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【摘要】被动柔性防护网是公路和铁路沿线防护落石灾害的一种常用装置，为研究落石动量参数对被动柔性防护网的影响，文章以常用的RX-500型被动防护网为原型，通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对具有相同尺寸、相同动能和不同动量的落石冲击被动柔性防护网的受力性能和能量耗能规律进行研究。结果表明：落石动量参数对落石能量耗散时间影响很大，落石动量越大，落石能量耗散的时间越长，落石冲击时间可延长21.34 %;落石对被动柔性防护网的受力性能和各构件的耗能占比影响较小。
【关键词】被动柔性防护网; 落石; 动量; 受力性能; 能量耗散
【中国分类号】U216.41+5【文献标志码】A
铁路与公路
1 被动柔性防护网
被动柔性防护网由于具有易于安装、布置灵活、防护能力突出等优点，能够很好地针对各种地质灾害防护，因此广泛地应用于泥石流、落石甚至雪崩的防护工作[1]。被动柔性防护系统主要由金属柔性网（钢丝绳网、格栅网等）、连接构件（锚杆、拉锚绳、基座、支撑绳等）、消能件（减压环等）和钢柱四部分构成[2]（图1）。
刘成清等[3]建立钢柱与钢丝绳网、钢柱基础在不同连接方式下不同被动柔性防护网有限元模型，对结构在不同落石冲击能量下各构件的变形和受力进行分析。孙波等[4]利用LS-DYNA对不同落石直径、不同落石动能冲击下被动柔性防护网的能量耗散规律进行研究。目前关于被动柔性防护网的研究和安全性能评价基本都是考虑落石的动能[5]，事实上落石动能只是描述落石运动形态的其中一个尺度，相同动能下动量可能不一样。为了探究落石动量参数对被动柔性防护网的影响，本文建立常用的RX-500型被动防护网，通过ANSYS/LS-DYNA对落石在相同动能不同动量的条件下冲击结构的受力性能和能量耗散规律进行研究。
2 有限元数值模型
选用工程中常用的RX-500作为被动柔性防护体系，其防护能级为500 kJ。选取3跨建立模型，防护网钢柱间距为10 m，钢柱高度为5 m。钢柱采用20b工字钢。钢丝绳网规格为DO/08/200，支撑绳为216 mm，上拉锚绳为14 mm，侧拉锚绳为16 mm。减压环采用GS-8000，分别布置在支撑绳和上拉锚绳中。
钢丝绳网、支撑绳、拉锚绳采用Link160单元模拟，钢柱采用Beam161单元模拟，落石采用Solid164单元模拟，减压环采用Combi165单元模拟。钢丝绳网、支撑绳、拉锚绳以及钢柱均采用双线性弹塑性材料模型，材料参数见表1;如图3，采用三折线非线性弹簧模型来描述减压环的动态力学行为[6]。假定落石为刚性球体，撞击位置被动柔性防护网的中间跨正中心[5]。由于上、下支撑绳在可沿钢柱滑动，通过*ELEMENT_SEATBELT与*ELEMENT_SEATBELT_SLPRING可滑移接触单元对模拟这一行为。有限元模型如图2所示，钢柱可沿铅垂面转动，落石与钢丝绳网采用点面接触。
在落石尺寸和动能一定条件下，通过改变落石密度来改变落石动量，来探究落石动量参数对被动柔性防护网的影响。考虑常见岩石密度在2 000～3 000 kg/m3，建立落石动能300 kJ，动量为42×103～50×103 kg·m/s五个不同工况，见表2。
3 数值模拟结果对比分析
图4为落石冲击能量和冲击时间的关系示意图，从中可以看到随着动量的增大，落石冲击时间逐渐延长，冲击时间从0.42 s延长到0.51 s，延长了21.42 %，说明落石动量的大小对于能量耗散的快慢影响很大，落石动量大，能量耗散时间长。这是由于落石动量越大，落石质量就越大，相应落石在冲击钢丝绳网时加速度就越小，所以落石作用时间就越长，落石能量耗散时间就越长。
