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岩石力学与工程学报 2020年第12期39卷 2505-2516页

作者：余志祥张丽君骆丽茹金云涛赵雷齐欣赵世春西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室四川成都610031 西南交通大学防护结构研究中心四川成都610031

为了提升艰险山区道路的落石防护韧性,提出一种可用于山区道路落石防护的韧性挑篷防护网系统。分析防护系统阻尼与韧性的相关性,建立柔性防护挑篷的落石抛出控制方法及冲击力计算方法,据此构建防护系统机制模型。设计三联足尺模型,基于... 详细信息

为了提升艰险山区道路的落石防护韧性,提出一种可用于山区道路落石防护的韧性挑篷防护网系统。分析防护系统阻尼与韧性的相关性,建立柔性防护挑篷的落石抛出控制方法及冲击力计算方法,据此构建防护系统机制模型。设计三联足尺模型,基于大型落锤冲击试验台开展能量为150和500 kJ的冲击试验,通过高速摄相机、动态数据采集仪进行试验数据采集,分析试验模型的主要冲击动力响应特征。建立动力非线性力学模型,开展扩展参数的显式动力分析,全面地研究系统冲击动力响应。研究发现,系统冲击响应具有大变形张紧、回弹、自恢复三阶段特征;按提出的方法,可控制落石抛出,降低系统损伤;经测量,系统残余变形为初始垂度的9.3%~16.8%,显著低于既有柔性防护结构,表现出良好的韧性;与赫兹碰撞理论解析解相比,防护系统的试验冲击力降幅达99%;提出考虑缓冲大变形影响的冲击力计算方法,计算结果与试验或数值模拟结果相比,误差不超过6%。

关键词：工程地质落石棚洞韧性结构冲击与防护足尺试验

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挑篷防护网系统抗冲击韧性研究

挑篷防护网系统抗冲击韧性研究

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作者：张丽君西南交通大学

学位级别：硕士

柔性防护系统因其大变形工作机制,可充分发挥系统的整体协同工作能力,具有良好的缓冲性能,其落石防护能力可达成千上万千焦。但是,柔性防护系统遭受落石冲击后会产生显著的非弹性大变形,容易导致落石堆积,系统维养困难,严重影响了系统... 详细信息

柔性防护系统因其大变形工作机制,可充分发挥系统的整体协同工作能力,具有良好的缓冲性能,其落石防护能力可达成千上万千焦。但是,柔性防护系统遭受落石冲击后会产生显著的非弹性大变形,容易导致落石堆积,系统维养困难,严重影响了系统性能的恢复,进而影响了柔性防护系统的韧性提升。为此,论文针对傍崖临谷交通干线上的柔性防护系统的韧性提升开展研究,研究了柔性防护系统的结构阻尼与韧性的相关性、落石抛出机制和控制方法以及考虑碰撞界面柔度影响的冲击荷载计算方法,据此建立了挑篷防护系统的韧性提升设计方法,并提出了一种具有强恢复性的韧性挑篷防护网结构体系与连接方法,开展了足尺冲击试验和数值模拟,验证了本文提出的韧性提升设计方法的有效性,探明了系统的韧性防护效果。论文主要内容如下:（1）总结了柔性防护网系统的技术发展与现状,分析了存在的问题（第一章）。从现有结构韧性评价方法、冲击荷载计算方法和系统冲击动力学行为三个方面,对柔性防护结构韧性研究的现状进行了归纳总结,指出了既有研究的局限于不足。基于此,确定了本文的研究内容和技术路线。（2）提出了柔性防护系统的韧性控制条件和设计方法（第二章）。分析了系统结构的阻尼与韧性的相关性,指出了随着阻尼增加,系统韧性减弱,据此将柔性防护系统分为高弹性系统、中阻尼弹性系统和高阻尼系统三类;构建了防护系统落石冲击变形的解析计算模型,研究了系统的极限变形量,确定了系统极限冲击变形与落石抛出的相关性,进而研究了挑篷防护网系统铺装临界角计算方法;基于Hertz碰撞理论,研究了考虑碰撞界面柔度修正影响的防护网落石冲击荷载计算方法。（3）研究了强韧性挑篷防护网系统的结构体系及连接方式,开展了足尺冲击试验和数值模拟研究（第三章）。设计了防护能力为500k J的挑篷防护网系统,开展了150k J和500k J的冲击试验和数值模拟,研究了系统冲击力学行为,试验结果显示:系统在防护过程中有张紧、回弹和系统恢复三阶段特征;防护网在冲击作用下形成“Y”形拉力带,拉力带区域为塑性变形集中区域,冲击残余变形导致了冲击接触区“局部外凸”的漏斗状变形,网片残余变形分别为初始垂度的9.6%和17.8%。（4）结合参数分析,论证了韧性控制方法的有效性,并探明了挑篷防护网系统的韧性防控效果（第四章）。耗能分析显示,阻尼耗能是系统主要耗能手段,超过系统总动能的60%,网片耗能约占系统总动能19%,系统剩余工作能力较为可观;不同冲击能量下,落锤均能被抛掷出系统,且随着冲击能量的增加落石的抛掷高度也增加,系统具有良好的落石抛出控制能力;与被动防护网系统的残余变形对比分析发现:相同能量落石冲击作用后,本文系统的残余变形仅为被动柔性防护网系统的22%;与砂石垫层的冲击力对比显示,在同冲击能量下,本文系统的冲击反力仅约为砂石垫层的33%。总体来看,系统的韧性具有综合比较优势。本文通过将大变形屈服耗能机制转为大变形储能释放机制,成功实现了柔性防护网系统缓冲机理的新突破,有效提升了柔性防护系统的韧性;论文提出的挑篷防护系统韧性提升设计方法,其落石抛掷高度计算值与试验结果相比,误差小于7%,可用于控制挑篷防护网系统的临界铺装角,同时,该方法的冲击荷载估算结果与试验和数值模拟相比,误差小于15%,可用于系统部件选型设计;本文提出的挑篷防护网系统结构体系,兼顾了冲击力与可残余变形优化控制,具有良好的韧性提升。

