滚石防护棚洞EPS垫层结构缓冲作用研究

工程实践表明聚氨酯泡沫（EPS）垫层结构对滚石防护棚洞有较好的缓冲作用,但其作用机理,缓冲效果定量评价还有待深度研究。为此,对滚石冲击荷载下铺设土垫层及EPS垫层结构棚洞板的动力响应进行了对比研究。首先通过静力压痕数值试验获取不同垫层结构与滚石在加卸载条件下的接触力—压痕关系,并将其引入棚洞板的冲击动力控制方程,进而计算滚石冲击荷载下不同垫层结构棚洞板的动力响应,并与动力有限元进行了对比分析,结果表明：本文理论解与动力有限元结果非常接近,理论方法可用于棚洞动力响应分析;EPS垫层结构缓冲效果显著,可大幅度降低滚石冲击力,且EPS材料密度越小、厚度越大耗能效果越明显。     

滚石冲击EPE-砂土复合垫层明洞动力响应研究EI北大核心CSCD

明洞顶部铺设缓冲垫层是提升明洞结构抗滚石冲击性能的重要措施之一,传统垫层主要以砂土材料为主,存在自重大、缓冲效果差等缺点。为此,引入具有轻质、高回弹性能的发泡聚乙烯(expandable polyethylene,EPE)材料,并与砂土组成EPE-砂土复合明洞垫层结构,采用物理模型试验及数值模拟手段,开展滚石冲击EPE-砂土复合垫层明洞动力响应研究及优化设计。研究表明:当垫层总厚度一定时,与传统砂土垫层、纯EPE垫层相比,EPE-砂土复合垫层在减缓滚石冲击力和降低下覆顶板应力及位移上均表现出更好的耗能缓冲效果;进一步,将EPE-砂土复合垫层应用于汶马高速桑坪隧道明洞工程中,通过多组工况数值模拟计算表明:当垫层总厚度设计为1.5 m时,在最大滚石设计冲击能级(1621 kJ)条件下,EPE-砂土复合垫层采用厚度比值为4∶1(砂土材料1.2 m,EPE材料0.3 m)时具有最佳防护效果。研究成果可为明洞工程EPE-砂土复合垫层设计提供理论依据及技术支持。     

滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究

滚石冲击棚洞垫层的动力响应分析多采用数值模拟手段,缺乏物理模型试验验证。为此,以山区棚洞结构为原型,搭建滚石冲击棚洞结构试验平台,开展不同坠落高度下不同垫层厚度及密度的冲击试验,并建立对应的数值模型。进一步通过与试验结果比对,验证数值模型的可靠性,在此基础上开展滚石冲击棚洞垫层动力响应数值计算分析,结果表明:松散砂土垫层比密实砂土垫层具有更好的耗能效果;增大垫层厚度能够延长冲击持续时间,有效降低滚石冲击力,但随着厚度不断增加,其缓冲能力的提升程度减缓;通过对Hertz接触理论、日本公式、动力有限元三种方法比较,发现前两种方法的计算结果明显偏大,偏于保守。研究成果可为棚洞结构砂土垫层的设计提供理论与技术支持。     

基于离散元-有限差分耦合的滚石冲击棚洞垫层动力响应研究

在棚洞结构顶部覆盖一层砂土缓冲垫层能有效减小滚石对棚洞顶板的冲击力,以往多采用有限元方法开展研究,无法考虑砂土垫层离散特征,研究手段有待改进。以棚洞垫层物理模型试验为原型,考虑砂土颗粒离散性和棚洞混凝土结构的连续性,采用离散元-有限差分耦合算法,其中离散元模拟砂土垫层,有限差分法模拟棚洞混凝土结构,在充分发挥两种模拟方法优势下,开展滚石以不同角度、不同速度冲击棚洞垫层的动力响应数值模拟研究,通过对受冲击棚洞支座反力、棚洞顶板位移、滚石冲击力分析,揭示棚洞结构的动力响应特征。研究结果表明:冲击角度和冲击速度对支座反力影响显著,冲击角度增大,支座反力随之增大。相对而言,在较小冲击角度下,支座反力受冲击角度的影响较大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响则更明显;冲击力方面,伴随冲击角度和冲击速度增大,滚石冲击力随之增大,较大冲击角度下,角度的增大对冲击力的提升更加明显;棚洞顶板中心处竖向位移值随冲击角度和冲击速度的增大而显著增大,且在较小冲击角度下,冲击角度对顶板位移的影响更大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响更为显著。     

