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滚石冲击改进型开口帘式网耗能机制研究

岩土力学 2021年第12期42卷 3356-3365,3450页

作者：王东坡何启维刘彦辉温继伟李伟成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

帘式网是以引导、消能为主要作用机制的滚石柔性防护结构。传统帘式网因受制于维护难、成本高等问题,阻碍了其在滚石防治领域的推广应用。为此,基于下开口设计理念并优化传统帘式网拖尾长度提出了一种改进型开口帘式网。通过开展滚石冲... 详细信息

帘式网是以引导、消能为主要作用机制的滚石柔性防护结构。传统帘式网因受制于维护难、成本高等问题,阻碍了其在滚石防治领域的推广应用。为此,基于下开口设计理念并优化传统帘式网拖尾长度提出了一种改进型开口帘式网。通过开展滚石冲击现场原位试验,研究不同拖尾长度对改进型开口帘式网耗能机制的影响。试验结果表明:改进型开口帘式网解决了滚石停滞网内清理不便的问题,其自身的裹挟、摩擦作用有效发挥了结构的柔性耗能特性,从而降低了滚石冲击能量;当拖尾长度由3 m增加到7 m时,滚石动能衰减率提高约20%,但其增幅呈下降趋势。为进一步提升改进型开口帘式网的耗能效果,通过数值模拟研究了滚石不同冲击位置和冲击角度对帘式网耗能效果的影响。模拟结果表明:滚石冲击帘式网中部时动能衰减率高于边侧位置,最高可提升20%;当滚石冲击方向与帘式网的夹角近似为45°时,滚石动能衰减率最高可达74.1%。因此,在实际工程中可通过合理设置帘式网拖尾长度、布设位置与倾斜角度使其耗能效果达到最大化。

关键词：滚石冲击改进型开口帘式网耗能机制原位试验数值模拟

滚石冲击下孔隙率和孔隙分布对空心砖缓冲性能的影响

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河海大学学报（自然科学版） 2022年第4期50卷 105-111页

作者：邵国建刘超福苏宇宸吕亚茹河海大学力学与材料学院江苏南京211100

采用大型摆锤冲击试验和LS-DYNA数值模型,研究了空心砖不同孔隙率(28%、42%、54%)和孔隙分布(2孔、8孔、18孔、32孔、50孔)对空心砖缓冲性能的影响。结果表明:滚石冲击力随着空心砖孔隙率的增大而减小,54%孔隙率空心砖比28%孔隙率空心... 详细信息

采用大型摆锤冲击试验和LS-DYNA数值模型,研究了空心砖不同孔隙率(28%、42%、54%)和孔隙分布(2孔、8孔、18孔、32孔、50孔)对空心砖缓冲性能的影响。结果表明:滚石冲击力随着空心砖孔隙率的增大而减小,54%孔隙率空心砖比28%孔隙率空心砖减小了23%滚石冲击力峰值和46%空心砖缓冲层传递力峰值;滚石冲击力和空心砖缓冲层传递力随着孔隙分布均匀化而减小,相比于2孔空心砖,50孔空心砖最大可减小46%滚石冲击力,传递力可减小31%;均匀的孔隙结构分布可以有效增大传递力扩散角,50孔空心砖比2孔空心砖传递力扩散角增大46%。

关键词：滚石冲击空心砖孔隙分布缓冲性能 LS-DYNA

双层泡沫铝夹芯板抗滚石冲击结构性能优化研究

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振动与冲击 2018年第5期37卷 85-91页

作者：程鹏李伟翟敏刚王东坡中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710064 长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室西安710064 中交高新科技产业发展有限公司西安710065 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059

在山区桥墩抗滚石冲击领域中,防护结构优良的耗能性能是保证桥墩安全稳定的关键。为此,引入泡沫铝夹芯结构,通过MTS压缩试验与动力有限元分析芯体厚度变化对夹芯板耗能性能的影响。结果表明:相比于单层泡沫铝夹芯板,相同压载条件下双层... 详细信息

