柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究
滚石作用下棚洞结构数值模拟研究
滚石作用下棚洞结构数值模拟研究
近年来，地下棚洞结构在城市规划、地铁建设等领域中越来越受到重视，棚洞结构是一种重要的地下结构，其复杂的土力学状态和复杂的结构作用，使其在建设中面临许多挑战。
传统的数据获取方法以及理论分析可以提供基本的理论支撑，但在实际的工程应用中，受众多难以量化的因素的影响，仍然存在许多不确定性。
为了研究滚石作用下的棚洞结构的土力学变形行为，以及结构安全系数，本文采用数值模拟方法，进行棚洞结构模型的数值模拟分析。
针对研究对象，采用不同的深度和深度入口的棚洞结构进行数值模拟，比较和分析棚洞结构不同结构参数下的土力学变形行为，并采用有限元软件ANSYS进行结构模拟，探究不同结构系数下棚洞结构的安全系数。
首先，介绍了数值模拟的基本原理。
其次，建立了连续介质半空间形式的有限元模型，由此进行三维量化分析，并使用ANSYS软件进行模型计算分析，以确定结构参数对于棚洞结构变形行为的影响规律，以及安全性能分析。
在有限元模型建立的基础上，利用ANSYS软件对棚洞结构进行数值仿真，探究结构参数对于棚洞结构安全性的影响。
通过对结构参数的分析，可以更好地推测结构安全性和使用寿命。
通过对棚洞结构的数值模拟分析，可以得出以下结论：（1）滚石作用下的棚洞结构土力学变形性能显著。
（2）棚洞结构的深度和深度入口对棚洞结构的变形行为影响较大。
（3）棚洞结构的结构系数对结
构安全性有重要影响。
结论：滚石作用下的棚洞结构，其结构参数对于棚洞结构的安全性具有重要影响，可以通过有限元模拟分析，更好地推测结构变形行为和安全性能分析。
211038287_柔性钢棚洞的落车模拟与动力响应
随着国家高速铁路网的不断完善，交通干线纵横交错，高铁线与公路线桥出现交叉的情况越来越常见。
当出现线路交叉跨越的情况时，要求上跨的线桥应采取符合规范的安全防护措施，与上跨线桥交叉的下穿线路应采取对应的防撞设计。
柔性钢棚洞作为一种防护结构，具有降低施工难度、修建维修成本低、效率高以及速度快的特点，被广泛应用于山区公路、铁路以及桥隧连接处等地段，是下穿公路、铁路防撞设计的首选防护结构形式[1]。
然而，据调查显示，上跨公路桥发生严重车祸的频率较高，有时甚至会出现汽车失控撞坏防撞墙后翻落桥下的情况，对下方防护结构（例如柔性棚洞）造成冲击，影响下行路桥的正常运营。
因此，须对柔性钢棚洞进行落车冲击模拟。
该文建立了汽车-棚洞耦合有限元模型，模拟各种落车冲击姿态，计算柔性棚洞受冲击下的动力响应。
对不同落车姿态、不同冲击速度下的动力响应结果进行对比，找出汽车最不利的下落姿态，同时总结了动力响应的变化规律，为后续柔性棚洞的优化及设计计算理论的建立奠定了良好的研究基础。
1 建立有限元模型1.1 柔性钢棚洞有限元模型采用LS-DYNA分析软件建立柔性钢棚洞的有限元模型。
该棚洞宽15.0 m，高6.8 m，共5跨，每跨间距3.0 m，一侧有耗能器。
采用beam161单元模拟钢拱架、小钢柱、支撑杆、斜支撑杆、耗能器、卸扣、支撑绳以及柔性环形网中的每个钢丝环[2]。
有限元模型如图1所示，模型边界条件采取环向支撑绳与地面的连接处设为铰接连接，钢拱架柱底与地面设为固定连接。
1.2 落车有限元模型车辆的计算模型的形式和尺寸参考东风凯普特K8汽车[3]。
在ANSYS中完成建立整个落车的三维有限元模型和网格划分的任务，为了合理再现该车的结构相关特性（例如质量分布、外形轮廓等），采用实体单元模拟质量块和车轴，其中质量块可以调整其相关仿真参数，从而模拟汽车不同区域的质量分布。
1.3 耦合接触模型和材料模型运用LS-DYNA后处理软件将前述的有限元模型导入LS-PREPOST并进行接触关系定义，车-钢棚洞的接触定义为线-面接触[3]。
落石冲击作用下柔性被动防护系统结构的动力响应分析
落石冲击作用下柔性被动防护系统结构的动力响应分析宋男男;王林峰;宋小波;闻锋【摘要】柔性被动防护系统是防治落石灾害常见的方式之一.以被动防护系统为研究对象,将落石简化为刚性球体,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对落石冲击作用下的柔性被动防护系统的位移、冲击力和能量进行了研究,模拟了不同形状和冲击角度下的落石冲击荷载对柔性被动防护系统结构的动力响应.分析结果显示:在冲击角度不变时,落石形状为球形时冲击柔性被动防护系统的位移和冲击力最大,其值为2.87m、1.61×106N,在冲击落石形状相同时角度越小位移、冲击力越大,数值模拟球形落石比片状落石、立方体落石得到的位移、冲击力、能量大,这对于设计柔性防护结构来说比较保守.【期刊名称】《安阳工学院学报》【年(卷),期】2017(016)006【总页数】5页(P92-95,102)【关键词】被动柔性防护系统;落石;动力响应;ANSYS/LS-DYNA【作者】宋男男;王林峰;宋小波;闻锋【作者单位】重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】P642.1柔性防护系统结构施工简单、防护性能好，而且在我国公路系统得到了广泛应用。
目前，我国对落石灾害的基础研究相对薄弱，导致防治落石灾害的措施还有待提高。
被动柔性防护技术是上20世纪50年代瑞士布鲁克集团开发的一种边坡地质防治技术,最开始研发的目的主要是防治各种斜坡的坡面崩塌落石、雪崩和风化剥落等灾害现象,然后根据不一样的灾害的基本特征渐渐形成了以高强度钢丝格栅、钢丝绳网和环形网等高强度柔性网所组成的主动加固、被动拦截、和围护等结构形式[1]。