山区桥墩抗滚石冲击的双腔椭圆偏心包裹结构研究

山区桥梁墩柱因刚性大而抗冲击效果差,常被滚石冲击损毁,但目前还缺乏有效防治措施。为此,在科学解析滚石对桥墩的弹塑性冲击破坏机理的前提下,基于耗能减震理论提出了一种充填泡沫铝的双腔椭圆偏心桥墩包裹抗冲击结构。继而综合MTS试验数据,采用动力有限元技术对滚石冲击下桥墩防护新结构的动力响应进行计算和分析,并优化结构设计。结果表明:定向椭圆偏心包裹泡沫铝层可显著延长冲击历时,降低冲击荷载,其结构形式经济高效;包裹层厚度适当增加有利于控制墩柱对冲击的动力响应,但过厚也会因结构整体性增大而弱化甚至降低防护效果;双腔充填的"外薄外密"模式最利于控制桥墩塑性应变和冲击挠度,耗能效果更好。总体上,新结构可大幅降低滚石的最大冲击力,保证桥墩结构安全运行。     

基于接触力学计算钢筋砼烟囱定向爆破中土垫层厚度

针对烟囱定向爆破产生的强大冲击振动效应以及防护主要依据工程经验的现状,土垫层厚度计算显得尤为重要。应用W inkler弹性地基模型,基于接触力学理论计算钢筋砼烟囱定向爆破触地冲击力,进而结合地面破坏规律推导出土垫层厚度的计算公式,并采用相关文献实例进行验证。结果表明采用二次曲线模拟接触区域更符合实际情况,计算结果较保守、偏于安全。因此,该公式对烟囱定向爆破防护具有一定的指导意义。     

基于能量密度确定缓冲材料性能曲线的研究

目的 为了不断提高缓冲结构的综合防护性能,设计一种刚性和柔性模块组合化的一体式托架缓冲防护结构。方法 设计缓冲防护总体结构,分析总体结构的综合性功能,计算理论柔性模块缓冲性能,采用Ansys有限元静态模块分析贮存状态的托架强度,采用动态模块分析跌落状态的产品加速度冲击过载、产品位移量和托架强度。结果 缓冲防护结构强度小于材料抗拉强度,产品在跌落过程中受到的加速度冲击过载满足设计要求。结论 缓冲防护结构设计合理可行,综合防护性能更优,为缓冲防护领域结构设计和分析提供了设计和数据参考。     

滚石运动特性研究新进展

综述了近年来国内外关于滚石运动轨迹及滚石冲击力研究的新进展,介绍滚石灾害风险评价与滚石防护措施的研究成果。现场试验、模型试验和数值模拟是目前应用较多的三种滚石运动轨迹研究的方法,其中数值模拟在滚石运动轨迹研究中已经成为主流研究手段。重点介绍了STONE,CRSP,RocFall三种滚石运动轨迹的数值模拟软件,列举了若干滚石冲击力的典型计算方法。最后进一步提出,在滚石运动轨迹研究中,数值模拟的发展应该侧重于滚石的滑动、自由落体、弹跳、滚动这四种运动状态之间的相互转化与组合机理的研究。     

落锤冲击荷载作用下蒸压加气混凝土的缓冲性能试验研究

蒸压加气混凝土落锤冲击试验考虑了试件的厚度、落距对冲击力最大值的影响。试验结果表明,一定冲击能量下试件的冲击力最大值随自身厚度增加先变小后变大,存在一个使冲击力最大值为最小的最佳厚度。提出了冲击力最大值的计算公式,公式与试验结果吻合良好,并得出了最佳厚度的计算方法。冲击过程中,冲击能量转化为缓冲层材料的表面能,转化的量随厚度先增大后减小,缓冲效果先变好后变差。     

基于弹塑性理论的落石碰撞恢复系数和峰值冲击力研究

考虑土体的弹塑性特征,利用经典接触理论,假设在法向与切向相互独立的基础上,根据入射条件,提出了一种计算切向力的新模型。推导了落石碰撞过程中的能量恢复系数和冲击力的计算公式;得到以初始入射速度和入射角为变参量下的恢复系数和冲击力的变化规律。结果表明:当入射速度相同时,恢复系数与入射角呈正相关;当冲击入射角相同时,恢复系数与速度呈负相关,而冲击力与速度呈线性正相关;落石回弹的运动状态取决于初始入射条件,通过坡面条件及入射条件对可能掉落的危岩体进行运动形态的判别;目前普遍采用的Thornton速度恢复系数偏大,会造成防护结构的失效或材料浪费。     

