邊坡落石柔性防護(hù)系統(tǒng)易維修性試驗(yàn)研究

康 波

(布魯克(成都)工程有限公司 成都 611731)

邊坡落石柔性防護(hù)系統(tǒng)是一種有效的落石防護(hù)方式，已在邊坡防護(hù)工程中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了相應(yīng)的效果[1-4]，由于柔性防護(hù)系統(tǒng)在使用中起攔截落石作用，承受的是落石沖擊動(dòng)力，相比零部件靜力試驗(yàn)方法而言，柔性防護(hù)系統(tǒng)整體落石沖擊試驗(yàn)是最直觀、最有效地評價(jià)其防護(hù)性能的方法。

對于邊坡柔性防護(hù)系統(tǒng)整體落石沖擊試驗(yàn)，國外從1975年開始研究，已經(jīng)積累了超過350次的現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[5]。Duffy等設(shè)計(jì)了各種各樣的試驗(yàn)方案來測試柔性防護(hù)系統(tǒng)在落石沖擊作用下的性能。Guido等設(shè)計(jì)了一系列柔性防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用試塊自由落體的方式，進(jìn)行了8組3跨足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐涫瘺_擊試驗(yàn)，沖擊能級最高達(dá)到5 000 kJ。Peila等比較分析了不同模型試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，對不同能級的6組落石柔性防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)研究。作為歐洲柔性防護(hù)產(chǎn)品認(rèn)證中心的瑞士Walenstadt試驗(yàn)場，完成過最高能級10 000 kJ的落石沖擊認(rèn)證試驗(yàn)，歐洲技術(shù)認(rèn)定組織(EOTA)也頒布相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[6]。

國內(nèi)柔性防護(hù)系統(tǒng)的整體落石沖擊試驗(yàn)研究起步較晚，在近10余年的研究過程中，建成有2座人工落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)見圖1、圖2，可完成最高能級5 000 kJ的落石沖擊試驗(yàn)，并于2016年制定了TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品落石沖擊試驗(yàn)方法與評價(jià)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，試驗(yàn)方法與歐洲標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但考慮到國內(nèi)山區(qū)交通沿線維修養(yǎng)護(hù)困難，增加了易維修性等級評價(jià)內(nèi)容。

圖1 國內(nèi)落石沖擊試驗(yàn)場1 圖2 國內(nèi)落石沖擊試驗(yàn)場2

1 邊坡落石柔性防護(hù)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)方法

1.1 落石沖擊試驗(yàn)簡介

沖擊試驗(yàn)前，先將邊坡落石柔性防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在垂直的混凝土反力墻上，鋼柱與反力墻法線夾角不大于30°，拉繩與反力墻法線夾角為40°，允許誤差±5°，一般采用3跨的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，共?根鋼柱，鋼柱間距為10 m，鋼柱高度根據(jù)不同能級選定；試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b完成后，采用起吊設(shè)備將預(yù)制的沖擊試塊提升至一定高度，對準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌缰胁窟M(jìn)行自由落體釋放，垂直沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，每組試驗(yàn)要進(jìn)行3次沖擊，前2次為連續(xù)正常工作能級沖擊，最后1次為最大能級沖擊；試塊沖擊完成后，采集數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定和評價(jià)，判斷防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)性能并評價(jià)其易維修性能。

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)試塊

試驗(yàn)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)3跨足尺落石柔性防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b，滿足沖擊受力和變形空間要求，具備試塊起吊、釋放及數(shù)據(jù)采集等必要設(shè)備。沖擊試塊呈26面體，由鋼筋混凝土制作，根據(jù)沖擊能級制成不同尺寸、不同重量，密度為2 500～3 000 kg/m3,與巖石密度接近。試驗(yàn)平臺(tái)示意圖與沖擊試塊見圖3、圖4。

圖3 垂直落石沖擊試驗(yàn) 圖4 沖擊試塊平臺(tái)示意圖

1.3 沖擊能量與速度確定

試驗(yàn)中，由于是確定重量試塊的垂直沖擊，沖擊能量E可通過動(dòng)能-勢能轉(zhuǎn)換方程確定

式中：m為沖擊試塊質(zhì)量；v為沖擊試塊速度；g為重力加速度；h為沖擊試塊自由下落的高度。通過需要的沖擊能量，便能反算出試塊需要的自由下落高度[8]。

在落石沖擊試驗(yàn)中，需要控制落石接觸試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)的沖擊速度不小于25 m/s，但也不能無限放大速度，減小試塊重量，每種型號柔性網(wǎng)都有可承受的極限速度，超過極限速度會(huì)出現(xiàn)“子彈”效應(yīng)，擊穿網(wǎng)片[9]，一般沖擊速度不大于35 m/s。

1.4 沖擊要求

每組落石柔性防護(hù)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)需要做3次沖擊,前2次正常工作能級(SEL)試驗(yàn)，最后1次最大試驗(yàn)?zāi)芗?MEL)試驗(yàn)，SEL試驗(yàn)?zāi)芗壊粦?yīng)小于MEL試驗(yàn)?zāi)芗壍?/3；2次連續(xù)SEL沖擊之間不進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ托迯?fù)，第2次SEL沖擊試驗(yàn)完成后可以對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行修復(fù)安裝，再進(jìn)行最后1次MEL沖擊；沖擊位置均為試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌缇W(wǎng)面的幾何中心位置。試驗(yàn)沖擊位置見圖5。

圖5 試驗(yàn)沖擊位置示意圖

1.5 結(jié)果判定及易維修性評價(jià)

