基于LS-DYNA的EPS垫层棚洞耗能减震分析

以某在建项目为背景,基于LS-DYNA建立了数值计算模型,模拟了落石冲击棚洞结构的全过程,揭示了EPS缓冲材料缓冲耗能作用,结果表明:EPS垫层棚洞较传统砂垫层棚洞抗落石冲击性能有一定提高,能广泛应用于实际工程中。     

复合垫层钢棚洞抵抗落石冲击性能研究

工程上常用砂土垫层来缓冲棚洞结构的落石冲击力,但砂土的自重很大,增加了静载作用下结构的内力。由于EPS泡沫材料密度轻、缓冲性能好,本文考虑在砂土垫层中用EPS材料替换部分砂土形成复合垫层,减小落石对棚洞结构的冲击力。基于室外大尺度模型实验,建立了落石冲击作用下EPS复合垫层钢棚洞结构的数值计算模型。不同落石高度下,实验方法获得的测点处的应力时程曲线和数值结果吻合较好,说明了本文建立的数值模型的可靠性。在此基础上利用该数值模型研究了复合垫层对落石冲击的缓冲效果。结果表明：在垫层总厚度不变的前提下,复合垫层的缓冲性能优于砂垫层。EPS厚度越大,棚洞结构受到的冲击力越小,主梁的应力、挠度均减小。但是EPS材料的最大压缩量以及承受的压应力随着EPS厚度增加而增加,这不利于EPS继续承受冲击力。因此,在确保钢棚洞安全的基础上,需要考虑使用EPS材料的经济性,选择最优的EPS厚度。     

新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究

 传统滚石棚洞主要是通过结构顶部的砂砾石垫层来耗能抗冲击的,然而实践表明：砂砾石垫层材料不仅缓冲吸能效果有限,且自重荷载较大,建设成本偏高,不利于大面积推广应用。为此,提出一种新型耗能减震棚洞,通过在棚洞支座处增设耗能减震器,在最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构的系统柔度,达到耗能减震的目的。通过构建非线性质量弹簧体系来模拟滚石冲击下棚洞结构的动力响应,并结合能量原理对新型棚洞的防滚石抗冲击机制进行分析,结果表明耗能减震棚洞能大幅度降低滚石的最大冲击力,并通过耗能减震器的变形来耗散冲击能,大幅度降低棚洞结构的建设成本。     

落石冲击作用下钢筋混凝土棚洞结构的动力系数研究

以钢筋混凝土棚洞为原型,通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,考虑在不同能量的落石冲击不同位置的情况下,分析了钢筋混凝土棚洞的动静力响应及其冲击动力系数,得到了弹塑性状态下棚洞冲击动力系数的变化规律。据此,棚洞结构的动力冲击设计可转化为落石的静力荷载作用下的设计,即通过钢筋混凝土棚洞结构在落石静力荷载作用下的最大响应乘以考虑了能量因素的冲击动力系数可以确定落石冲击作用下钢筋混凝土棚洞结构最大动力响应。     

基于能量分析的落石对棚洞垫层冲击力学研究

基于能量分析的方法研究了落石对棚洞垫层的冲击力学行为。考虑缓冲垫层弹塑性对落石冲击过程的影响,研究了冲击过程中的成坑变形所需能量、垫层与落石之间相互摩擦所产生的内能以及棚洞自身耗能的影响,根据动能定理得到了冲击深度以及冲击压力的计算表达式;同时将本方法同已有的计算方法进行了对比分析。研究结果表明:用于成坑变形所消耗的能量占总能量比重最大,其值约为总冲击能量的50%;垫层与落石之间由于摩擦所产生的内能占比次之,其值约为30%并且随着冲击能量的增大而下降;棚洞结构自身耗能约占总能量的20%并随着冲击能量的增加而不断减少;在考虑了摩擦耗能以及结构自身耗能的影响之后,对落石冲击压力的计算结果同半理论半经验的日本道路公团方法以及基于实验数据的瑞士方法较为接近。     

基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究

混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表...     

