網的局部彎曲變形;del Coz Díaz等［11］進行了新型減壓環(huán)顯式非線性分析及受力行為研究，但文中一些處理方式有待進一步研究，如單元類型及實常數(shù)的選擇;Bertrand等［12］對落石沖擊被動柔性防護網進行了試驗研究和數(shù)值模擬分析，提出“窗簾效應”的概念，即金屬網沿支撐繩滑動的現(xiàn)象。在國內，葉四橋等［13-14］試驗研究了落石運動規(guī)律并對比分析了5種常用落石沖擊力算法;任鑫［15］參考Giacominia等［16］的研究成果，考慮碎石影響，進行現(xiàn)場試驗，基于正交試驗分析法分析了多種因素的綜合作用;汪敏等［17-18］先后研究了減壓環(huán)和錨桿的受力性能;劉運濤［19］和周曉宇等［20］分別數(shù)值模擬了被動柔性防護網，不過，兩者在數(shù)值模擬時均未設置減壓環(huán)，前者通過適當降低系統(tǒng)抗沖擊能量來考慮減壓環(huán)的影響，而后者直接忽略，且均忽略了落石破碎的影響。

盡管被動柔性防護網應用廣泛，但并不是所有工程技術人員對其系統(tǒng)的構成、特點、基本原理等方面，有明確而系統(tǒng)的認識;而且，落石沖擊動能、防護網結構特性、減壓環(huán)及鋼繩網等系統(tǒng)構件的受力性能對作用于結構上的沖擊力和變形以及耗能的影響較為復雜，為此，有必要進行足尺模型落石沖擊試驗以研究結構響應及耗能特點，為被動柔性防護網的結構設計及分析提供一定的參考依據。

1 被動柔性防護網的構成及原理

1.1 被動柔性防護網的構成

被動柔性防護網是指由金屬柔性網(鋼絲繩網、格柵網等)、固定系統(tǒng)(錨桿、拉錨繩、基座和支撐繩等)、減壓環(huán)和鋼柱四部分構成，利用組件之間的拉壓平衡形成弱張力集成體系，并以攔截形式來防護地質災害的柔性安全防護系統(tǒng)技術和產品［21］，其常見構成形式如圖3所示。

圖3 被動柔性防護網斷面圖Fig.3 Sectional drawing of passive flexible protection

(1)金屬柔性網:包括鋼絲繩網、格柵網等，是系統(tǒng)的主要特征構成部分，且往往是遭受沖擊的第一部分，把來自于落石的沖擊荷載傳遞到支撐繩、拉錨繩、減壓環(huán)等部件，并最終傳遞給錨桿。金屬柔性網常用熱鍍鋅的高強度鋼繩加工而成(分為菱形和環(huán)形網孔，其中環(huán)形網亦可由鋼絞線加工而成)，以達到防腐目的。

(2)固定系統(tǒng):包括錨桿、拉錨繩、基座和支撐繩等，是系統(tǒng)主要傳力構件，實現(xiàn)結構整體協(xié)調變形。其中，柔性雙股鋼絲繩錨桿與各拉錨繩相連，采用套管的環(huán)型設計，能很好地吸收高沖擊荷載，同時柔韌性能良好，并可通過調節(jié)拉錨繩張緊程度和張拉長度來調節(jié)系統(tǒng)的傾斜角度。

(3)減壓環(huán):減壓環(huán)對稱布置在支撐繩及拉錨繩上，對系統(tǒng)起過載作用，可以避免金屬柔性網、鋼柱等其他部件發(fā)生嚴重破壞。當與減壓環(huán)連接的構件所受拉力達到某一閾值時，減壓環(huán)啟動并通過位移變形來吸收能量，從而有效提高被動柔性防護網系統(tǒng)的防護能力。

(4)鋼柱:鋼柱的主要作用是作為系統(tǒng)的直立支架，鋼柱與基座間的可動連接確保了鋼柱遭受直接沖擊時基座地腳螺栓免遭破壞。

1.2 被動柔性防護網的基本原理

被動柔性防護網是金屬柔性網、固定系統(tǒng)、減壓環(huán)及鋼柱組成的統(tǒng)一整體。其中，系統(tǒng)的柔性主要來自于金屬柔性網和減壓環(huán)，并通過不斷優(yōu)化各單元組件的連接以達到系統(tǒng)的柔性匹配，通過合理的計算和設計使系統(tǒng)具有足夠的強度和柔性，以承受并擴散落石沖擊力，形成攔截屏障，利用系統(tǒng)的變形能力，延長落石對攔截系統(tǒng)的作用時間，來削弱沖擊力，同時不斷吸收和消化沖擊動能，達到防護落石的目的。

