被動柔性防護網結構足尺沖擊試驗研究

齊　欣， 余志祥，2，3， 許　滸，趙雅娜，趙世春

(1.西南交通大學土木工程學院，成都　610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031；3.長安大學橋梁結構安全技術國家工程實驗室，西安　710064)

?

被動柔性防護網結構足尺沖擊試驗研究

齊欣1， 余志祥1，2，3， 許滸1，趙雅娜1，趙世春1

(1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031；3.長安大學橋梁結構安全技術國家工程實驗室，西安710064)

摘要：為研究被動柔性防護網結構的落石防護性能，設計2組防護能級為750 kJ的柔性被動防護網結構，進行足尺沖擊試驗研究。模型1為按照現有標準所選型得到的系統配置；模型2為改進后的柔性被動防護網結構。試驗結果表明：模型1無法攔截750 kJ落石的沖擊，系統崩潰；模型2成功地攔截了落石，且沖擊后模型2的各主要組成構件等均未發(fā)生破壞，僅需要對耗能元件進行更換，即可繼續(xù)投入使用。通過對高速視頻的解構，對各部分組成構件的運動和受力特征進行詳細分析，明確系統的三階段工作歷程，并分析系統失效的關鍵因素，同時，對實測的鋼絲繩拉力時程進行對比分析。研究結果為今后柔性被動防護網結構的設計提供了理論基礎。

關鍵詞：柔性被動防護網結構；落石沖擊；整體試驗；運動特征

近30年來，中國成為全球地質災害最嚴重的國家之一。據國土資源部統計資料[1]，2000年以來，我國年均約1 100人因地質災害死亡和失蹤、經濟損失高達120～150億元，目前全國約有地質災害隱患點近24萬個，威脅人口1 359萬人。落石崩塌是地質災害中的常見形態(tài)，占到了災害總量75%以上，對其進行有效防護關系民生安全與重要基礎設施的有效運營。實際上，落石防護為交叉學科問題，主要涉及兩個學科領域，一個是落石崩塌的發(fā)育形成機理及崩落特性，屬于地質工程領域，一個是防護系統的結構力學行為與性能，跨越巖土與結構工程問題。自20世紀中期以來，針對崩塌落石，科學技術人員研究了多種防護技術[2](圖1)，其中，被動柔性防護網系統以其防護能力強、造價低廉、安裝快捷、維養(yǎng)方便等優(yōu)點在全球范圍獲得廣泛應用(圖2(a))。20世紀90年代，我國從歐洲引進柔性防護網技術，在鐵路、公路、國土、水利等行業(yè)中進行了廣泛推廣，一定程度上實現了預期的防護效果。除了落石與崩塌防護，被動柔性防護網結構還可延伸應用于泥石流、雪崩、岸坡沖刷、爆破飛石、墜物等災害防護[3](圖2(b))。

圖1　典型落石防護技術[2]

圖2　柔性防護網的實際應用

被動柔性防護網結構一般由防護網片、鋼柱、鋼絲繩和耗能元件4部分構成。系統通過支撐鋼柱以一定角度安裝在山地坡面上，布置于落石、崩塌等地質災害的預測滾落軌跡上。當石塊滾落沖擊柔性防護網時，防護網將產生大變形并啟動耗能元件工作，使得沖擊力得以緩釋和耗散，經整體協同工作，最終實現落石攔截(圖3)。

圖3　被動柔性防護網系統工作原理

目前國內關于柔性被動防護網的規(guī)程僅有文獻[4，5]，這兩部規(guī)程僅對柔性防護網結構中的鋼繩、卡扣、減壓環(huán)等零件給出了靜力檢驗規(guī)定，但都沒有涉及到相應的設計方法和理論，導致實際使用時無法從結構整體協同工作性能去進行系統設計。

