基于LS-DYNA的EPS墊層棚洞耗能減震分析★

袁 松 黎良仆

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

基于LS-DYNA的EPS墊層棚洞耗能減震分析★

袁 松 黎良仆

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

以某在建項(xiàng)目為背景，基于LS-DYNA建立了數(shù)值計(jì)算模型，模擬了落石沖擊棚洞結(jié)構(gòu)的全過(guò)程，揭示了EPS緩沖材料緩沖耗能作用，結(jié)果表明：EPS墊層棚洞較傳統(tǒng)砂墊層棚洞抗落石沖擊性能有一定提高，能廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

鋼筋混凝土棚洞，EPS聚苯乙烯墊層，落石，動(dòng)力有限元

0 引言

我國(guó)西部地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻，落石災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)依山而建的大量公路造成了嚴(yán)重威脅。棚洞作為落石防護(hù)結(jié)構(gòu)，耐久性高、能夠與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，故而在西部山區(qū)公路廣泛應(yīng)用。

JTG/T D70—2010公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[1]中對(duì)棚洞洞頂回填做出了明確規(guī)定：當(dāng)存在落石崩塌危害時(shí)，洞頂回填土厚度不宜小于1.5 m，對(duì)落石災(zāi)害嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)酌情加厚。這樣導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)截面尺寸增大，配筋量增加，不利于結(jié)構(gòu)抗震，建設(shè)成本也不易控制。通過(guò)在棚洞頂部混凝土板與回填土層之間鋪設(shè)一層緩沖材料，既減輕棚洞自重，又能吸收落石沖擊能量，保護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)，故成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。Zarnani等[2]首先在擋土墻與土體之間填充EPS(聚苯乙烯)層，孫洪利等[3]在超前支護(hù)樁后設(shè)置EPS墊層，結(jié)果表明采用EPS墊層后最大土壓力都大大減小；何思明等[4]將落石沖擊EPS墊層棚洞看成是正交各向異性復(fù)合板沖擊問(wèn)題，求解了EPS墊層棚洞鋼筋混凝土板的沖擊動(dòng)力響應(yīng)理論解?？v觀上述研究，缺少實(shí)際工程下的整體性研究。本文在前人基礎(chǔ)上，基于LS-DYNA，結(jié)合實(shí)際在建項(xiàng)目，模擬落石沖擊棚洞結(jié)構(gòu)全過(guò)程，以期為工程實(shí)際提出建議。

1 有限元數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

研究對(duì)象取四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的G245線烏斯河至甘洛縣城段公路改建工程棚洞，按12 m×6 m一跨足尺模型和實(shí)際配筋進(jìn)行建模。實(shí)際模型配筋圖如圖1所示。

由于落石沖擊棚洞涉及復(fù)雜的功能轉(zhuǎn)化，研究過(guò)程中忽略對(duì)結(jié)果影響較小的因素，作出如下假設(shè)：1)不考慮沖擊過(guò)程中落石的破壞和回填土層飛濺的現(xiàn)象；2)不考慮落石斜向沖擊棚洞的情況。

1.1 單元及材料

表1 HJC C30混凝土材料模型材料參數(shù)及取值

表2 材料參數(shù)

材料密度/kg·m-3彈模/MPa屈服極限/MPa泊松比鋼筋78002×1054000.3砂土2000390.1480.3EPS泡沫203.50.140.1落石30002.5×104—0.2

1.2 邊界條件

砂墊層與泡沫、泡沫與棚洞頂板之間采用面面自動(dòng)接觸，上部T型梁與下部頂端梁之間采用面面普通接觸，頂端梁下部節(jié)點(diǎn)全部約束，固定所有自由度。

1.3 模態(tài)分析

沖擊問(wèn)題中阻尼對(duì)結(jié)果影響較大。LS-DYNA 中阻尼力通過(guò)式(1)計(jì)算施加到模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)[8]。

(1)

其中,Ds為阻尼系數(shù)；m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；v為運(yùn)動(dòng)速度；Ds的算法由式(2)給出：

(Ds)critical=2ωmin

(2)

其中,ωmin為該結(jié)構(gòu)的基頻，故需進(jìn)行模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的基頻。

本文采用整體式模型，將鋼筋分布于整個(gè)單元中，采用Solid65單元，鋼筋的貢獻(xiàn)度通過(guò)調(diào)整單元的材料力學(xué)參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)[9]，混凝土選擇線彈性本構(gòu)關(guān)系。由此得到結(jié)構(gòu)基頻為：30.298 Hz。

棚洞結(jié)構(gòu)一階振型見圖3。

根據(jù)ωn=f×2π，可由計(jì)算結(jié)果得到ωmin，再根據(jù)式(2)求得阻尼系數(shù)。

綜上建立有限元模型如圖4所示，整體模型共有161 855個(gè)節(jié)點(diǎn)，46 211個(gè)Beam單元，115 640個(gè)Solid單元。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算可得棚洞結(jié)構(gòu)受落石沖擊作用下任意時(shí)間各點(diǎn)處鋼筋應(yīng)力值、撓度時(shí)程曲線如圖5所示。分別計(jì)算4 t落石從40 m高度落下沖擊鋼筋混凝土棚洞，EPS墊層填充厚度分別取0.3 m，0.6 m(即1.5 m砂土+0.3 m EPS;1.5 m砂土+0.6 m EPS)，各工況下落石動(dòng)能時(shí)程曲線繪制如圖6所示。