落石冲击下桥墩刚柔叠层防护结构的缓冲耗能试验研究

山区工程结构的落石冲击灾害问题显著,耗能缓冲防护结构能有效减小冲击灾害。针对桥墩的冲击防护,设计了型钢-泡沫板、型钢-混凝土和泡沫板-混凝土三种耗能缓冲结构,通过对三种防护结构在落石冲击下的破坏模式及试验动力响应过程分析,揭示刚柔叠层冲击防护结构的耗能缓冲机理。试验结果表明：利用刚性外层可将冲击能量有效扩散至内部柔性缓冲层,充分发挥刚柔层的耗能及缓冲性能;混凝土泡沫板防护结构综合性能最优,对比无防护结构,其可使落石冲击钢筋混凝土试验板的冲击持续时间延长9～10倍,平均冲击力减至无防护结构的1/10以下,具有良好的耗能缓冲性能。     

平面波加载器底部垫层材料设置研究

合理选择平面波加载器底部的垫层材料可以大大提高爆炸荷载作用下各物理参量的测试精度，尤其是土压力传感器频响不是很高的情况下选择合适的垫层材料可以避开部分高频分量所带来影响，本文简单介绍了本单位Φ９００土平面波加载器调试阶段底部反射垫层材料选择的理论研究工作。     

弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计

针对弹体侵彻混凝土环境,提出一种中薄型防护外壳嵌套内壳体,两壳体间填充泡沫铝缓冲材料的记录仪抗冲击防护结构。针对应力波作用下防护外壳的屈曲和泡沫铝缓冲性能不足导致内部电路模块冲击断裂的典型失效模式,通过对记录仪抗冲击防护结构在应力波作用下的结构响应分析,提出一套以壳体厚度h、泡沫铝密度ρ、泡沫铝厚度h_b为主要设计指标的弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计方法。设计出防护外壳半径为29 mm,壁厚3 mm,泡沫铝密度1.1g/cm~3,泡沫铝厚度23 mm的抗冲击防护结构,经计算该结构理论抗冲击能力为63 300 g。在实弹侵彻混凝土试验中,测得冲击加速度峰值为56 300 g,在此冲击下记录仪壳体结构稳定,内部电路工作正常,验证了此抗冲击防护结构具有较高的可靠性。     

基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟

与框架钢筋混凝土棚洞相比,拱形钢筋混凝土棚洞具有自重小、跨度大的优点,其常用砂土垫层来耗散冲击能量。针对有限元法(FEM)模拟拱棚洞砂土材料超大变形问题时所存在的困难,建立了有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合数值计算方法。利用SPH粒子模拟落石冲击区域的大变形砂土,为提高计算效率和精度,非冲击区域砂土用有限元单元模拟,并将混凝土、钢筋、岩石、冲击锤等划分成Lagrange标准有限元网格;然后基于耦合SPH-FEM方法建立了落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模型。研究结果表明:随着冲击能量的增大,冲击力峰值和拱中点位移峰值也逐渐增大;与足尺冲击试验结果对比,冲击力峰值和拱中点位移峰值最大误差均没有超过10%,验证了数值耦合模型的准确性;数值耦合模型形象再现了砂土成坑的物理过程,砂土垫层耗能占初始冲击动能的85%以上,说明砂垫层是一种很好的缓冲耗能材料。SPH-FEM耦合方法显示出了模拟拱形钢筋混凝土棚洞冲击问题的有效性。     

直墙拱顶地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应

地下坑道在爆炸地震波的冲击作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题。本文对有弹性垫层的地下直墙拱顶结构在爆炸地震波作用下的动力响应进行了研究,采用共同变形理论和矩阵力法考虑衬砌与围岩的相互作用,建立了爆炸地震波作用下地下防护结构动力响应的快速计算方法。利用建立的计算方法分析了围岩等级、垫层参数和荷载作用形式等对典型直墙圆拱结构动力响应的影响,分析结果表明,围岩等级对结构的动力响应具有显著的影响,围岩质量越好,结构的位移和内力越小;垫层具有延迟响应和降低响应峰值的作用,荷载作用形式也具有一定的影响。     

