不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究

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

不同结构类型棚洞的抗冲击性能研究

张群利1,2,3，王全才1,2，吴清4，郭绍平1,2,3

(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,成都610041；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都610041；3.中国科学院大学,北京100049；4.西安中交土木科技有限公司,西安710075)

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。

关键词：棚洞结构；落石；数值分析；冲击响应

收稿日期：2013-09-11修改稿收到日期：2014-01-05

中图分类号:TU311.3文献标志码：A

基金项目：国家自然科学

Anti-impact performances of different kinds of shed-tunnel structures

ZHANGQun-li1,2,3,WANGQuan-cai1,2,WUQing4,GUOShao-ping1,2,3(1. Key Laboratory of Mountain Surface Process and Hazards, CAS, Chengdu 610049, China;2. Research Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 600041, China; 3. Univ. of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. CCCC Civil Science & Technology Co., Ltd, Xi’an 710075, China)

Abstract: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 reinforcement measures should be adopted in practical projects in order to keep the safety of shed-tunnel structures.

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]。棚洞作为一种既安全又环保的防护结构，在道路建设中受到越来越多的重视和应用[3-4]。由于国内对落石灾害的基础研究比较薄弱，落石防护结构设计和施工等关键技术尚不成熟，实际应用中很多棚洞受到落石冲击时都达不到强度要求，棚洞结构被砸坏的案例屡见不鲜，例如汶川地震时宝成铁路109隧道洞口棚洞被崩石严重砸坏导致火车受损并着火，2012年6月7日国道317理县境内大歧棚洞因山体滑坡被巨石砸中受损而危及行车安全，造成巨大损失[5]。为此，学者们[6-8]在棚洞抗冲击性能研究方面做了很多努力，也取得了一定的成果。但是，为了满足棚洞在工程中越来越多的应用需求，应在落石冲击作用下棚洞结构的损伤、破坏机理等方面进一步加强理论研究。因此，开展落石冲击作用下棚洞结构的动力响应机制研究，进一步完善落石防护结构设计体系，增强棚洞结构的环保性、安全性和经济性，能为棚洞的合理设计和施工提供指导，具有重要的理论和现实意义。

本文针对目前常见的门式直柱式、门式斜柱式、半拱直柱式、半拱斜柱式和全拱式这5种棚洞结构形式(如图1所示)[9]，借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件，模拟落石冲击荷载下棚洞结构的动力响应过程，对比分析不同结构类型棚洞在冲击力作用下的受力变形特性，研究棚洞的抗冲击性能，以期为同行提供参考。

图1　几种常见的棚洞结构 Fig.1 Several common shed-tunnel structures

1棚洞结构的数值模拟

1.1计算模型

参考实际工程中的棚洞结构[10-13]，直接在ANSYS/LS-DYNA软件中生成等效直径为2 m的落石，从10 m高处自由下落，冲击在倾角为0.1∶1的缓冲土层上，落石冲击处缓冲土层厚度为2 m；棚洞宽度为12 m，净高6 m，斜柱倾角75°；考虑到结构的对称性，长度方向取一跨，即8 m进行分析。有限元模型中涉及的主要材料为落石、土和钢筋混凝土

(棚洞主体结构为C30

钢筋混凝土)，均采用SOLID164实体单元模拟，其中滚石选用刚体材料模型，土体选用Drucker-Prager材料模型，钢筋混凝土采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型。因本次研究的重点在棚洞结构，因此落石选择自由网格划分形式，土体和棚洞结构均采用扫掠网格划分方法，以提高计算精度，棚洞的有限元模型见图2。

图2　棚洞结构的计算模型 Fig.2 Calculation model of shed-tunnel structures

1.2计算参数

为便于对比分析，计算涉及的材料力学参数是参照实际工程案例[14-15]和《公路隧道设计规范》[16]选取统一值，见表1。

表1　材料力学参数

2棚洞结构动力响应分析

2.1应力传递过程分析

为了准确地描述不同棚洞结构在落石冲击作用下的应力变化情况，从各棚洞的不同部位取具有代表性的单元进行等效应力分析，具体情况见表2。所取代表单元号对应于各棚洞结构计算模型中所处的位置及其等效应力历时曲线见图4。

图4　代表单元号在计算模型中所处位置及其等效应力历时曲线 Fig.4 Location mapsand effective stress duration curves of representative elements in the calculation models

关键部位门式直柱式门式斜柱式半拱直柱式半拱斜柱式全拱式顶部H374H194H371H218H422外柱(直/斜柱)中心H356H254H350H248H302底部H335H302H332H299H213外缘H1121H1157H1034H1052—顶板中心H1016H1049H965H995H191近墙侧H2886H2916———顶部H101H101H44H39H38内墙(直/曲墙)中心H122H122H104H86H80墙脚H140H140H141H140H140