如圖6所示，EPS不同填充厚度下落石能量衰減的曲線有一定差異，0.6 m EPS的曲線向右上方偏移，兩條曲線均出現(xiàn)了三個(gè)明顯的拐點(diǎn)，本文認(rèn)為這是由EPS材料力學(xué)性質(zhì)決定：彈性段吸收較小能量，進(jìn)入屈服階段后，能量—時(shí)間曲線斜率逐漸變陡，表明進(jìn)入能量吸收的主要階段，而后斜率逐漸降低，材料進(jìn)入硬化階段，材料被逐漸壓實(shí)，耗能水平有所下降。0.6 m EPS曲線與0.3 m EPS曲線相比，拐點(diǎn)有所滯后，即材料進(jìn)入硬化階段時(shí)，吸收能量比0.3 m EPS多，整個(gè)耗能階段的時(shí)間更長(zhǎng)，故隨著填充緩沖材料厚度的增加，結(jié)構(gòu)耗能更加明顯。

通過(guò)計(jì)算，棚洞結(jié)構(gòu)不填充EPS墊層時(shí)，4 t落石從40 m落高落下，T梁主筋應(yīng)力值達(dá)到401.2 MPa，跨中撓度值為0.042 m，其結(jié)果見表3，達(dá)到HRB400鋼筋屈服極限以及梁撓度限值δ<12/300=0.04 m，即達(dá)到棚洞結(jié)構(gòu)極限承載能力。填充0.6 m EPS后，4 t落石從50 m落下沖擊棚洞，棚洞T型梁撓度值達(dá)到0.041 m，由此可見，采用1.5 m砂土+0.6 m EPS墊層棚洞的安全性能是1.5 m砂土墊層棚洞的1.2倍。

表3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際在建工程為背景，重點(diǎn)研究砂墊層+不同厚度EPS的復(fù)合墊層在落石沖擊荷載下棚洞抗落石沖擊性能和耗能減震原理，基于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：1)棚洞頂部設(shè)置砂+EPS的復(fù)合墊層形式能夠有效降低落石沖擊下結(jié)構(gòu)受力鋼筋的應(yīng)變值與主梁撓度值。2)EPS墊層耗能減震能力隨著EPS填充厚度的提高而提高，棚洞結(jié)構(gòu)抗落石沖擊性能得到加強(qiáng)，這與EPS材料本身力學(xué)性能有關(guān)。3)以規(guī)范要求最低砂土墊層厚度為基準(zhǔn)，采用填充EPS墊層可以在較大落石沖擊能量下有效降低結(jié)構(gòu)自重及建設(shè)成本，是一種安全、經(jīng)濟(jì)的棚洞墊層材料。

[1] JTG/T D70—2010，公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2] Zarnani S,Bathurst R J.Numerical parametric study of a ex-panded polystyrene(EPS)geofoam seismic buffers[J].Canadian Geotechnical Journal,2009,46(3):318-338.

[3] 孫洪利,劉元雪,葉四橋,等.超前支護(hù)樁樁后EPS墊層優(yōu)化設(shè)置的數(shù)值模擬[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(4):786-789，879.

[4] 王東坡,何思明,歐陽(yáng)朝軍,等.滾石沖擊荷載下棚洞鋼筋混凝土板動(dòng)力響應(yīng)研究[J].巖土力學(xué),2013(3):881-886.

[5] 汪 敏,石少卿,陽(yáng)友奎.柔性棚洞在落石沖擊作用下的數(shù)值分析[J].工程力學(xué),2014(5):151-157.

[6] 熊益波，陳劍杰，胡永樂(lè)，等.混凝土Johnson-Holmquist本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)研究[J].工程力學(xué)，2012(1):121-127.

[7] N Kishi,H Konno,K Ikeda,etc..Prototype impact tests on ultimate impact resistance of PC rock-sheds[J].International Journal of Impact Engineering,2002,27(9):969-985.

[8] LS-DYNA ?KEYWORD USER’S MANUAL[Z].2005.

[9] 賈 濤，劉世忠.基于ANSYS實(shí)體模型對(duì)小跨徑鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁舊橋的模態(tài)分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3):9-12.

Study on the energy dissipation of shed with EPS cushion by LS-DYNA★

Yuan Song Li Liangpu

(SichuanCommunicationSurveying&DesignInstitute,Chengdu610017,China)

Taking the in-built project as the background, the thesis establishes numerical calculation model on the basis of LS-DYNA, simulates the whole process of rockfall shocking hanger tunnel, and demonstrates the damping and energy dissipation effect of EPS cushioning materials. Results show that: comparing to sandy cushion hanger tunnel, the shock-resisting performance of EPS cushion hanger tunnel has been improved, which can be widely applied in actual engineering.

steel reinforce concrete hanger tunnel, EPS polystyrene cushion, rockfall, dynamic finite element

1009-6825(2017)02-0050-02

2016-11-04★:四川省交通科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2012B4-2)

袁 松(1983- )，男，碩士，工程師； 黎良仆(1990- )，男，助理工程師

TU375.4

A