根據(jù)3次落石沖擊試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)，參照判定標(biāo)準(zhǔn)中沖擊能級、容許緩沖距離、殘余攔截高度等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果判定?？紤]到我國山區(qū)交通維修條件困難因素，標(biāo)準(zhǔn)中增加了產(chǎn)品易維修性評價(jià)指標(biāo)，以供設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體條件選用。易維修性等級評價(jià)見表1。易維修性等級主要反映試驗(yàn)產(chǎn)品在不維修條件下抗連續(xù)沖擊能力，以及發(fā)生落石沖擊事件對系統(tǒng)損壞后進(jìn)行必要維修的難易程度。

表1 易維修性等級評價(jià)

2 易維修性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目箾_擊能力為1 000 kJ，SEL試驗(yàn)采用質(zhì)量0.990 kg試塊，自由落體高度35.4 m，沖擊速度26.3 m/s，換算沖擊能量343.4 kJ；MEL試驗(yàn)采用質(zhì)量3 100 kg試塊，自由落體高度33.2 m，沖擊速度25.5 m/s，換算沖擊能能量1 008.6 kJ。共制作安裝2組1∶1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)?zāi)Ｐ烷L度為30 m，分3跨4根立柱，高度5 m。2組試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧悴考?guī)格、數(shù)量配置基本相同，僅有減壓環(huán)布置形式與安裝連接方式不同，支撐繩上連接減壓環(huán)布置均為16個(gè)，布置示意圖見圖6、圖7。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?布置示意圖

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?布置示意圖

減壓環(huán)是落石柔性防護(hù)系統(tǒng)中主要的能量吸收裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡單、耗能特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣泛的耗能件之一[10-11]，其安裝布置方式對系統(tǒng)的沖擊性能起關(guān)鍵作用。試驗(yàn)?zāi)Ｐ?減壓環(huán)分布在每跨的支撐繩上，直接用支撐繩穿過減壓環(huán)連接，這種安裝方式在實(shí)際工程上廣泛使用；試驗(yàn)?zāi)Ｐ?減壓環(huán)布置在兩側(cè)支撐繩上，先用1節(jié)短鋼繩穿過減壓環(huán)后兩端壓接卡環(huán)，再用卸扣與支撐繩連接。

3 試驗(yàn)結(jié)果及易維修性分析

通過落石沖擊試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集，2組試驗(yàn)?zāi)Ｐ途ㄟ^了3次沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ?安裝完成情況見圖8；試驗(yàn)?zāi)Ｐ?經(jīng)過第2次SEL試驗(yàn)沖擊后狀態(tài)見圖9、圖10，線條標(biāo)識(shí)分別為中跨、邊跨外側(cè)支撐繩與減壓環(huán)變形情況；經(jīng)過MEL試驗(yàn)后支撐繩與減壓環(huán)變形狀態(tài)見圖11。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?安裝完成

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)中跨

圖10 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)邊跨外側(cè)

圖11 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?MEL試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ?安裝完成情況見圖12；試驗(yàn)?zāi)Ｐ?經(jīng)過第2次SEL試驗(yàn)沖擊后中跨支撐繩變形狀態(tài)見圖13線條標(biāo)識(shí)，邊跨外側(cè)支撐繩與減壓環(huán)變形情況見圖14線條標(biāo)識(shí)；經(jīng)過MEL試驗(yàn)后支撐繩變形狀態(tài)見圖15。

圖12 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?安裝完成

圖13 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)中跨

圖14 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)邊跨外側(cè)

圖15 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?MEL試驗(yàn)

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)后，MEL試驗(yàn)前進(jìn)行維修安裝，首先拆卸全部6張環(huán)形網(wǎng)網(wǎng)片，再拆卸上下支撐繩(含減壓環(huán)，因減壓環(huán)與支撐繩穿連)，調(diào)整立柱拉繩角度，最后重新進(jìn)行支撐繩(含減壓環(huán))安裝與網(wǎng)片安裝。由于減壓環(huán)變形后與支撐繩扭結(jié)在一起，不能單獨(dú)更換，只能更換所有支撐繩，整個(gè)維修安裝工作消耗16人·d。根據(jù)易維修性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評定易維修性等級為C級。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ?第2次SEL試驗(yàn)后，MEL試驗(yàn)前進(jìn)行維修安裝，拆卸更換中跨2片受損網(wǎng)片，更換試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吙缤鈧?cè)的4組16個(gè)減壓環(huán)，調(diào)整鋼柱拉繩角度，重新張緊支撐繩，整個(gè)維修安裝工作消耗6人·d。根據(jù)易維修性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評定易維修性等級為A級。

4 結(jié)語

通過1∶1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐涫瘺_擊試驗(yàn)，介紹了邊坡落石柔性防護(hù)系統(tǒng)落石沖擊試驗(yàn)方法，對試驗(yàn)易維修性評價(jià)進(jìn)行了2組模型對比試驗(yàn)，分析了減壓環(huán)對系統(tǒng)維修安裝過程的影響，得出以下結(jié)論。

1) 國內(nèi)落石沖擊試驗(yàn)工作開展較晚，但吸取了歐洲試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并提出了更符合國內(nèi)柔性防護(hù)系統(tǒng)使用需求的易維修性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 易維修性等級評價(jià)不僅反映柔性防護(hù)產(chǎn)品在不維修條件下抗連續(xù)沖擊能力，也反映發(fā)生落石沖擊事件對系統(tǒng)損壞后，對系統(tǒng)維修安裝恢復(fù)防護(hù)能力的難易程度。

3) 2組模型的對比試驗(yàn)表明，減壓環(huán)的布置形式與連接方式對柔性防護(hù)系統(tǒng)受沖擊后維修安裝工作至關(guān)重要，合理布置、連接減壓環(huán)可以減少系統(tǒng)維修安裝材料使用及工作量，可以提升易維修性等級。