當落石沖擊被動柔性防護網時，系統(tǒng)變形過程可分為三個階段:第一階段，沖擊力首先通過金屬柔性網消散，由初始平衡狀態(tài)轉換為繃緊狀態(tài)，主要體現(xiàn)為網片由松弛狀態(tài)被拉緊，并將剩余荷載從沖擊點向繩網系統(tǒng)周邊逐級傳遞;第二階段，富余的作用力傳遞至邊沿的支撐繩，并拉動支撐繩沿著鋼柱端部的鞍座滑動，沖擊變形及支撐繩中拉力逐步增大，當支撐繩上作用力超過減壓環(huán)的啟動力閾值時，支撐繩上減壓環(huán)啟動，開始耗散沖擊能量，此時，鋼柱也受到作用力的影響，但其變形很小;第三階段，隨著沖擊作用進一步加大，支撐繩進一步滑動，金屬柔性網變形更加明顯，支撐繩傳遞給鋼柱的豎向力分量急劇增大，拉錨繩減壓環(huán)啟動，鋼柱產生下擺而使系統(tǒng)獲得新的耗能能力，最終將系統(tǒng)內作用力傳遞到錨固基巖和地層，作用力的傳遞方式如圖4所示。

圖4 被動柔性防護網作用力傳遞方式圖Fig.4 Force transfer diagram of passive flexible protection

2 被動柔性防護網在落石沖擊作用下力學性能的試驗研究

目前，美國以及歐盟等國規(guī)范對防護網進行了較為細致的規(guī)定［22］。我國僅有的兩部標準中［21，23］，對產品的檢驗，如錨繩、減壓環(huán)等給出了靜力檢驗的方法和要求，但對系統(tǒng)整體性能檢驗方法及系統(tǒng)設計方法的規(guī)定則是空白，被動柔性防護市場的設計和施工有待進一步規(guī)范。因此，有必要進行落石作用下被動柔性防護網足尺模型的沖擊試驗，以研究系統(tǒng)受到沖擊之后的整體變形及減壓環(huán)、鋼柱等關鍵構件的耗能和破壞機理。

2.1 被動柔性防護網足尺模型沖擊試驗

圖5所示為落石沖擊試驗裝置，由反力墻、沖擊池和測試設備等組成。其中，反力墻高度和寬度方向均勻布設有定位孔，用于安裝被動柔性防護網試驗模型;沖擊池具有足夠空間能滿足系統(tǒng)變形的需求;使用龍門吊提升沖擊石塊，以獲得試驗所需沖擊動能，并設置各類檢測儀器，用于監(jiān)測試驗模型的動力響應。

圖5 落石沖擊試驗裝置Fig.5 Rock fall impact tester

以RX型被動柔性防護網為原型，標準試驗模型為3跨，每跨間距為10m，鋼柱高度為5m，通過調節(jié)拉錨繩張緊程度和張拉長度來調節(jié)鋼柱的傾斜角度，使其與落石軌跡接近垂直。模型詳細參數(shù)如表1所示。為更好的模擬實際落石塊體，落石模型選用切角的二十六面體(圖6)。由于落石的尺寸和沖擊速度對系統(tǒng)的破壞方式會產生影響［24-25］，為防止“子彈效應”的發(fā)生，我們采用動能-勢能轉換方程來控制落石的沖擊能量和沖擊速度。其中，被動柔性防護網的系統(tǒng)布置及構件編號如圖7所示。

表1 RX型防護系統(tǒng)構件表Table 1 Details of RX

圖6 落石模型Fig.6 Rock fall model

圖7 被動柔性防護網模型布置及構件編號圖Fig.7 Model layout and component number diagram of the passive flexible protection

試驗時，按照正確的施工順序將被動柔性防護網試驗模型安裝于反力墻上，試驗模型安裝如圖8～10所示。使用龍門吊將沖擊石塊提升到一定高度，校準位置后，自動脫鉤釋放石塊，沖擊測試防護網模型的中跨中心位置處。在相同模型，相同試塊及釋放高度的條件下，先后進行兩次沖擊試驗T-1和T-2，以研究被動柔性防護網在連續(xù)落石沖擊作用下的動力響應，落石沖擊試驗值如表2所示。