在山区桥墩抗滚石冲击领域中,防护结构优良的耗能性能是保证桥墩安全稳定的关键。为此,引入泡沫铝夹芯结构,通过MTS压缩试验与动力有限元分析芯体厚度变化对夹芯板耗能性能的影响。结果表明:相比于单层泡沫铝夹芯板,相同压载条件下双层泡沫铝夹芯板具有更优良的耗能能力;对于双层泡沫铝夹芯板,一定程度上增大上下层泡沫铝芯体厚度均可有效提升夹芯板耗能性能,然而,当芯体厚度增大到一定值时,夹芯板耗能性能不再显著提升;双层泡沫铝夹芯板上下层厚度的最优化比例为3:2。上述研究成果已应用于S303映(秀)-卧(龙)公路青岗坪渔子溪大桥桥墩,防护效果显著。

关键词：滚石冲击泡沫铝夹芯板耗能缓冲结构优化

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滚石冲击下新型组合棚洞结构的动力响应分析

建筑结构 2018年第S2期48卷 546-549页

作者：吴长丁金伟黄贵武兰州理工大学土木工程学院兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心兰州730050

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... 详细信息

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。

关键词：滚石冲击棚洞结构数值模拟动力响应分析能量变化

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滚石冲击作用下钢筋混凝土桥墩动态响应分析

滚石冲击作用下钢筋混凝土桥墩动态响应分析

作者：曹皓波湘潭大学

学位级别：硕士

随着我国交通运输事业在西部地区的快速发展,高速公路、桥梁逐渐覆盖至更加偏远的山区,作为连接路线纽带的桥梁成为不可替代的交通基础建设。然而由于山区位置地质条件十分恶劣,经常出现块石滑落现象,因此滚石灾害对山区桥梁造成了严重... 详细信息

随着我国交通运输事业在西部地区的快速发展,高速公路、桥梁逐渐覆盖至更加偏远的山区,作为连接路线纽带的桥梁成为不可替代的交通基础建设。然而由于山区位置地质条件十分恶劣,经常出现块石滑落现象,因此滚石灾害对山区桥梁造成了严重威胁。近年来频发的滚石撞击桥梁事故中,桥梁结构都受到极大程度损伤,山区滚石对桥墩的冲击作用也逐渐引起重视。本文建立了三种截面形式的桥墩数值模型,分析滚石与不同截面形式的桥墩碰撞的动态响应结果。并且选取圆柱式桥墩为研究对象,分析在滚石与桥墩撞击过程中影响桥墩动态响应的因素。以下是本文主要研究内容及成果:(1)介绍了国内外关于滚石碰撞问题计算理论以及有限元实现方法;阐述了在数值模拟过程中需要注意的问题以及解决方法;对本文中桥墩有限元模型、材料模型的选取及材料参数的确定进行详细说明。(2)使用LS-DYNA有限元软件建立了圆柱式墩、方柱式墩、空心薄壁墩数值模型。从滚石撞击力、桥墩顶部及背部位移、等效应力分布情况、混凝土损失比、混凝土剩余内能、钢筋变形及轴向应力等方面对比分析了三种桥墩在滚石冲击作用下的动态响应情况。研究结果表明,滚石撞击力大小受撞击接触面面积及桥墩截面刚度影响较大,撞击面面积越大或截面刚度越大都会导致滚石撞击力增大。在方柱式桥墩与空心薄壁墩的滚石撞击接触区附近转角处会出现等效应力集中现象,导致此处混凝土较易发生拉裂破坏。对于空心薄壁墩由于其结构特殊性,相较于其他两种形式桥墩,其顶部产生位移相对较大,桥墩底部等效应力也相对较大,底部容易发生剪切破坏。(3)选取圆柱式桥墩为研究对象,进一步分析了滚石速度、滚石质量、滚石撞击角度、滚石撞击位置对桥墩的动态响应及破坏规律的影响。从滚石撞击力大小、桥墩顶部及背部位移、混凝土损失比及钢筋变形情况等方面分析各参数的变化对桥墩的影响。研究结果发现,滚石速度及质量的改变对撞击力大小影响较大,其速度或质量越大滚石撞击力越大,桥墩动态响应越明显,混凝土损伤越严重,钢筋塑性变形越明显。而随着撞击角度的增大,滚石水平速度分量相应减少,对桥墩造成的影响越小。滚石撞击位置的改变对桥墩动态响应影响并不明显,但撞击位置越接近桥墩顶部,其顶部位移也越大。

关键词：滚石冲击桥墩形式数值模拟参数分析动态响应

公路滚石荷载下不同结构类型棚洞的抗冲击性能分析

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公路 2017年第5期62卷 263-267页

作者：龙湛邹顺吴清彭泽友中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安市710075 西安中交土木科技有限公司西安市710075 高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室西安市710075