被动柔性防护技术被引入国内以来,在我国的水电站、市政、公路、铁路等领域的落石的拦截、边坡加固及危岩、坡面围护等方面得到了非常广泛的应用。
棚洞抗泥石流及落石冲击计算
泥石流防治工程设计计算1.泥石流防治工程设计主要参数的选取 （1）泥石流体重度按照《泥石流灾害防治工程勘察规范》附录G 进行易发程度评分，按照表G.2查表确定泥石流重度和泥沙修正系数，其结果如下表1所示：表1 泥石流重度及泥沙修正系数表U C =γH φ+1n C 2/3I C 1/2 式中，γH 为泥浆体容重，γH =2.65t /m 3;n 河床糙率系数，n =0.33；H C 为计算断面的平均泥深，根据病害现场照片，取H C =1.5m ；I C 为泥石流水力坡度，取沟床纵率0.268。
计算得U C =5.3m/s 。
（3）泥石流流量用雨洪修正法计算泥石流流量Q C =Q B （1+φ）D式中，Q B 为青水洪峰流量。
按云南省水文手册计算公式算得Q 0.2=11.21m 3/s ，D 为泥石流堵塞系数，取1.2。
计算得Q C =21.05m 3/s 。
（4）一次泥石流过程总量计算根据泥石流历时T(s)和最大流量Q C （m 3/s ），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化为五角形，其计算式为：Q=KTQ C 式中，K =0.264，T=22.4s 。
计算得Q =124.5m 3。
一次泥石流冲出的固体物质总量Q H ：Q H =Q (γC −γW )/(γH −γW )式中，γC 为泥石流重度，γC =1.593t/m 3;γW 为水的重度，γW =1.0t/m 3;γH 为固体物质重度，γH =2.65t/m 3。
计算得Q H =44.8m 3。
（5）泥石流整体冲击力σ=λγc g V C 2sina式中，λ为建筑物形状系数，λ=1.33；a 为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，a =90°。
σ=0.37kPa 。
2. 结构抗泥石流灾害的设计计算 （1）设计要求及计算参数：结构安全等级: 一级 混凝土强度等级: C50 钢筋等级: HRB335 单元类型：SOLID95材料特性：柱子：线弹性；顶板：材料非线性；填土:DP 特性初拟几何尺寸：边柱高32.0m ，截面2.0m ×3.0m ；顶板厚1.0m ；填土厚0.45+0.30×L 边界条件：基础：D ，ALL ，ALL ，0；靠山侧填土：D,ALL,UX,0 荷载组合：自重+泥石流固体物质+泥石流整体冲击（2）结构承载力验算C50砼抗压强度标准值：32.4MPa；抗拉强度标准值：2.64MPa；抗剪强度标准值：4.0MPa。
落石冲击棚洞结构的PFC3D数值模拟研究
文章引用: 李俊杰, 李俊隆, 王玉锁. 落石冲击棚洞结构的 PFC3D 数值模拟研究[J]. 土木工程, 2019, 8(3): 800-810. DOI: 10.12677/hjce.2019.83093
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2019, 8(3), 800-810 Published Online May 2019 in Hans. /journal/hjce https:///10.12677/hjce.2019.83093
2.2. 力学本构关系
本次离散元数值模拟采用接触刚度模型，回填土颗粒单元采用接触粘结本构模型，棚洞颗粒单元采 用平行粘结结构模型。
3. 棚洞结构建模
采用离散元颗粒流数值模拟软件 PFC 建模，模拟工况是有回填土(t = 1 m)和无回填土(t = 0)两种情况, 落石重量 2.0 t，垂直下落冲击棚洞结构。落石冲击时，需要考虑落石重力、回填土的摩擦力、回填土对 落石的粘滞阻尼力和落石与回填土以及棚洞结构的碰撞力，阻尼选用粘滞阻尼，粘滞阻尼系数取值 0.2。
Received: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019
Abstract
Based on the discrete element theory, a particle model was made to simulate the process of rockfall impact to shed cave under with and without backfill soil and the impact effect of different parts of the shed structure was studied and analyzed. The results drew conclusions as below: The stress response of the same part was different and meanwhile, the dynamic response of different parts was neither different under the action of rockfall impact. The shear stress is taken as the control stress near the impact position of the falling rock, and the