歐洲早在二戰(zhàn)時期就將柔性防護網結構用于軍事防護，二戰(zhàn)后，歐洲將其用于地質災害防護，并采用試驗的方法進行設計定型。目前，歐洲試驗定型的防護網結構的能級已高達8 000 kJ[6]。其中，Philippe等[7]設計了3組試驗方案來驗證柔性網系統的落石沖擊防護能力。D.Peila[8]根據足尺試驗，提出了柔性網設計的簡化計算方法，給出了預估的沖擊位移的計算公式。Guido等[9]在Fonzaso試驗場針對足尺柔性防護網模型，進行了8組自由落體沖擊試驗，沖擊動能分別達到500、3 000、5 000 kJ，其測試數據為防護網的設計提供了豐富的基礎數據。國外的研究多基于試驗后再進行改進和優(yōu)化，但大多為檢驗性試驗，對結構的抗沖擊性能研究較少。在國內，由于2011年以前一直缺乏防護網足尺沖擊試驗研究設施，加上應用時間尚短、經驗缺乏，防護網整體抗沖擊性能的研究很少，僅個別學者進行了少量工程驗證試驗，如余軍[10]對位于黔桂線上的RX-050型柔性網系統進行了非破壞性的現場試驗，試驗的落石能級設定為系統設計防護能力的50%，即250 kJ，該試驗僅為工程驗證，未進行數據的采集分析與研究。

被動柔性防護網結構在國內近20年的使用中，逐漸暴露出一些問題[11]，最突出問題是防護系統遭遇低于規(guī)定防護能級的沖擊作用時容易發(fā)生系統失效，無法實現預期的防護目標，給國家和人民生命財產帶來了巨大的損失。

為此，有必要開展柔性被動防護網結構的抗沖擊性能研究，尋找現有系統中的薄弱環(huán)節(jié)，對結構進行改善和優(yōu)化。結合在建的長昆線高鐵沿線的實際工程，對擬采用的防護能級為750 kJ的被動柔性防護網結構系統開展足尺沖擊試驗，從系統的變形運動特征及傳力機理著手，最終通過試驗確定整體系統的宏觀沖擊力學行為，為設計和使用提供參考。

1沖擊試驗設計

試驗設計依據歐洲EATG-27指導原則[12]，沖擊試驗在西南交通大學陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室試驗場展開。試驗參考了歐洲落石試驗的一般做法，即忽略了落石的滾動效應，直接利用提升設備將鋼筋混凝土模擬石塊提升到預定高度，釋放后進行自由落體沖擊，沖擊位置為柔性被動防護網結構的中跨中心位置，沖擊能量按E=mgH計算。

本次試驗模型的抗沖擊能力為750 kJ。試驗中，將質量為5 t的落石吊至距離網片15 m的高度自由下落，初始沖擊動能750 kJ。共制作了兩個1∶1的模型。模型1為按照文獻[3]選型得到的系統配置(圖4(a))；模型2為采用數值計算方法[13]驗證后能成功攔截落石的改進后的新型系統(圖4(b))。

模型1、2的區(qū)別主要有兩點，一為鋼柱的規(guī)格不同，二為水平支撐繩在鋼柱端部左右兩側的預留滑移段長度不同(圖4)。模型1的支撐鋼柱采用熱軋工字鋼I20b(Ix=2 370 cm4，Iy=158 cm4，A=35.51 cm2)，模型2采用H型鋼HW175×175×7.5×11(Ix=2 900 cm4，Iy=984 cm4，A=51.42 cm2)。模型2鋼柱截面面積及弱軸方向的抗彎剛度均明顯增大，其目的在于增強鋼柱的穩(wěn)定性；設置過渡繩和加長支撐繩自由滑移段是為了使支撐繩可沿著柱端自由滑移，規(guī)避因滑移行程不足產生阻滯而導致瞬時沖擊效應，致使系統崩潰。安裝后的試驗模型如圖4(b)所示。

圖4　系統配置

2試驗結果

為研究落石沖擊整體系統的全過程，并進一步揭示整體系統的沖擊傳力過程，選取了沖擊過程中的幾個關鍵時刻照片，主要包括：落石接觸網片；中鋼柱彎曲，鋼柱開始下擺；落石下落到最低點。