抗高过载防护结构的设计与性能测试

目的弹载记录仪在回收过程中,存在记录仪因硬着陆产生的高冲击力和高过载加速度使仪器损毁而致有效数据失效的现象。针对该问题设计新型双层壳体两级缓冲隔离的电路防护结构,并进行性能测试。方法结合Ansys/Workbench有限元数值模拟软件仿真分析该结构在冲击过程中的形变和受冲击过载特性,同时使用马歇特锤对使用该防护结构的记录仪模拟高冲击、高过载环境实验,由记录仪存储双层防护壳体内外嵌入的加速度传感器信号,并对多次试验信号数据进行处理和分析。结果在过载加速度小于25 000g时,该多层防护结构具有良好的缓冲效果,对记录仪保护效果良好;各层材料的声阻抗差别会影响整体保护效果,差别越大效果越好。结论该防护结构在高过载冲击环境下能有效衰减冲击效应,保护电子设备的安全。     

S形钢龙骨-夹芯板防护层的落石冲击缓冲性能试验研究

为了减小高山峡谷中落石对建构筑物墙体的危害,提出了S形钢与EPS泡沫夹芯板组合防护层的方案。自行设计制作了S形冷弯薄壁型钢,对采用这种防护方案的四角支承钢筋混凝土板,开展了一系列的落石冲击试验。通过对落石冲击力及钢筋混凝土板四角处的支座反力变化过程研究,得到了落石冲击力和板底支座反力随时间的变化形态,探讨了新型防护结构的缓冲性能。与无防护结构试验结果对比分析表明,新型防护结构使落石冲击钢筋混凝土板的持续时间延长了5~6倍,最大冲击力降低了一半,平均冲击力减小至1/7~1/6,板内钢筋与混凝土产生的最大应变率数量级由10~5s~(-1)降至10~3~10~(-2)s~(-1),大大降低了落石对钢筋混凝土板的冲击破坏程度,具有良好的缓冲防护性能。     

滚石坡面法向冲击动力响应特性研究

滚石灾害是5·12地震诱发的主要次生山地灾害之一,因具有随机和不可预见性,成为灾后重建中地质灾害防治的难点.滚石防治的核心问题是解析滚石对坡面的冲击响应,由于冲击过程历时短、变形大和能量转换复杂,通过传统理论分析方法分析较为困难.为此,以Hertz理论为基础,考虑坡体的弹塑性特性,模型化滚石冲击为自由落体冲击的半无限体...     

长九神山灰岩矿爆破开采滚石控制研究

在矿山爆破开采中,爆破滚石控制是安全生产的重要保障.依托于长九神山灰岩矿,采用理论分析和模型研究相结合的方法,阐述了矿山露天爆破开采过程中滚石产生的机理,建立了简化的边坡滚石运动学模型,计算了不同开挖高程下的滚石运动距离并预测了影响范围.结果表明:在无防护措施时,滚石最大运动距离可以达到150 m以上,影响范围覆盖部分民房、农田及公路,对矿区周边居民生产生活带来安全隐患.基于此,针对长九神山矿的工程实际及生产需求,研究了爆破开采过程中的滚石控制措施,提出了预留岩墙的微差松动爆破方案,辅以挡石墙和截石沟对滚石进行拦截,分别从源头上和运动过程中对滚石运动危害进行控制;同时,设立了合理的警戒范围,在矿权线300 m范围内采取搬迁措施.该技术为复杂环境下工程爆破滚石的有效防护提供了参考.     

陶瓷材料的冲击弯曲强度

对于结构陶瓷的工程应用来说,抗冲击性最为重要。本文的主要目的是:(1)研究陶瓷材料在高速载荷下的冲击强度和测试方法;(2)从理论上找出冲击时间与冲击靶材料特性之间的关系及临界破坏参数的确定。文中推导了梁试件受冲击的冲击响应,最大冲击力和应力的表达式,并对结构陶瓷的动态破坏机理进行了分析和讨论,认为脆性的本质是材料的裂纹扩展速率。对干脆性材料,从可靠性来考虑并不是强度越高越好。对两种陶瓷材料进行了不同冲击速度的冲击弯曲强度测试,给出了冲击速度与冲击强度间关系的理论和实验曲线以及最大冲击力与系统固有频率的关系。