failure form is shear failure. At the end of the roof, the normal stress is used as the control stress, and the failure form is extrusion failure. The impact effect of backfill is less than that of non-backfill, which indicates that backfill has very good buffering effect on rockfall impact, and the layout of backfill has an effect on the stress distribution of roof under rockfall impact.
落石冲击力理论与数值模拟研究
3.2. 落石冲击棚洞结构的数值模型
本文运用 ANSYS/LS-DYNA 软件，建立与实际工程一致的模型，通过显示动力算法模拟落石冲击混 凝土棚洞的全过程。 材料模型：针对钢筋混凝土冲击过程中破坏大变形问题，选择合适的混凝土本构关系至关重要。混 凝土标号为 C30，采用 HJC 材料模型，该模型因其简明合理的描述和计算程序的适应性，在混凝土强动 载问题中获得了世界范围的广泛应用[12]。其材料参数见表 2。
3.1. 落石与棚洞材料参数
本文棚洞结构主要分为上下两个部分，上部为钢筋混凝土 T 型梁，下部为混凝土顶端梁，混凝土棚 洞模型如图 1 所示。根据 JTG/TD70-2010《公路隧道设计细则》[11]规定，当边坡有严重的危石、崩塌威 胁时，棚洞顶板的回填土厚度不宜小于 1.5 m，因此在棚洞顶板上铺设 1.5 m 砂土缓冲层。 由于实际工程中，落石的形状并非规则的球体，为了使冲击结果与实际工程更相近，因此落石采用
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1. 引言
落石是山区常见的灾害，对其危害范围内的公路、铁路等构筑物和人类活动构成了严重的威胁。棚 洞作为一种有效的被动防护措施，目前已广泛地建造于落石易发处，来保护山区公路和铁路，防止交通 堵塞。落石冲击力是棚洞结构设计时需要考虑的主要荷载之一。国内外学者对冲击力的研究主要基于四 个理论：动量定理、弹性力学、接触力学和塑性变形[1]。 为了保护棚洞的下部结构，设计人员通常在棚洞上部铺置一定厚度的砂土垫层来缓冲落石对棚洞结 构的冲击。 落石冲击土层时包含了土层的弹性、塑性变形， 也伴随着粘性、 硬化和摩擦能量耗散等行为， 导致冲击过程更加复杂。 因此学者们对于落石冲击的研究大多基于冲击实验结果推导半经验半理论公式： 日本道路公团[2]和 Labiouse 瑞士公式[3]基于 Hertz 弹性接触理论和室内落石冲击试验数据结果，提出计 算落石冲击力的半经验半理论公式；Pichler [4]等结合室外实验，根据落石冲击深度、落石高度计算其冲 击力及冲击时间；杨其新、关宝树教授[5]通过对室内落锤实验数据拟合，建立落石冲击力计算方法。另 外，国内的《公路路基设计规范》(JTJ13-95) [6]和《铁路工程设计技术手册·隧道(修订版)》[7]也推荐了 落石冲击力的近似算法。 然而实际工程中，山区落石的形状各异，冲击能量较大，当落石冲击砂石等缓冲层后，造成的压痕 较深变形较大，Hertz 弹性理论的小应变假设已经不能应用于伴随着塑性变形的落石冲击力的理论研究。 各个理论计算方法通常采用球形落石的形式，而忽略了落石形状对冲击力的影响。从理论上、数值上和 实验上，对落石形状对冲击力和结构响应的影响研究较少。徐胜[8]通过数值模拟表明：在同等条件下， 落石形状的不同会导致冲击力大小也不同，其中正方形时，落石冲击力最大。Peng Yan, Jinhua Zhang [9] 等人通过数值模拟发现，与圆形落石相比，椭球体随着球度的增大，峰值冲击力和冲量增大。因此本文 在考虑落石形状的情况下，通过数值模拟二十六面体落石冲击混凝土棚洞结构，来研究现今推荐使用的 各个落石最大冲击力的计算方法是否依然适用。
不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究
不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究张群利;王全才;吴清;郭绍平【摘要】借助ANSYS／LS－DYNA有限元软件模拟棚洞结构在落石冲击荷载下的动力响应过程，通过分析比较5类棚洞结构的受力与变形的特征，研究不同结构类型的抗冲击性能。
研究表明：不同结构类型棚洞在同等冲击作用下会有不同的动力响应，全拱式和半拱式棚洞的抗冲击性能比门式有优势，斜柱式比直柱式抗冲击性能好；门式和半拱式棚洞的柱体顶部内侧与顶板交接处，全拱式棚洞的拱柱底部是最大等效应力的集中部位，实际工程中可采取局部加强措施，保证结构的安全性。
