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我国西部山区是地质灾害多发区,地震、泥石流、滑坡等地质灾害引发的山体崩塌、滚石抛落的灾害时常发生,造成的桥墩砸断、公路瘫痪事故日益突出,因而对滚石灾害进行防护研究有着非常重要的工程意义。
棚洞板防护结构,凭借其低廉的成本和较好的力学性能被广泛用于滚石灾害防护。随着棚洞应用数量的不断增加,其安全性和稳定性越发值得重视。从设计单位反馈的信息来看,工程应用中由于棚洞结构设置不当而被砸坏的案例屡见不鲜,因此,研究滚石冲击力和棚洞的抗冲击动态响应特性,对选择合适的棚洞结构具有非常重要的意义。
为减少滚石冲击的最大冲击力及最大程度的缓冲耗散滚石冲击能,研究者提出了几种新型耗能棚洞。其中一种是新型耗能器棚洞结构,它由钢筋混凝土板(不覆盖缓冲垫层)和支撑混凝土板的吸能支座组成。另一种是EPS垫层棚洞,该棚洞结构通过在钢筋混凝土板上覆盖一层EPS泡沫材料来达到耗能减震的目的。
本文以显式有限元理论(Explicit FEM)为基础,基于大型显式有限元程序LS-DYNA,对普通棚洞、耗能器棚洞及EPS垫层棚洞在滚石以15m/s的速度冲击下的动态响应进行了有限元模拟,比较了滚石冲击位置在棚洞板中点和边缘位置两种情况,分析了各种情况下三种棚洞板结构中最大应力传递过程、能量转换过程、冲击力历时过程及支座应力的历时过程。研究得出了以下结论:
(1)在滚石冲击下,普通棚洞钢筋混凝土板内的应力传递是由冲击点处向两侧扩散的;耗能器棚洞板在碰撞开始后一段时间是由冲击点处向两侧扩散,但当能量传递到耗能器后,应力的传递主要在耗能器上进行;对于EPS垫层棚洞,应力的传递则是由支座处向棚洞中间扩散。
(2)EPS垫层棚洞的耗能效果是最好的,且其能延长滚石与棚洞的作用时间,大大缓冲了滚石对棚洞的冲击力,从而对棚洞起到了很好的保护作用。
(3)耗能器棚洞的耗能效果没有EPS垫层棚洞可观,但其能够有效缓冲滚石冲击对支座的压力,保护支座不受破坏。
(4)冲击位置越靠近棚洞边缘,耗能器棚洞的耗能减震效果发挥的越好。