模型1試驗后，鋼柱屈曲，落石滾落，未能完成攔截任務。模型2試驗后，成功攔截了落石。對高速攝像的視頻進行解構后發(fā)現如下情況。

模型1(圖5)0.08 s前，系統仍正常工作，網片在落石的沖擊下，沖擊處出現明顯的漏斗形變形，網片同時向跨中運動。0.09 s左側中鋼柱首先出現明顯壓彎破壞，隨后右側中鋼柱也發(fā)生壓彎破壞，最終上拉錨繩的減壓環(huán)完全沒有啟動，上拉錨繩的拉力達到減壓環(huán)的啟動力之前，鋼柱已破壞，鋼柱沒能將力有效傳遞給上拉錨繩，傳力途徑不明確。網片及拉錨繩沒有破壞，破壞主要集中在鋼柱。

模型2(圖6)系統成功地攔截了落石。與模型1試驗相對比，0.1 s前工作狀態(tài)基本一致，落石的沖擊作用下，網片首先形成的是V形變形，隨后形成的漏斗型變形基本一致；0.2 s后，模型2中鋼柱保證完好，同時上拉錨繩的減壓環(huán)有效地啟動，傳力途徑明確，從而實現了系統的協同工作，成功地攔截了落石。

圖5　模型1試驗過程及結果

圖6　模型2試驗過程及結果

3沖擊作用特性分析

3.1結構運動變形特征

據試驗過程分析可知，柔性網的沖擊受力過程可以分成3個階段。

第一階段(圖5(a)、圖6(a))：落石與網面接觸，產生沖擊變形，網片張緊。該階段水平支撐繩基本不會沿著鋼柱端部滑移 (0～0.1 s，0時刻從接觸時刻計)。

第二階段(圖5(b)、圖6(b))：網片沖擊變形劇增，帶動支撐繩沿水平向發(fā)生滑移。并在鋼柱柱端部產生水平分力和豎向分力，水平分力由支撐繩承擔，并拉動支撐繩繼續(xù)滑移，豎向分力則傳遞至拉錨繩。同時鋼柱軸向壓力分量劇增。該階段兩個模型的變形傳力特征基本保持一致 (0.1～0.2 s)。

第三階段：2個模型出現顯著差異。模型1由于水平支撐繩的滑移行程耗盡，導致牽引滑移的網片受到鋼柱端鞍座阻滯，產生很大的瞬時沖擊，鋼柱為平面銷鉸，面外轉動能力極其有限，因此瞬間出現壓彎屈曲，外鼓成C形(圖5(c))。模型2的水平支撐繩提供了足夠滑移量，鞍座端部無法形成阻滯；加之系統漏斗狀變形發(fā)育更充分，豎向分力較大，促使拉錨繩耗能器啟動，大大緩釋了沖擊作用，最終成功攔截(0.3 s～最后) (圖6(c)、(d))。

3.2支撐繩運動特征

被動柔性防護網結構遭受落石沖擊作用時，其大位移和大變形必須依靠系統支撐繩良好的大滑移能力。模型1中，鋼柱失穩(wěn)之前，支撐繩的滑移行程已經接近臨界值(圖中紅圈位置)，此時網片漏斗狀變形尚未充分發(fā)展，水平支撐繩傳遞至鋼柱端部的豎向分力不足以啟動拉錨繩的減壓環(huán)。網片沖擊變形受到瞬時阻滯，在支撐繩中會產生瞬時沖擊拉力，該拉力首先傳遞至鋼柱，鋼柱軸向分力急劇增大，同時伴隨瞬時水平作用，加之鋼柱底部為平面型銷鉸，面內轉動能力極其有限，因此面外轉動收到約束的鋼柱在壓彎作用下，瞬時出現壓潰失穩(wěn)，失穩(wěn)形態(tài)為常見的“C”形半波鼓曲(圖7(a))。