%In order to study rock-fall impact properties of different shed-tunnel structures,five kinds of shed-tunnel structures' models were established with the finite element software ANSYS/LS-DYNA.The distribution of force and deformation characteristics was analyzed comparatively.The results showed that different shed-tunnel structure types possess different dynamic responses under the same impact load.The comprehensive analysis of effective stress duration curves and roof displacement indicated that the impact resistances of archstyle and semi-arch-style shed-tunnel structures are better than those of gantry ones,and the impact resistances of inclined column ones are better than those of straight column ones.The maximum equivalent stress distribution showed that dangerous parts of gantry shed-tunnel structures and semi-arch ones are at the juncture between inside of column crown and roof,and those of arch shed-tunnel structures are at the bottom of arch-column,some local reinforcementmeasures should be adopted in practical projects in order to keep the safety of shed-tunnel structures.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P72-76)【关键词】棚洞结构;落石;数值分析;冲击响应【作者】张群利;王全才;吴清;郭绍平【作者单位】中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041;西安中交土木科技有限公司，西安 710075;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041; 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041; 中国科学院大学，北京100049【正文语种】中文【中图分类】TU311.3第一作者张群利女，博士生，1986年生通信作者王全才男，研究员，1959年生Key words:shed-tunnel structure; rock-fall; numerical analysis; impulse response山区经济、旅游的快速发展，促使交通路线不断向山区延伸，落石灾害问题已愈发突出[1-2]。
棚洞结构模型试验研究
・
斜柱顶端设有纵 向托梁 ， 托梁为暗梁结构 ， 托梁高度
为 １ ８ 宽度 ｌ Ｏ ； ． ｍ， ＿ ｒ 曲墙平 板 厚度 为 ０ ８ 钢 筋 混 ｅ ．ｍ
其中棚洞结构采用有 机玻璃制作Ｌ ， ２ 回填体和边坡 ］ 材料采用混合砂 、 石膏粉等材料配合而成［ ， ３ 通过测 ］
尺 寸为 １２ ｘ１２ 相 邻 两 斜 柱 中心 间距 ９ ５ ． ｒ ｍ， ｅ ． ． ｍ；
得边坡 、 回填体和棚洞结构之间的接触压力 ， 确定棚
洞结构体系 的初始受力 状态 。然后 在边坡顶部 加 载， 模拟边坡侧向压力增大的情况下 ， 棚洞结构体系
件 、 同开挖坡率 、 不 不同 回填体材料 、 不同边坡高度等组 合情况 进行 了试验 。试验 过程 中 ， 回填体 与边坡及 棚洞 对 结 构间的接触应力 、 洞结构的表面应力 、 棚 棚洞 结构的位移 等指标 进行 了测试 ， 结果表 明 ： 相 同边 坡和棚 洞结构 在
条件 下 ， 回填相对 于片石回填 ， 土石 棚洞结构 的内力更 大 ； 相对 于土质边 坡 ， 质边坡 情况下 棚洞结 构受 回填 体材 岩
棚洞 边坡 岩体 从上 至下 依次 为 ： 植土 （ 耕 厚度 约
０ ５ ～ １ ５ ｍ） 粉 质 粘 土 夹 碎 石 （ 度 ５ ０ ７ 、 ．Ｏ ．０ 、 厚 ． ～ ｍ） 粉砂 质页 岩 。
棚洞 结构 与边 坡 间的 回填 主要 采 用干码 片 石和
耕植 土两 种材 料 ： 砌 片石 的高 度 与 棚 洞结 构 拱 顶 浆
合 理 回填材 料进 行 回填 ， 结 构 内力 和 位 移 进 行 分 对
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. r e p l a c e a n a r r a y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o r t a b l e f r a m e s l i n k e d w i t h a l o n g i t u d i n a l s t e e l t u b e t r u s s I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e
文献标志码：A