关键词：山区落石棚洞环形网韧性冲击与防护足尺试验

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泥石流作用下框架结构建筑动力响应与防护对策

泥石流作用下框架结构建筑动力响应与防护对策

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作者：赵昊西南交通大学

学位级别：硕士

山地临坡建筑在泥石流冲刷作用下容易发生损毁,导致严重的生命财产损失。房屋结构遭受泥石流冲刷是一种复杂冲击荷载作用下的非线性动力学问题,研究其耦合动力学响应对山地建筑规划与防灾设计具有重要的意义。目前,房屋结构在泥石流作... 详细信息

山地临坡建筑在泥石流冲刷作用下容易发生损毁,导致严重的生命财产损失。房屋结构遭受泥石流冲刷是一种复杂冲击荷载作用下的非线性动力学问题,研究其耦合动力学响应对山地建筑规划与防灾设计具有重要的意义。目前,房屋结构在泥石流作用下的动力学行为与防护设计依然是一个亟待研究和解决的难题,针对此,本文结合冲击动力学理论分析、数值模拟、实地勘察和试验等多种手段,构建了框架结构建筑—泥石流耦合作用数值模型以及防护结构—建筑结构—泥石流的灾害作用演化综合模型,研究了泥石流作用下框架结构建筑的动力响应,对比分析了刚性防护与柔性防护的有效性。论文主要研究内容如下:1、基于光滑粒子流体动力学—有限元方法(SPH-FEM)耦合理论,研究了泥石流数值模型的构建方法,通过水槽试验验证了模型的准确性。开展了文家沟泥石流灾害案例反演与分析,研究其冲击作用的演化特征。2、研究了临山框架结构在泥石流冲刷作用下的耦合动力学行为。对比分析了数值结果与实际房屋的损伤与损毁特征及冲击力,验证了框架结构建筑—泥石流耦合模型及其相关参数的正确性。据此进一步拓展分析了不同泥石流流速、冲击角度下房屋结构的动力响应特性,包括破坏形态、关键点位移、能量转换规律。3、研究了刚性防护结构在泥石流作用下的耦合冲击动力学行为。分析了泥石流对刚性防护结构—建筑结构的冲击过程,对比分析了不同泥石流流速下防护结构、建筑结构的破坏形态与关键点位移。据此对刚性防护结构提出了两种优化方法,量化对比了两种防护结构的防护能力与造价。4、研究了柔性防护结构在泥石流作用下的耦合冲击动力学行为。开展了耗能器拉伸试验、网片顶破试验,据此建立了相应力学模型,并考虑滑移边界条件,进一步构建了整体模型。据此对柔性防护系统力学行为开展了研究,包括变形特征、内力时程、耗能分布等。论文研究结论如下:建立了泥石流荷载数值模型,解决了泥石流模拟的网格畸变难题,实现了大变形、大位移条件下的泥石流运动与冲刷作用模拟,可有效用于实际场地条件下泥石流灾害的反演;建立了框架结构建筑—泥石流耦合模型,量化了临山框架结构在泥石流冲刷作用下的耦合动力学行为。结果表明:框架柱的破坏形式主要为弯曲破坏,填充墙可以增加其抗弯能力;改变结构迎流角度,能够使框架结构的可抵抗冲击速度提升150%左右,提高结构的抗冲击能力,但是会引起结构的抗冲击延性变差;泥石流浆体和块石的动能转化为结构内能和摩擦耗能,其中房屋消耗能量较少(19.4%),主要靠泥石流与地面之间的摩擦力和泥石流之间的相互作用耗散能量(80.6%);建立了刚性防护结构—泥石流耦合模型,阐明了刚性防护结构的防护机理和破坏形式,提出了增设防撞柱和提高混凝土强度等级两种优化方法,结果表明:原刚性防护结构的有效防护速度为6-7m/s,增加防撞柱优化能够使有效防护速度提升为8m/s,提高混凝土强度等级能够使有效防护速度提升为10m/s;建立了柔性防护结构—泥石流耦合模型,阐明了柔性防护结构的防护机理,量化了其动力响应,结果表明:柔性防护系统通过自身的大变形耗能能力拦截前端冲击体,形成缓冲层,使后续粒子爬坡回流,形成摩擦耗能;柔性防护系统的耗能主要由耗能器提供(75.9%),其次为网片(23.3%),钢丝绳耗能较少(0.8%),钢柱基本无耗能;钢柱轴力远大于剪力,设计时可考虑为轴心受力构件,在受力与变形上,边柱的轴力是中柱轴力的1.5倍,而中柱的偏摆比边柱更加明显,柱顶位移是边柱的2倍;网片是典型的局部应力集中构件,底部冲击区是薄弱部位,网片受到冲击后会发生明显的聚拢现象且竖向收缩明显。

关键词：泥石流框架结构冲击与防护耦合作用数值模拟野外调查

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