由图4中各棚洞结构在冲击荷载下的等效应力曲线可以看出：①曲线都出现震荡现象，表明冲击荷载在结构中产生了冲击波，冲击波的传播引起了应力和变形震荡，其中门式斜柱式棚洞中不同部位的等效应力变化相较其他4类棚洞结构更具统一性，而冲击波引起的震荡在半拱斜柱式和全拱式棚洞中的影响较小；②各棚洞不同部位达到最大冲击应力时间并不统一，且随应力扩散过程有一定延迟；③不同时刻最大等效应力出现的部位也不断变化。

总体来说，不同结构棚洞的危险部位顺序不同：①门式直柱式棚洞：直柱顶内侧>顶板落石冲击位置>直柱底部内侧>其他位置；②门式斜柱式棚洞：斜柱柱顶内侧>顶板落石冲击位置>其他位置；③半拱直柱式棚洞：直柱柱顶内侧>直柱柱底部位>曲墙墙脚部位>其他部位；④半拱斜柱式棚洞：斜柱柱顶内侧>斜柱柱底部位>曲墙墙脚部位>其他部位；⑤全拱式棚洞：拱柱部分是整个结构的薄弱环节，尤其是拱柱底部是最危险的部位。

2.2最大等效应力分析

不同结构类型棚洞在相同冲击状态下，结构的最大等效应力随时间的变化如图5所示，棚洞结构最大等效应力计算结果见表3。

表3　最大等效应力计算结果

图5　最大等效应力历时曲线 Fig.5 Relationship between maximum effective stress and time onthe most dangerous sections

图5和表3结果表明，5种不同结构类型棚洞在冲击力作用下等效应力变化有所不同：①门式直柱式棚洞冲击时结构最大等效应力值最高，后期应力震荡幅度最大，频率较大；②门式斜柱式棚洞最大等效应力值较小，应力震荡现象也很明显，幅度小于直柱式棚洞，但频率很高，且结构各部位震荡现象很一致；③半拱直柱式棚洞最大等效应力值较大，应力震荡明显，振荡频率比门式棚洞低很多，幅度也小很多；④半拱斜柱式棚洞受冲击力作用时结构的最大等效应力值较低，只有很小的应力震荡现象，此微小波动比直柱式棚洞震荡的频率高很多；⑤全拱形棚洞的最大等效应力和直柱式棚洞接近，等效应力达到最大后迅速减小，后期应力以微小震荡幅度减小，但振动频率很高。

此外，最大等效应力集中部位表明门式和半拱式棚洞的最危险部位均位于柱体顶部内侧与顶板的交接处，全拱式棚洞的最危险部位位于拱形柱底位置。因此，棚洞结构应在应力集中部位采取局部加强措施，以保证结构的安全性。

2.3棚洞顶板撞击处的变形分析

落石冲击荷载下，冲击位置正下方棚洞顶板处的垂向位移历时曲线如图6所示，垂向最大位移见表4。

表4　冲击位置正下方棚洞顶板处的垂向最大位移

注：初始时刻冲击位置正下方棚洞顶板处的最大位移为0，垂向位移向上为“+”，向下为“-”。

由图6和表4可知，冲击荷载在结构中产生了冲击波的传播也引起了棚洞结构的变形震荡，但是5种不同结构类型棚洞在同等冲击力作用下冲击位置正下方棚洞顶板的变形情况不同，垂向最大位移与震荡幅度由大到小排序为：门式直柱式>门式斜柱式>半拱直柱式>半拱斜柱式>全拱式。

图6　冲击位置正下方棚洞顶板处的变形历时曲线 Fig.6 Y-displacement duration curves of the shed-tunnel roof located just below the shock position

3结论

本文借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件，模拟落石冲击荷载下棚洞结构的动力响应过程，探讨5种常见棚洞结构类型(门式直柱式、门式斜柱式、半拱直柱式、半拱斜柱式和全拱式棚洞)在冲击力作用下的受力变形特性，得到如下结论：

(1)冲击荷载在结构中产生冲击波，冲击波的传播引起结构应力震荡和结构变形，且应力扩散过程有一定延迟。

(2)5种不同结构类型棚洞在同等冲击力作用下会有不同的动力响应：等效应力方面，全拱式棚洞与直柱式棚洞的最大等效应力接近，但明显大于斜柱式棚洞，棚洞结构柱形相同时半拱式棚洞的最大等效应力略小于门式棚洞；在冲击力荷载引起的应力震荡方面，门式棚洞较半拱式和全拱式棚洞震荡幅度明显，斜柱式振荡频率高于直柱式；棚洞顶板变形方面，全拱式棚洞顶板变形最小，半拱式次之，门式最大，当棚洞洞形相同时直柱式大于斜柱式。总体而言，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。

(3)在落石冲击作用下，最大等效应力集中在门式和半拱式棚洞的立柱顶部内侧与顶板交接处，全拱式棚洞则集中于拱柱底部，这些部位是棚洞结构中最危险部位，实际工程中应采取局部加强措施，以保证结构的安全性。

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