冲击荷载下棚洞抗冲切性能研究

本文对落石冲击下棚洞钢筋混凝土顶板的破坏形式进行了研究,并按整体抗力相等的原则将板内配筋等效为薄钢板,在考虑垫层缓冲作用的基础上讨论了混凝土强度、棚洞顶板厚度以及顶板内所配钢筋的配筋间距、横纵向钢筋直径等因素对提高顶板抗冲切破坏性能的影响。结果表明:即使冲击速度不大,大质量的破坏性落石仍然会导致顶板贯穿块形成;板内配筋对贯穿块的阻力随着配筋间距的增大而减小,两者成反比例关系;横、纵向钢筋直径对配筋对贯穿块的阻力有显著影响,配筋阻力与横、纵向钢筋直径的平方之和成正比;垫层对落石冲击力的分散作用使得顶板上部的加载面积变大,这可以在一定程度上提高棚洞顶板的抗冲切承载力以及板内配筋对贯穿块的阻力;棚洞顶板的剪切破坏受多种因素控制,因此,在实际工程中应对棚洞所在区域的地质情况进行综合分析以对其进行设计。     

落石冲击作用下棚洞垫层动力响应的颗粒级配效应耦合数值模拟研究

落石冲击垫层的动态冲击力与冲击深度是棚洞结构设计的重要依据。级配作为垫层颗粒粒度分布的重要特征，决定了垫层各级粒径颗粒的分配情况，影响了落石冲击垫层的动态过程。为研究颗粒级配对落石冲击垫层动态响应的影响，采用离散元–有限差分耦合方法，其中离散元模拟颗粒垫层，有限差分法模拟棚洞混凝土结构。在垫层平均粒径相等的情况下，开展了落石冲击不同级配垫层的动力响应数值模拟研究，通过对落石冲击力、顶板中心压应力、落石冲击深度的分析，揭示了落石冲击颗粒垫层的动态响应机制。研究结果表明：颗粒间力链的稳定性决定了垫层受冲击后的动态响应特征；颗粒间的摩擦是冲击能量耗散的主要方式，耗能占比达70%～80%；对于单峰型级配，单峰对应的粒径越小，力链长度越长，稳定性越差。峰值粒径d_t=75 mm时的峰值冲击力为d_t=25 mm的1.9倍，顶板峰值压应力为其3.6倍；对于双峰型级配，双峰的距离越近，颗粒周围约束的数量越少，力链的稳定性越差。非均质系数H_e=0.65时的峰值冲击力比H_e=0.33时的大40%，顶板峰值压应力大30%，...     

活塞杆点支式柔性缓冲系统冲击力学行为

针对公路、铁路沿线棚洞结构的落石防护问题,提出了活塞杆点支式柔性缓冲系统,该系统支撑于棚洞结构顶部,由缓冲器、环形网、支撑绳、活塞杆组成,对棚洞结构起缓冲防护作用。为研究缓冲系统冲击力学行为,设计了子结构模型,开展了25kJ能量冲击试验,结合动力非线性分析,研究了子结构模型的冲击变形、传力途径、内力响应以及缓冲消能特性。研究表明：活塞杆点支式柔性缓冲系统可有效实现落石防护,系统具有松弛变位、顶紧压缩、回弹释放三阶段变形特征,可实现缓冲、自复位及落石的可引导弹出;与普通钢压杆支撑模型相比,子结构模型的冲击力作用持时延缓67%,冲击力峰值降幅达30%;在相同冲击能量下,与砂土缓冲垫层和EPS缓冲垫层的冲击力相比,子结构模型冲击力峰值降幅分别达到69%和61%。最后,通过弹簧刚度参数分析,拟合得到子结构模型的性能曲线及其P-s相关方程。     

