基于UHPC板和EPS耗能層的落石沖擊力研究

孫宗磊,楊少軍,劉 琛,高明昌,呂 梁

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 西安 710043；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

危巖落石是艱險山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有難以預(yù)測性、突發(fā)性、隨機(jī)性、致災(zāi)嚴(yán)重性等特點，是山區(qū)鐵路建設(shè)以及運(yùn)營安全保障面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。艱險山區(qū)鐵路新建橋梁多跨越V形溝谷，受高陡邊坡地形的影響而設(shè)置為橋隧相連工程結(jié)構(gòu)。隧道洞口往往是危巖落石沖擊最為頻繁的區(qū)域，拱形明洞頂板首先受到?jīng)_擊[1]，圖1為山區(qū)隧道洞口落石沖擊明洞破壞照片。圖2為常見的山區(qū)隧道洞口落石防護(hù)棚洞，該棚洞一般為鋼筋混凝土拱形板，頂部鋪設(shè)一定厚度的砂土對落石沖擊能量緩沖后保證結(jié)構(gòu)與行車安全，當(dāng)該棚洞處于橋隧相連工程而必須與橋梁一體化建造時因重力過大而難以實現(xiàn)。因此，橋梁上設(shè)置落石防護(hù)棚洞的關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)法減輕棚洞與緩沖材料的重力。

圖1 山區(qū)隧道洞口落石沖擊明洞破壞

圖2 山區(qū)隧道洞口落石防護(hù)棚洞

超高性能混凝土(簡稱UHPC)是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，利用力學(xué)性能高的特點建造橋梁可以實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)輕型化[2]。EPS與傳統(tǒng)砂墊層相比，能夠在一定程度上降低棚洞結(jié)構(gòu)自重[3]。國內(nèi)邵旭東等學(xué)者開展了UHPC結(jié)構(gòu)試驗與應(yīng)用研究[4-12]；國內(nèi)王靜峰等學(xué)者開展了一系列EPS墊層耗能作用的理論與試驗研究[13-15]?；赨HPC板的EPS緩沖層的耗能性能理論及試驗研究尚屬空白。

當(dāng)前鐵路橋梁專業(yè)均采用靜力荷載開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，與落石沖擊問題通常采用的能量荷載條件缺少銜接，本文開展基于UHPC棚洞板和EPS耗能層的落石沖擊力試驗研究，擬合沖擊能量和沖擊力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，以指導(dǎo)落石防護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)及緩沖層采用輕型高強(qiáng)材料的理論與試驗可行性，為實現(xiàn)輕型橋梁棚洞一體化防治技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

用于落石防護(hù)的隧道明洞結(jié)構(gòu)一般為厚度60～70 cm的鋼筋混凝土板，并在頂部鋪設(shè)一定厚度的砂土類緩沖層。由于UHPC材料力學(xué)性能遠(yuǎn)高于普通混凝土，試驗設(shè)計時對棚洞頂板平面尺寸按照1∶1設(shè)計，而棚洞的厚度因采用UHPC后按30 cm設(shè)計。

1.1 UHPC試驗板

試驗板采用弧形板結(jié)構(gòu)，其圓曲率半徑R=6.7 m與國內(nèi)高速鐵路明洞頂板曲率相同，材料為120 MPa級別的UHPC，彈性模量42 GPa，軸心抗壓強(qiáng)度80 MPa?；⌒尾糠职搴?.3 m，兩端為便于支承做成水平直線段，直線段寬0.5 m，單塊弧形板質(zhì)量約8.5 t，弧形板結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3，高溫蒸養(yǎng)后UHPC板見圖4。UHPC板的頂面和底面配置間距10 cm、φ16 mm的HRB400型鋼筋網(wǎng)片，兩層鋼筋之間設(shè)架立鋼筋。

圖3 1/2試驗板立面(單位：cm)

圖4 UHPC板高溫蒸養(yǎng)后照片

1.2 緩沖材料EPS墊層板

緩沖材料采用密度為20 kg/m3的EPS板，利用MTS815.2萬能試驗機(jī)進(jìn)行3組試塊的單軸壓縮試驗，加載速率分別為3、10 mm/min和100 mm/min。各加載速率的EPS應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5，不同加載速率下彈性模量差異較小約為1.7 MPa；當(dāng)加載速率提高時，屈服強(qiáng)度略有增加，10 mm/min和100 mm/min速率下屈服強(qiáng)度均為0.11 MPa。EPS材料的泊松比和屈服極限等見參考文獻(xiàn)[17]，分別為0.12和0.1 MPa。

圖5 EPS材料本構(gòu)關(guān)系

1.3 試驗方案

本次落石沖擊試驗撞材為直徑1 m的外包8 mm厚度鋼板的混凝土球體，試驗稱重為14.1 kN，通過改變撞材自由落體的高度來模擬不同的沖擊能量，圖6為試驗測試方案與現(xiàn)場照片，表1為撞材在不同高度條件下對應(yīng)的沖擊能量與速度。各工況條件下EPS緩沖層的厚度均為90 cm。

圖6 試驗測試方案與現(xiàn)場照片(單位：m)

表1 撞材在不同高度條件下對應(yīng)的沖擊能量與速度

撞材頂部開槽后預(yù)先裝入DH5916微型動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀可以測試撞材在沖擊過程中的加速度時程，按照牛頓第二定律即加速度與落石質(zhì)量的乘積便可得到?jīng)_擊力時程曲線，最大加速度時刻對應(yīng)本試驗測得的峰值沖擊力。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的組合方式進(jìn)行落石沖擊試驗，得到不同沖擊能量條件下撞材加速度時程曲線(圖7)，各工況撞材加速度實測峰值與沖擊力峰值見表2。