图5为落石冲击力和冲击时间的关系示意图。可以看到落石动量越小，落石冲击力峰值就越大。落石冲击力最大156.49 kN，最小为146.37 kN，相差仅6.35 %，差距不大。说明动量对落石冲击力峰值影响不大。此外从图中可以看出，落石动量较小时，落石冲击力增大较快，这与落石动量越小，落石初始速度越大，网片法向位移增长较快有关。
图6为落石冲击力和落石冲击点位移的关系示意图。从中可以看出不同落石动量下落石冲击力与落石冲击点位移的关系曲线基本重合。这是因为一方面落石冲击力与落石冲击点位移之比与结构自身的布置有关，另一方面落石冲击点位移也仅与落石冲击能量与关。所以落石动量对落石冲击点位移无影响。
从上面的分析可以看出落石动量主要影响落石的能量耗散快慢，对落石冲击力和落石冲击点位移基本无影响。为进一步考察落石动量对能量耗散分布规律，下面对被动柔性防护网各构件的耗能情况进行分析。
图7落石动量为I=42×103 kg·m/s时各构件的耗能占比，可见减压环是主要耗能构件，通过其余落石动量的各构件耗能占比进行分析，发现各构件耗能占比变化很小。所有落石动量参数主要影响的是被动柔性防护网的能量耗散时间，对各构件的耗能占比影响非常小。
4 结论
通过对相同动能、相同尺寸、不同动量的落石进行参数化分析，对落石能量、落石冲击力、冲击点位移和各组成构件的耗能情况进行分析，得出以下结论：
（1）落石动量参数对落石的能量耗散时间影响很大。相同落石尺寸和动能条件下，落石动量越大，耗能时间越长，能量耗散时间可延长21.34 %。
（2）落石动量参数对结构的受力性能影响较小，对各构件的耗能占比基本无影响。
参考文献
[1] 阳友奎， 原振华，杨涛.柔性防护系统及其工程设计与应用[M].北京：科学出版社，2015.
[2] TB/T 3089—2004 铁路沿线斜坡柔性安全防護网[S].
[3] 刘成清，陈林雅，齐欣.落石冲击作用下不同连接方式被动防护网的受力分析[J].中国铁道科学，2016，37（2）：17-25.
[4] 孙波，石少卿，汪敏.落石冲击被动防护系统能量衰减规律分析[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21（4）：34-38.
[5] TB/T 3449-2016铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价[S].
[6] 齐欣.柔性被动拦截网结构力学性能研究[D].成都：西南交通大学，2014.
【关键词】被动柔性防护网; 落石; 动量; 受力性能; 能量耗散
【中国分类号】U216.41+5【文献标志码】A
铁路与公路
1 被动柔性防护网
被动柔性防护网由于具有易于安装、布置灵活、防护能力突出等优点，能够很好地针对各种地质灾害防护，因此广泛地应用于泥石流、落石甚至雪崩的防护工作[1]。被动柔性防护系统主要由金属柔性网（钢丝绳网、格栅网等）、连接构件（锚杆、拉锚绳、基座、支撑绳等）、消能件（减压环等）和钢柱四部分构成[2]（图1）。
刘成清等[3]建立钢柱与钢丝绳网、钢柱基础在不同连接方式下不同被动柔性防护网有限元模型，对结构在不同落石冲击能量下各构件的变形和受力进行分析。孙波等[4]利用LS-DYNA对不同落石直径、不同落石动能冲击下被动柔性防护网的能量耗散规律进行研究。目前关于被动柔性防护网的研究和安全性能评价基本都是考虑落石的动能[5]，事实上落石动能只是描述落石运动形态的其中一个尺度，相同动能下动量可能不一样。为了探究落石动量参数对被动柔性防护网的影响，本文建立常用的RX-500型被动防护网，通过ANSYS/LS-DYNA对落石在相同动能不同动量的条件下冲击结构的受力性能和能量耗散规律进行研究。
2 有限元数值模型
选用工程中常用的RX-500作为被动柔性防护体系，其防护能级为500 kJ。选取3跨建立模型，防护网钢柱间距为10 m，钢柱高度为5 m。钢柱采用20b工字钢。钢丝绳网规格为DO/08/200，支撑绳为216 mm，上拉锚绳为14 mm，侧拉锚绳为16 mm。减压环采用GS-8000，分别布置在支撑绳和上拉锚绳中。