圖8 試驗模型安裝示意圖Fig.8 Schematic diagram of the test model

圖9 鋼柱頂部系統(tǒng)構件安裝圖Fig.9 The component installation diagram on the top of the steel column

圖10 試驗模型安裝完成圖Fig.10 The installation diagram of the test model

表2 落石沖擊試驗值Table 2 The impact test value

2.2 落石沖擊試驗現(xiàn)象與結果分析

T-1沖擊試驗后，沖擊試塊被防護網成功攔截，整體結構變形不大。跨2防護網發(fā)生較大變形;柱2、柱3和柱4分別向落石沖擊作用位置方向發(fā)生偏移，變形量較小，柱4稍向上翹曲;下支撐繩多個減壓環(huán)已經啟動，上拉錨繩減壓環(huán)個別已經啟動，而上支撐繩減壓環(huán)未見動作，整體變形如圖11(a)所示。

T-2沖擊試驗后，沖擊試塊也被成功攔截，但整個結構變形較大，4根鋼柱發(fā)生較明顯的彎曲及變形，同時出現(xiàn)鋼柱3的柱腳處用于安裝下支撐繩的部件在焊接位置斷裂的情況，防護系統(tǒng)已經無法再承受落石沖擊，整體變形如圖11(b)所示。

圖11 沖擊試驗T-1和T-2整體變形圖Fig.11 The deformation diagram after T-1 impact test(a)and T-2 impact test(b)

2.2.1 被動柔性防護網變形結果分析

兩次落石沖擊試驗后，沖擊試塊均被被動柔性防護網成功攔截，且試驗T-2較T-1的結構變形大，不能繼續(xù)承受落石沖擊。分別統(tǒng)計兩次落石沖擊后被動柔性防護網變形情況的兩種變形結果。示意如圖12、圖13所示，其具體的變形值如表3所示。

可知，落石沖擊防護網前后兩次最大垂直變形Hn的變化率分別為312%和10%，說明鋼繩網是最主要的耗能構件，通過變形能力耗散落石能量，且具有很高的強度和彈塑性內能吸收能力，其中塑性變形能力不可忽視;而前后兩次的上下支撐繩之間的最小距離Hr的變化率分別為39%和14%，說明上下支撐繩對鋼繩網豎向變形影響很大，同時，由于上支撐繩能直接將沖擊力傳遞至斜拉錨繩，是影響三階段變形理論的關鍵。

分析表3及各傳感器數(shù)據，發(fā)現(xiàn)落石沖擊發(fā)生后，防護網伴隨微幅振動，但由于系統(tǒng)充分耗能，兩次試驗均未見落石二次彈起現(xiàn)象，說明現(xiàn)在大多數(shù)研究者在數(shù)值模擬過程中忽略二次回彈效應對被動柔性防護網整體受力性能的影響是合適的。另外，在落石沖擊作用下，被動柔性防護網由初始的平衡狀態(tài)變成緊繃狀態(tài)，如圖14(a)所示，隨后，支撐繩、減壓環(huán)、鋼柱等系統(tǒng)構件充分發(fā)揮耗能作用，如圖14(b)所示，很好的體現(xiàn)了三階段變形理論及作用力傳遞方式。

圖12 跨2上下支撐繩間的最小距離(Hr)Fig.12 The minimum distance between longitudinal ropes in the second cross(Hr)

圖13 跨2防護網的最大垂直變形(Hn)Fig.13 The maximum vertical deformation in the second cross(Hn)

表3 防護系統(tǒng)變形值(mm)Table 3 The deformation value of the passive flexible protection

2.2.2 減壓環(huán)變形結果分析

T-1沖擊試驗后，下支撐繩減壓環(huán)均已啟動且發(fā)生明顯變形，上拉錨繩減壓環(huán)僅2號和5號啟動，但上支撐繩減壓環(huán)均未啟動;T-2沖擊試驗后，減壓環(huán)啟動情況與T-1相似，區(qū)別在于此次拉伸的長度較T-1大，且此次上支撐繩減壓環(huán)有4個啟動并發(fā)揮耗能作用。

圖14 落石沖擊作用下被動柔性防護網變形圖Fig.14 Deformation of the passive flexible protection against rock-fall impact

說明T-1沖擊試驗中下支撐繩拉力超過了減壓環(huán)的啟動力閾值，使得下支撐繩減壓環(huán)啟動，開始耗散沖擊能量，而上支撐繩減壓環(huán)在T-2沖擊試驗中才達到啟動力閾值，我們發(fā)現(xiàn)雖然上下支撐繩的工作性態(tài)具有相似性，但由于支撐剛度不同，下支撐繩拉力更大，使得下支撐繩減壓環(huán)啟動更早且更充分，且上支撐繩減壓環(huán)在拉錨繩減壓環(huán)啟動后基本不再伸長，耗能能力未完全發(fā)揮。