模型2中，支撐繩的預留滑移長度較大，在滑移阻滯尚未發(fā)生時，網片已經發(fā)生足夠大的漏斗狀沖擊變形，根據結構力學概念不難判斷，此時沖擊力的豎向分量更大，更容易帶動鋼柱下撓，同時拉動上拉錨繩減壓環(huán)啟動。由于上拉錨繩減壓環(huán)啟動使得系統引入新的耗能機制，系對沖擊作用的緩釋效果大大加強，最終系統實現成功攔截(圖7(b))。

綜合來看，支撐繩的滑移運動能力決定了系統漏斗狀變形的發(fā)育程度，進而又直接影響系統豎向分力的大小，最后影響到上拉錨繩耗能系統的啟動與充分工作程度。因此，確保水平支撐繩滑移能力是被動柔性網工作能力的關鍵影響因素。

3.3鋼柱的受力特征

鋼柱是被動柔性網系統中唯一的受壓構件，是保證系統傳力的關鍵構件。鋼柱的受力如圖7所示，其中：邊跨支撐繩近似水平沿X方向，其軸力TZ1沿X軸負方向，上拉錨繩在鋼柱鞍座左右兩側的拉力分別為TL3、TL4。在沖擊作用下，中跨支撐繩隨網片向下變形，繩拉力TZ2沿繩切線方向，水平分量TZ2x沿X軸正向，軸向分量TZ2y沿Y軸正向，豎向分量TZ2z沿Z軸正向，并由鋼柱端部傳遞至上拉錨繩，分別形成拉錨繩受拉力TL3和TL4。

將拉錨繩拉力進一步沿受力方向分解(圖8)，建立鋼柱端部X、Y、Z三個方向的內力平衡方程為

鋼柱X方向受力=TZ1+TL3x-TZ2x-TL4x

鋼柱Y方向軸力=TZ2y+TL3y+TL4y

鋼柱Z方向受力=TZ2z-TL3z-TL4z

與前述三階段變形特征相對應，鋼柱的受力也具有三階段特征，具體如下。

第一階段：沖擊主要先傳遞至水平支撐繩，由于摩擦存在，支撐繩會將水平力傳遞至鋼柱端部，鋼柱水平向主要受到TZ1與TZ2x的差值影響， 且因為TZ1>TZ2x，鋼柱往往會產生水平外擺。此時，鋼柱受到軸向壓力為TZ2y，Z方向受力為TZ2z，由于該時段沖擊作用還未充分發(fā)展，故而鋼柱受到的水平、豎向和軸向力均較小。模型1和模型2中鋼柱受力基本一致。

第二階段：上拉錨繩的拉力逐步增加，鋼柱受力特征與第一階段基本保證一致，但水平受力加大，同時鋼柱軸力也進一步增大。但由于拉錨繩減壓環(huán)未啟動，鋼柱受到斜拉約束，尚無法產生下擺運動。模型1和模型2中鋼柱受力也基本一致。

第三階段：由于阻滯效應，模型1中鋼柱軸力及水平向的受力瞬時加大，加之網片漏斗變形尚未發(fā)育充分，豎向分力不足以啟動上拉錨繩的減壓環(huán)，導致鋼柱無法卸載，在瞬時劇增的軸力和水平力共同作用下，鋼柱產生壓彎失穩(wěn)破壞。模型2中由于網片漏斗狀變形獲得充分發(fā)育，豎向分力促使鋼柱的上拉錨繩減壓環(huán)啟動，柱端豎向約束放松，鋼柱在豎向力的作用下出現下擺轉動，內力獲得緩沖釋放，直至最后成功支撐住網片實現攔截。