钢丝绳网、支撑绳、拉锚绳采用Link160单元模拟，钢柱采用Beam161单元模拟，落石采用Solid164单元模拟，减压环采用Combi165单元模拟。钢丝绳网、支撑绳、拉锚绳以及钢柱均采用双线性弹塑性材料模型，材料参数见表1;如图3，采用三折线非线性弹簧模型来描述减压环的动态力学行为[6]。假定落石为刚性球体，撞击位置被动柔性防护网的中间跨正中心[5]。由于上、下支撑绳在可沿钢柱滑动，通过*ELEMENT_SEATBELT与*ELEMENT_SEATBELT_SLPRING可滑移接触单元对模拟这一行为。有限元模型如图2所示，钢柱可沿铅垂面转动，落石与钢丝绳网采用点面接触。
在落石尺寸和动能一定条件下，通过改变落石密度来改变落石动量，来探究落石动量参数对被动柔性防护网的影响。考虑常见岩石密度在2 000～3 000 kg/m3，建立落石动能300 kJ，动量为42×103～50×103 kg·m/s五个不同工况，见表2。
3 数值模拟结果对比分析
图4为落石冲击能量和冲击时间的关系示意图，从中可以看到随着动量的增大，落石冲击时间逐渐延长，冲击时间从0.42 s延长到0.51 s，延长了21.42 %，说明落石动量的大小对于能量耗散的快慢影响很大，落石动量大，能量耗散时间长。这是由于落石动量越大，落石质量就越大，相应落石在冲击钢丝绳网时加速度就越小，所以落石作用时间就越长，落石能量耗散时间就越长。
图5为落石冲击力和冲击时间的关系示意图。可以看到落石动量越小，落石冲击力峰值就越大。落石冲击力最大156.49 kN，最小为146.37 kN，相差仅6.35 %，差距不大。说明动量对落石冲击力峰值影响不大。此外从图中可以看出，落石动量较小时，落石冲击力增大较快，这与落石动量越小，落石初始速度越大，网片法向位移增长较快有关。
图6为落石冲击力和落石冲击点位移的关系示意图。从中可以看出不同落石动量下落石冲击力与落石冲击点位移的关系曲线基本重合。这是因为一方面落石冲击力与落石冲击点位移之比与结构自身的布置有关，另一方面落石冲击点位移也仅与落石冲击能量与关。所以落石动量对落石冲击点位移无影响。
从上面的分析可以看出落石动量主要影响落石的能量耗散快慢，对落石冲击力和落石冲击点位移基本无影响。为进一步考察落石动量对能量耗散分布规律，下面对被动柔性防护网各构件的耗能情况进行分析。
图7落石动量为I=42×103 kg·m/s时各构件的耗能占比，可见减压环是主要耗能构件，通过其余落石动量的各构件耗能占比进行分析，发现各构件耗能占比变化很小。所有落石动量参数主要影响的是被动柔性防护网的能量耗散时间，对各构件的耗能占比影响非常小。
4 结论
通过对相同动能、相同尺寸、不同动量的落石进行参数化分析，对落石能量、落石冲击力、冲击点位移和各组成构件的耗能情况进行分析，得出以下结论：
（1）落石动量参数对落石的能量耗散时间影响很大。相同落石尺寸和动能条件下，落石动量越大，耗能时间越长，能量耗散时间可延长21.34 %。
（2）落石动量参数对结构的受力性能影响较小，对各构件的耗能占比基本无影响。
参考文献
[1] 阳友奎， 原振华，杨涛.柔性防护系统及其工程设计与应用[M].北京：科学出版社，2015.
[2] TB/T 3089—2004 铁路沿线斜坡柔性安全防護网[S].
[3] 刘成清，陈林雅，齐欣.落石冲击作用下不同连接方式被动防护网的受力分析[J].中国铁道科学，2016，37（2）：17-25.
[4] 孙波，石少卿，汪敏.落石冲击被动防护系统能量衰减规律分析[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21（4）：34-38.
[5] TB/T 3449-2016铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价[S].
[6] 齐欣.柔性被动拦截网结构力学性能研究[D].成都：西南交通大学，2014.