同時，根據試驗中減壓環(huán)的變形情況，減壓環(huán)的變形過程經歷了兩個階段:第一階段，預啟動階段，即鋼管克服鋁管套筒摩擦做功階段，與兩者之間的靜動態(tài)摩擦系數(shù)和鋁管套筒對鋼管的預緊力有關;第二階段，變形階段，即突破啟動力閾值進入變形階段，表現(xiàn)為圓環(huán)從大到小，管截面由圓變扁(圖15)。

2.2.3 鋼柱變形結果分析

T-1沖擊試驗后，鋼柱沒有明顯的水平和豎向變形，只是伴隨有輕微扭轉變形。而在T-2沖擊試驗后，柱1在水平方向發(fā)生明顯的彎曲變形(圖16);柱2、3、4均發(fā)生較大水平和豎向位移，并伴隨有輕微彎曲變形，且在鋼柱3的柱腳處用于安裝下支撐繩的構件在焊接位置斷裂，使得防護系統(tǒng)已經無法再次承受落石沖擊(圖17)。

圖15 T-2沖擊試驗后上錨減壓環(huán)5變形圖Fig.15 The deformation diagram of the ring-break energy dissipater 5 on the uphill cables after T-2 impact test

圖16 T-2沖擊試驗后鋼柱1變形圖Fig.16 The deformation diagram of Steel column 1 after T-2 impact test

圖17 T-2沖擊試驗后鋼柱3柱腳脫落圖Fig.17 The exfoliated column base diagram after T-2 impact test

由于鋼柱是被動柔性防護網系統(tǒng)中唯一的受壓構件，依托鋼柱與支撐繩、鋼繩網的拉壓平衡，系統(tǒng)處于拉壓平衡狀態(tài)，且鋼柱一般以銷鉸固定于基礎上，在鉛垂面內具有充分的轉動能力，因此，正常條件下鋼柱始終處于軸壓狀態(tài)，但T-2沖擊試驗后，柱1的面外轉動受到了約束，支撐繩在柱端鞍座位置由于受到較大摩擦或者滑移卡阻，鋼柱受力狀態(tài)由軸壓轉變?yōu)閴簭潱瑢е落撝?發(fā)生壓潰破壞;落石沖擊作用下，鋼繩網帶動支撐繩發(fā)生較大水平滑移，即Bertrand等［12］提出的“窗簾效應”，系統(tǒng)發(fā)生內力重分布，又由于支撐剛度不同，下支撐繩拉力更大，造成鋼柱3柱腳處發(fā)生了剪切破壞。

3 結論

通過足尺模型落石沖擊試驗，詳細介紹了被動柔性防護網系統(tǒng)的傳力機理和沖擊響應，得出以下幾點結論:

(1)與傳統(tǒng)的圬工防護結構相比，被動柔性防護網已實現(xiàn)產品的標準化，耗能效果顯著，建設及維修成本較低，并最大限度地保護了周邊環(huán)境，在適用性、安全性、經濟性和環(huán)保性等方面具有顯著優(yōu)越性，值得推廣和應用。

(2)由于被動柔性防護網整體結構性能檢驗和設計方法等方面研究的匱乏，開展落石沖擊作用下被動柔性防護網結構模型試驗，有利于探索其受力傳遞機理、沖擊響應分析，可為研究并提出落石沖擊作被動柔性防護網結構整體結構的設計理論做基礎數(shù)據的積累和準備。

(3)落石沖擊試驗表明:鋼繩網是最主要的耗能構件且上下支撐繩對鋼繩網的豎向變形影響很大;雖然上下支撐繩的工作性態(tài)具有相似性，但由于支撐剛度不同，下支撐繩拉力更大;落石沖擊試驗發(fā)生后，防護網伴隨微幅振動，在數(shù)值模擬過程中忽略二次回彈效應對系統(tǒng)整體受力性能的影響是合適的。

(4)目前被動柔性防護網研究和設計多基于高度簡化的理論模型，使得構件耗能性能未能得到充分發(fā)揮或局部構件不能滿足均衡化要求，導致材料浪費甚至因局部破壞而喪失承載能力，因此，實現(xiàn)系統(tǒng)組件的優(yōu)化設計是下一步研究的重點。

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