因此，若第三階段拉錨繩減壓環(huán)啟動伸長，鋼柱出現下擺轉動，則鋼柱可規(guī)避過大的瞬時劇增內力，其受力特征仍然近似保持為軸壓狀態(tài)。若鋼柱端部豎向約束無法獲得釋放，則劇增的軸力和水平力作用可能使得鋼柱產生過大壓彎效應，且壓彎受力特征隨著第三階段沖擊作用急劇放大，鋼柱極易出現水平面內的壓彎屈曲，屈曲形態(tài)為典型的C形壓彎失穩(wěn)。

3.4耗能器工作特征

被動柔性防護網系統主要依靠耗能器耗散沖擊能量，因此，耗能器的工作狀態(tài)至關重要。試驗模型采用減壓環(huán)作為耗能器，對比兩個模型中減壓環(huán)的變形情況，模型1中，當水平支撐繩的滑移行程已經耗盡時，減壓環(huán)工作狀態(tài)仍不明顯(圖9(a))，此時鋼柱已經發(fā)生壓彎屈曲，導致系統崩潰。與之對比，模型2在第二階段末期，減壓環(huán)已經開始出現工作(圖9(b))，當達到第三階段末，上拉錨繩的部分減壓環(huán)已經處于拉直狀態(tài)，這說明，第三階段以上拉錨繩為代表的豎向減壓系統獲得了良好的工作性態(tài)。究其原因還是在于支撐繩充分滑移后，系統充分變形，沖擊作用的豎向分力足以啟動拉錨繩減壓環(huán)充分工作。但值得指出的是，按目前行業(yè)的普遍配置方式，支撐繩上設置減壓環(huán)工作并不充分，這主要是由于支撐繩上的網片與減壓環(huán)相互糾纏，使得減壓環(huán)不能充分拉伸，阻礙了減壓環(huán)的正常工作。

圖9　減壓環(huán)工作狀態(tài)

3.5鋼絲繩拉力響應特征

根據兩次試驗鋼絲繩拉力實測值對比(圖10)易知：模型1的上、下支撐繩拉力明顯大于模型2，其原因為支撐繩滑移阻滯產生的瞬間沖擊作用所致。同時，下支撐繩的拉力略大于上支撐繩的拉力，其原因在于，下支撐繩的支撐條件近似為豎向固定支座，而上支撐繩的支撐條件近似為彈簧支座，下支撐繩的約束更強。同時，模型2的上拉錨繩拉力明顯大于模型1， 表明模型2的上拉錨繩工作更充分。

圖10　拉力時程對比

4結論

綜上所述，主要結論如下。

(1)被動柔性防護網結構的攔截全過程是系統的協調工作過程，系統的豎向沖擊變形—水平支撐繩滑移量—鋼柱內力三者之間體現出明顯的相關性。

(2)柔性被動防護網系統能否形成理想的三階段工作性態(tài)決定了其防護能力能否充分發(fā)揮，其實質在于是否充分發(fā)揮耗能能力。理想的受力過程中，支撐繩的減壓環(huán)和上拉錨繩的減壓環(huán)應充分工作。

(3)支撐鋼柱宜視作壓彎構件，其承載能力應按頂端彈性約束，底端有限彎曲約束的壓彎構件進行設計，因壓彎作用在水平向，宜適當加大其面外剛度。

參考文獻：

[1]李平.今年全國地質災害災情同比偏重[EB/OL].(2013-05-09)[2015-10-15].http://news.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201305/t20130509_1211880.html.

[2]Hans Grassl， Axel Volkwein and Perry Bartelt1.Experimental and Numerical Modeling of Highly Flexible Rockfall Protection Barriers[R/OL]. [2015-10-15].http://www.wsl.ch/info/mitarbeiten de/volkwein/pdf/SoilRock_RockfallProtection.pdf.

[3]賀詠梅，彭偉，陽友奎.邊坡柔性防護系統的典型工程應用[J].巖石力學與工程學報，2006，25(2):323-328.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3089—2004鐵路沿線斜坡柔性安全防護網[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[5]中華人民共和國交通部.JT/T528—2004公路邊坡柔性防護系統構件[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]Cristina Gentilini， Laura Govoni， Stefano de Miranda， Guido Gottardi， Francesco Ubertini. Three-dimensional numerical modelling of falling rock protection barriers[J]. Computers and Geotechnics ， 2012，44(1):58-72.