碎石垫层对碎屑流冲击棚洞的缓冲效应研究

棚洞常用于保护山区道路免受山体滑坡或崩塌而形成的碎屑流的冲击破坏,为了进一步明确缓冲垫层对棚洞的防护作用,通过室内模型实验研究碎屑流对棚洞的冲击机制以及利用碎石作为缓冲垫层的缓冲效应。实验中记录的高速影像显示碎屑流冲击过程中碎石缓冲垫层有明显的变形,测力元件测得冲击力沿法向和切向在棚洞上的分布。实验结果揭示在没有碎石垫层的情况下,棚洞上的最大法向力和切向力分量作用在受冲击侧的拱脚位置,增加碎石垫层后,最大冲击力的值变小,并且最大法向力和切向力分量从受冲击侧的拱脚偏移30°~45°,这表明缓冲层不仅能减小冲击力的大小,还能改变其分布模式。以冲击力作为输入对棚洞运用力法分析其结构内力,发现碎石垫层可以有效减少结构最大弯矩和最大剪力并增加最大轴力,增加了结构的安全性。同时根据冲击过程中能量的变化,发现颗粒粒径较细的碎石垫层耗散冲击能量的效果更好。实验结果充分表明,碎石垫层在碎屑流冲击棚洞时发挥了显著的缓冲和耗能作用。     

三开间单跨柔性棚洞在落石冲击作用下的试验研究

为克服钢筋混凝土结构式棚洞施工难度大,费用高等不足,满足快速抢修抢建要求,提出一种由型钢拱架和金属网组成的柔性棚洞。由于三开间单跨柔性棚洞的传载耗能特点与单开间单跨柔性棚洞存在区别,为此在现有单开间单跨柔性棚洞研究的基础上,提出三开间单跨柔性棚洞的设计方案,制作1∶1试验模型,并进行了25kJ、50kJ、100kJ和250kJ的落石冲击试验。宏观试验现象表明：①当落石能量在100kJ范围内时,柔性棚洞能够成功的对其进行拦截,而不需要对结构进行维护;②当落石能量在250kJ时,柔性棚洞在成功对其进行拦截的情况下,仅需要经过简单的维护即可继续投入使用;③柔性棚洞内的净空满足安全要求。此外,采用应变片、荷载传感器和高速摄像机等对落石冲击过程和柔性棚洞中钢拱架的动力反应进行了测试,综合试验测试数据,对柔性棚洞的变形特点、传载耗能机理和破坏特点进行了分析,指出了柔性棚洞中易发生破坏的薄弱部位,提出了下一步柔性棚洞的改进措施。     

回填砂基础承载力的检验与应用

采用回填砂来作地基基础应注意砂垫层的设计砂垫层厚度 ,砂垫层的厚度应根据垫层底部软弱土层的承载力来确定 ,作用在砂垫层底面处的自重应力与附加应力之和应不小于软弱土层的容许承载力。计算时先根据砂垫层地基的容许承载力定出基础宽度 ,验算以确定垫层厚度的垫层地基的容许承载力要合理 ,砂垫层的厚度不宜大于3ｍ。砂垫层的宽度的确定 :当垫层的侧面土质较好时 ,砂垫层的顶部与底部可以等宽 ,其宽度等于宽度沿基础两边各放 30ｃｍ。垫层的厚度应根据下卧土层的承载力确定 :Ｐｚ +ＰＣｚ ≤ｆ2Ｐ2 —垫层底面处的附加压力 ,ＰＣ2 —垫层…     

多位置分布配重下引导式落石缓冲系统冲击防护性能研究

引导式落石缓冲系统旨在约束落石运动轨迹和衰减落石冲击能量,以防止落石灾害的发生。为研究该系统的耗能性能,开展实验室条件下的落石冲击试验;基于对防护网变形特征的分析,设计多位置分布配重方案。在此基础上,建立防护系统的数值计算模型,对更高速率落石冲击下系统的响应进行了研究,进而模拟系统对多落石连续入射和多落石同时入射两种工况的防护过程。研究结果表明,多位置分布配重对引导式落石缓冲系统的防护性能有较明显的提高,试验得到的落石速率衰减率最多提高了20.02%,动能衰减率最多提高了21.56%;在防护网上不同位置配重对系统防护性能的提高程度不同,表现为越接近落石入射位置,提高程度越明显,同时,通过多位置分布配重,引导式落石缓冲系统对落石高速冲击和落石连续、同时冲击的防护能力增强。研究成果可以为引导式落石缓冲系统的设计和工程应用提供参考。     