DOI ：10. 13465/ki.jvs.2017.09.026
N u m e r i c a l simulationandtests for flexible r o c k s h e d subjected to rackfall i m pact
YANG Jianrong1,2 , BAI Yu2 , YANG Xiaodong2 , LUO Yunfei
(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongq
400074，China；2. Faculty of Civil Engineering and Architecture，Kunming University of Science and Technology，Kunming
， ， d a t a o b t a i n e d i n c l u d e d i m p a c t t i m e i n t e r v a l m a x i m u m d e f l e c t i o n o f m e t a l f l e x i b l e n e t t e n s i l e f o r c e o f s u p p o r t r o p e s a n d
第 36卷第9 期
振动与冲击
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol.36 No.9 2017
柔性棚洞结构落石冲击数值模拟与试验研究
杨建荣$，2，白 羽 2& 杨 晓 东 2 & 罗 云 飞 3 (1.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074;2.昆明理工大学建筑工程学院，昆 明 650500;
3.中铁二 院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆 明 650200)
摘 要 ：提出一种适用于铁路线路落石防护的新型柔性棚洞，利用金属柔性网和弹簧撑杆组成柔性耗能结构取代
传统钢筋混凝土棚洞顶部铺设的砂、砾石垫层来达到缓冲消能目的。为准确评估该柔性棚洞结构的性能，采用动力有限
元方法对其落石冲击过程进行了数值模拟，计算结构动力响应，并依据计算结果修正、优化结构设计;进一步开展1: 1结
构局部模型落石冲击试验;测试得到冲击时长、金属柔性网最大挠度、支撑绳索力和弹簧撑杆轴向应变数据。经试验验
证，数值计算结果可靠，在能级为50 kJ的落石冲击作用下，结构主要构件均处于弹性工作状态。最后，针对存在的问题
给出改进建议。
关键词：柔性棚洞结构;落石;冲击力；足尺模型试验;弹簧撑杆
中图分类号：U 213.83
650500，China；3. Kunming Survey，Design and Research
Institute Co.，Ltd.of
CREEC，Kunming 650200，Chi
ห้องสมุดไป่ตู้
Abstract: . A n e w f l e x i l D l e r o c k - s l i e d w a s p r e s e n t e d f o r p r o t e c t i o n o f r a i l w a y f r o m f a l l i n g r o c k s T h e s h e d c o n s i s t e d o f
structure c a n withstand
impact energy
50 ， o f
k J the
m a i n c o m p o n e n t s of
the
shed are working within
. . a x i a l s t r a i n o f s p r i n g s p a c e r b a r s T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s w e r e v e r i f i e d w i t h t e s t e d d a t a It w a s s h o w n t h a t t h e
. a m e t a l f l e x i b l e n e t s y s t e m c o n n e c t e d w i t l i s p e c i f i c s p r i n g s p a c e r b a r s I t w a s d e s i g n e d a s a b u f f e r a g a i n s t r o c k i m p a c t a n d
p e r f o r m a n c e of the
， f l e x i b l e r o c k - s h e d t h e
numerical
simulation w a s
p e r f o r m e d to
investigate
impa
. ， . t o r o c k f a l l T h e n t h e i m p a c t t e s t s w e r e c o n d u c t e d o n a f u l l - s c a l e m o d e l f o r t i i e l o c a l p a r t o f t i i e p r o t o t y p e s t r u c t u r e T h e