引导式柔性防护系统末段落石导出姿态优化控制方法

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引导式柔性防护系统是兼具落石拦截和落石轨迹压制、引导功能的新型柔性防护结构。工程实践反映,既有引导式柔性防护系统未能充分考虑系统构造对落石导出姿态的影响,当落石被引导至系统底部时,存在较大概率落石与柔性网片和横向支撑绳共同作用形成“口袋效应”,导致落石无法从系统底部顺利导出。大量堆积的落石不仅会增加上部构件的不利内力,影响系统可靠性,同时还会增大网片塑性应变,显著降低系统的抗冲击性能,甚至直接导致整体失效破坏。基于此,采用部件拟静力试验、原位足尺冲击试验和数值仿真计算等手段,针对引导式柔性防护系统末段落石导出姿态的优化控制方法开展了研究,包括环形网片膜单元等效模型的关键参数、DEM-FEM耦合分析的多体落石—柔性防护结构数值计算模型、系统设计关键参数对落石导出姿态的影响规律、落石滚出速度控制措施,最后提出一套综合技术措施并结合实际工程案例开展了优化设计。论文的主要研究内容及成果如下:(1)开展了多种规格环形网片的顶破试验,揭示了环形网片顶破过程的三阶段力学行为,得到了各规格环网的力—位移关系;开展了国内首次引导式柔性防护系统高位落石冲击防护的原位足尺试验,明确了引导式柔性防护系统在单体落石冲击作用下的工作过程及动力响应,结果表明,防护系统成功拦截落石,落石在系统引导、压制作用下在网片与坡面间反复摩擦、碰撞,最终从系统末段出口滚出,系统所有部件最大内力均在安全范围内,防护系统防护成功。(2)基于环形网片的膜单元等效方法,根据模型试验结果进行回归拟合,明确了建立环形网片数值模型的关键参数,提出了常用规格环形网片等代膜的弹塑性应力—应变公式和失效应变—网格尺寸关系式,建立了网片等效数值模型,数值计算结果与试验结果对比,其顶破力、顶破位移、极限耗能的相对误差均在10%以内;结合DEM-FEM耦合计算理论建立了引导式柔性防护系统整体数值模型,与试验结果进行对比,系统整体数值模型能够反演冲击试验全过程,各部件内力时程基本一致,内力峰值吻合较好。(3)针对耗能器、钢柱间距、纵向次支撑绳间距、横向支撑绳间距、横向加密绳间距、环网规格等系统设计关键参数对落石导出姿态的影响展开了具体分析,提出了优化设计方法,建立优化模型计算验证,结果表明,模型经过优化后,落石外翻率和卡住率都极大程度降低(均降至0,降幅达100%),滚出率极大提高(提高至100%,增幅达491.7%),落石全部滚出,优化效果显著,但落石滚出速度增大近20%。(4)针对落石导出速度提出了三种控制措施,分别建立数值模型计算验证其控制效果,结果表明,三种控制措施在不增大落石外翻率和卡住率的前提下,均能有效降低落石滚出速度;当同时使用三种控制措施时,速度减幅接近20%。(5)提出了引导式柔性防护系统末段落石导出姿态综合技术措施,结合实际工程案例开展优化设计,结果表明落石外翻率降低52.3%,卡住率降低13.4%,落石滚出速度减小9.1%,落石导出姿态得到显著优化的同时,落石滚出速度也得到有效控制。
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