基于Hertz理论和JKR理论的落石冲击力学研究

考虑垫层材料黏附性引起周边应力场对落石冲击力的影响,基于Hertz接触理论和JKR黏附理论,对落石冲击力学进行了研究。利用MDR法(降维法)将落石三维模型转化为一维模型,通过理论分析得出了落石冲击垫层时的冲击力以及坠入深度的解析解。之后将得出的解析解与国内外已有的结论进行算例计算对比,发现本文冲击力大小的解处于日本道路公团方法和瑞典法之间,验证了本文结论的合理性和正确性。同时将得出的坠入深度与已有理论深度进行计算对比,得出本文计算出的落石深度基本小于文献[9]计算值且大于文献[8]计算值。进一步对比分析后,得出了在冲击过程中落石与垫层接触周边应力场会对冲击力大小和坠入深度产生一定影响。     

滚石冲击下新型组合棚洞结构的动力响应分析

棚洞结构是防止滚石灾害的有效措施之一,传统意义上的钢筋混凝土棚洞结构已经不能更好地解决这一问题。因此提出了一种以索网和钢桁架组合而成的新型组合棚洞结构的方法来阻拦滚石冲击。本结构中钢拱梁及格构柱为主要传力构件,主要承受拉力、压力、弯矩,而钢丝网及下部索网为主要的耗能构件,具有很大的变形能力,能够吸收滚石的冲击能。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对该结构进行数值模拟,从加速度响应、能量耗散、应力传递三方面进行了动力分析,研究了滚石冲击对棚洞结构破坏的影响,为新型组合棚洞结构的设计提供了理论依据。     

砂垫层地基的设计与施工

采用砂垫层作人工地基可提高地基土的承载力,并通过砂垫层减小软弱土层所承受的压力,减少基础沉降。砂垫层透水性良好,可通过它排出软土中的部分水分,从而加速软土固结。一、砂垫层的设计设计砂垫层,主要是确定垫层的合理截面,使垫层和软弱下卧层的强度和变形满足建筑物的要求。 1.砂垫层的厚度:垫层厚度应根据垫层底部软弱土的承载力确定,即作用在砂垫层底面处土的自重应力与附加应力之和应不大于软弱土层的容许承载力(图1)。σ_(h d) σ_d≤R_(h d)或     

传统棚洞与柔性棚洞应用研究综述

目前,落石灾害已成为威胁道路和桥梁等基础设施的主要灾害。结合落石运动特点,综述了传统钢筋混凝土棚洞和柔性钢棚洞在落石防护方面的应用及研究现状、基本构成、传力机理等,并结合各自的优缺点及存在问题,探讨了今后的发展趋势。     

湿陷性黄土场地换填垫层地基处理技术应用研究

为确定青海西宁某电厂自重湿陷性黄土场地的地基处理方案,进行了换填垫层现场原体试验,研究分析了换填材料、施工工艺、施工参数及施工检测方案,并通过平板载荷试验对换填后的地基承载力和变形模量进行了测试。测试结果表明:以天然级配的砂卵石作为换填材料进行换填垫层的处理方案可满足要求,可作为该工程重要建筑物的地基处理方案。     

浅谈铁路隧道框架式棚洞结构设计

某新建铁路隧道斜穿山体出洞,洞口危岩落石强烈发育,地形陡峻,且洞口下方为既有省道,为保证洞口及桥台的施工与运营安全,洞口设计拟采用棚洞结构。目前国内外采用的棚洞结构形式种类繁多,但均为结合各隧道洞口具体地形、地质条件而设计,难以直接运用于本隧洞口。文章为设计出适合该新建铁路隧道洞口的棚洞结构,结合既有工程经验,利用有限元等软件,分别从棚洞选型、尺寸拟定、结构组成及结构计算等方面进行分析,研究出了满足该隧道时速要求的由矩形框架和边梁共同组成的框架式棚洞结构,并最终完成了该棚洞的具体结构设计。设计出的框架式棚洞结构在保证工程安全的同时又节约工程造价,还满足照明及美观的要求,最终成功用于该隧道施工图设计。     

新型结构在地震灾后重建中的应用

地震震区斜坡崩塌落石、泥石流多发,常规钢筋混凝土结构明棚洞常作为防护此类斜坡地质灾害的重要工程措施。结合映秀—汶川—马尔康公路灾后重建工程,介绍了几种既保证结构安全,又解决了工程难题的新型结构,其中既有在传统结构基础上的优化,也有创新型的新颖结构,如半桥式明洞及棚洞等。