[7]Philippe Berthet-Rambaud， Yehya Timsah， Laurent Daudeville，Jacky Mazars. Finite element modeling of concrete protection structures submitted to rock impact[C]. 16th ASCE Engineering Mechanics Conference， July 16-18，2003. Seattle: University of Washington， 2003:267-279.

[8]Peila D， Ronco C. Technical Note: Design of rockfall net fences and the new ETAG 027 European guideline[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences， 2009，9(4):1291-1298.

[9]Guido Gottardi， Laura Govoni. Full-scale Modelling of Falling Rock Protection Barriers [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2010，43(3):261-274.

[10]余軍.Rx-050型SNS柔性防護網系統攔截落石試驗總結報告及應用前景分析[J].路基工程，2002(1):12-14.

[11]齊欣，趙世春，韋韜，等.防落石沖擊柔性被動攔截網試驗與數值分析[J].土木工程學報，2014，47(S2):62-68.

[12]EOTA， ETAG 27. Guideline for European Technical approval of falling rock protection kits[M]. European Organization for Technical Approvals， 2008.

[13]趙世春，余志祥，韋韜，等.被動柔性防護網受力機理試驗研究與數值計算[J].土木工程學報，2013，46(5)：122-128.

[14]Hallquist J O. LS-DYNA keyword user’s manual[M]. Volume I and Ⅱ， Version 971 R6.0.0. California: Livermore Software Technology Corporation， 2012:246-249.

[15]Gerber W. Guideline for the approval of rockfall protection kits. Environment in practice[Z]. Swiss Agency for the Environment， Forests and Landscape (SAEFL)， Swiss Federal Research Institute WSL. Bern， 2001.

[16]齊欣，韋韜，余志祥.高速鐵路防零星落塊剛性防護系統試驗與數值分析[J].鐵道標準設計，2013(10):31-34.

收稿日期：2015-10-30； 修回日期：2015-12-22

基金項目：國家自然科學基金(51408498)；高校博士點科研基金(20130184110009、20130184120002)；橋梁結構安全技術國家工程實驗室開放基金(310821151102)。

作者簡介：齊欣(1981—)，女，講師，博士，畢業(yè)于西南交通大學，研究方向為結構工程，E-mail：qixin_117@126.com。 通訊作者：余志祥(1976—)，男，副教授，博士，畢業(yè)于西南交通大學，研究方向為結構工程，E-mail：yzxzrq@swjtu.eud.cn。

文章編號：1004-2954(2016)07-0024-06

中圖分類號：U213.1+5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.006

Full Scale Experimental Testing of Flexible Rockfall Protective Structures

QI Xin1, YU Zhi-xiang1，2，3, XU Hu1, ZhAO Ya-na1, ZHAO Shi-chun1

(1.School of Civil Eng. Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering (Southwest Jiaotong University)， Ministry of Education， Chengdu 610031， China;3.National Engineering Laboratory for Bridge Structure Safety Technology， Chang’an University， Xi’an 710064， China)

Abstract：In order to study the performance of flexible rockfall protective structure， two flexible protective structures of 750kJ protective level are designed for full scale impact test. Model 1 is obtained in accordance with the existing standard; model 2 is the improved system. The test results show that: model 1 failed to intercept 750kJ rockfall impact and the system clasped; model 2 successfully intercepted rockfall， and all the major components remained complete with only consumables to be replaced for continuous service. Through the replay of high-speed video， the movement and stress of each part of the members are analyzed， the performances of a three-stage process of the system are identified， and key factors of system failure are analyzed. Meanwhile， the measured tension force of the steel wire in time-history is compared and anlyzed. The research results provide a theoretical basis for the future design of flexible rockfall protective structure．

Key words：Flexible protective structure; Rockfall; Full scale test; Movement characteristics