圖7 不同沖擊能量條件下撞材加速度時程曲線

表2 撞材加速度實測峰值與沖擊力峰值

2.2 試驗現(xiàn)象及分析

通過高速攝像機(jī)對撞材下落沖擊全過程進(jìn)行記錄，結(jié)合撞材內(nèi)動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀成果對試驗現(xiàn)象進(jìn)行簡要說明。

(1)撞材沖擊能量為25～100 kJ時，經(jīng)EPS耗能層耗能后峰值沖擊力發(fā)生在0.05～0.1 s；沖擊力隨時間呈拋物線形快速增減。

(2)25 kJ和50 kJ沖擊能量作用下EPS耗能層嚴(yán)重變形但未碎裂，見圖8(b)，撞材對UHPC板的沖擊力隨時間增加而快速下降，僅出現(xiàn)1個峰值。

(3)75 kJ和100 kJ沖擊能量作用下EPS耗能層碎裂，見圖8(c)，撞材沖擊UHPC板后反彈高度約1 m，在板的頂部緩沖層失效的條件下第二次沖擊UHPC板，75 kJ和100 kJ能量二次沖擊力約為一次沖擊力的45%和60%，隨后沖擊力隨時間增加而快速下降，沖擊過程出現(xiàn)2個峰值。

圖8 撞材經(jīng)EPS緩沖后沖擊UHPC板過程

2.3 有限元計算與試驗數(shù)據(jù)對比

對應(yīng)上述試驗工況，建立落石沖擊UHPC和EPS耗能層的有限元模型，如圖9所示。在模型中，UHPC板、EPS、臺座、撞材均采用實體單元，板內(nèi)鋼筋采用桿單元；撞材與EPS、EPS與UHPC板、UHPC板與臺座均為自動面面接觸；撞材與臺座采用剛體本構(gòu)、EPS耗能層按可壓碎泡沫本構(gòu)、UHPC板為HJC混凝土沖擊損傷模型、板內(nèi)鋼筋為理想彈塑性模型。有限元計算圖示見圖9，計算峰值沖擊力與試驗峰值沖擊力對照關(guān)系見圖10。

圖9 有限元計算圖示

圖10 計算峰值沖擊力與試驗峰值沖擊力對照

由圖10可知。

(1)峰值沖擊力隨沖擊能量增加而線性增加。

(2)沖擊能量增加4倍時峰值沖擊力增加約1.65倍，沖擊力的增速低于沖擊能量的增速。

(3)有限元計算值較試驗值高出13%～19%，采用有限元計算峰值力開展工程設(shè)計時偏于安全。

3 EPS耗能層厚度對峰值沖擊力的影響

EPS耗能層對于沖擊荷載的耗能作用通過峰值沖擊力指標(biāo)進(jìn)行評估，峰值沖擊力也是承受落石沖擊荷載結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中最為主要的外部條件?；谇笆鲈囼?zāi)Ｐ停凑?5、50、75、100 kJ四種沖擊能量工況，以EPS耗能層厚度為變量，通過有限元計算分析不同厚度EPS耗能層條件下沖擊能量與峰值沖擊力的關(guān)系。見圖11。

圖11 EPS耗能層厚度對峰值沖擊力的影響

由圖11得出以下結(jié)論。

(1)峰值沖擊力隨EPS耗能層厚度的增加而減小，EPS耗能層厚度在70～110 cm時峰值沖擊力隨墊層厚度增加而降幅明顯，EPS耗能層厚度在110～150 cm時峰值沖擊力隨其厚度的增加而降幅較小。

(2)基于本試驗驗證的沖擊能量與峰值沖擊力關(guān)系，可將EPS耗能層厚度為70～150 cm條件下的峰值沖擊力與沖擊能量擬合為對數(shù)函數(shù)，表達(dá)式如下

Ff=AlnW+B

式中，F(xiàn)f為峰值沖擊力；W為沖擊能量；A和B為對數(shù)函數(shù)系數(shù)，其取值見表3。

表3 EPS耗能層峰值沖擊力計算系數(shù)

4 結(jié)論

隧道洞口采用橋梁棚洞一體化落石防治技術(shù)的關(guān)鍵在于減輕棚洞及緩沖層重力，針對UHPC棚洞鋪設(shè)EPS耗能層的耗能性能進(jìn)行研究，通過試驗現(xiàn)象及規(guī)律，結(jié)合理論計算分析得出如下結(jié)論。

(1)落石峰值沖擊力一般發(fā)生在落石與緩沖材料接觸后的0.05～0.1 s，沖擊力隨時間呈拋物線形快速增減。

(2)落石沖擊能量在25～50 kJ時，EPS耗能層變形后耗能明顯。而沖擊能量在75～100 kJ時，EPS耗能層碎裂后出現(xiàn)二次沖擊現(xiàn)象，工程實踐中應(yīng)采取增加EPS耗能層厚度等措施避免二次沖擊。

(3)EPS耗能層耗能作用下，峰值沖擊力增速低于沖擊能量的增速，EPS耗能層厚度在70～110 cm時峰值沖擊力隨墊層厚度的增加而降幅明顯。

(4)峰值沖擊力與沖擊能量的關(guān)系為對數(shù)函數(shù)，擬合EPS耗能層厚度在70～150 cm，得出沖擊能量在100 kJ以下的峰值沖擊力計算公式，該公式可為落石防治的橋梁棚洞結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供借鑒。