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,然而在实际工程应用中棚洞被砸坏的案例仍是屡见不鲜。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立不同类型棚洞的有限元模型,并对滚石冲击下的不同结构类型棚洞的响应进行了数值仿真。... 详细信息

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,然而在实际工程应用中棚洞被砸坏的案例仍是屡见不鲜。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立不同类型棚洞的有限元模型,并对滚石冲击下的不同结构类型棚洞的响应进行了数值仿真。研究表明:(1)滚石冲击荷载会使棚洞结构中产生冲击波,冲击波的传播会引起结构应力和变形震荡,门式棚洞比半拱式棚洞的震荡反应明显;(2)抗冲击性能方面,斜柱式棚洞比直柱式棚洞更优越,半拱式棚洞比门式棚洞有优势;(3)门式棚洞和半拱式棚洞在冲击作用下的结构最危险处都位于立柱顶部内侧。首次从结构角度出发研究棚洞的抗冲击性能,其成果完善了棚洞既有理论,并为今后棚洞的合理设计和施工具有重要的指导意义。

关键词：棚洞结构滚石冲击数值模拟抗冲击性能

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落石荷载下悬臂式棚洞结构的动力响应分析

现代隧道技术 2015年第2期52卷 155-159页

作者：潘长平吴清翟敏刚邹顺中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075 西安中交土木科技有限公司西安710074 陕西省公路交通防灾减灾重点实验室西安710075

落石是我国山区重要灾害之一,棚(明)洞是抵御滚石冲击的重要措施。在实际工程应用中,棚(明)洞结构被落石砸坏的案例屡见不鲜,然而目前有关棚洞抗冲击性能的研究较少。文章借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立了山区常见的悬臂式棚洞结... 详细信息

落石是我国山区重要灾害之一,棚(明)洞是抵御滚石冲击的重要措施。在实际工程应用中,棚(明)洞结构被落石砸坏的案例屡见不鲜,然而目前有关棚洞抗冲击性能的研究较少。文章借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立了山区常见的悬臂式棚洞结构模型,并对滚石冲击荷载下的悬臂式棚洞的动力响应过程进行了仿真分析,研究其在冲击作用下的受力变形特性。研究结果表明:(1)冲击力荷载作用下,悬臂式棚洞中会产生冲击波,其传播会使结构产生应力和变形震荡;(2)棚洞结构不同部位达到最大应力的时间有所不同;(3)悬臂式棚洞的最危险部位在立墙顶部内侧与平板交接处和立墙下半段位置,实际工程中应采取局部加强措施,以保证结构的安全性;(4)冲击作用完成后棚洞结构内部的残余应力比较大,因此其顶部落石需要及时清理。该研究成果可为悬臂式棚洞的合理设计和施工提供重要的参考依据。

关键词：悬臂式棚洞滚石冲击动力响应仿真分析

下穿隧道边坡危岩崩塌滚石运动机理及安全防护

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下穿隧道边坡危岩崩塌滚石运动机理及安全防护

作者：王庆瀚山东大学

学位级别：硕士

铁路与公路隧道在西南山区的交通建设中极为常见,是交通建设的关键,由于山区地形条件的制约,隧道连续穿山施工现象较为普遍,导致道进出洞口地段常为地形险峻、岩体破碎、危岩出露的高陡边坡地段,修建明洞结构是保证交通安全的必要手段... 详细信息

铁路与公路隧道在西南山区的交通建设中极为常见,是交通建设的关键,由于山区地形条件的制约,隧道连续穿山施工现象较为普遍,导致道进出洞口地段常为地形险峻、岩体破碎、危岩出露的高陡边坡地段,修建明洞结构是保证交通安全的必要手段。受到岩石风化、地震、强降雨等自然因素的影响,坡顶的危岩一旦垮塌,将对隧道明洞段造成直接冲击,严重时将导致明洞结构断裂、垮塌,对公路及铁路交通运输安全造成巨大威胁。因此,充分分析边坡滚石的运动模式、运动机理与规律,了解滚石对明洞结构的冲击特性,可为明洞段滚石的防护提供有力理论借鉴,具有重要研究意义。本文以西南山区铁路隧道为依托,通过理论分析、模型试验与数值计算等方法,研究滚石运动模式、运动机理及其对下方明洞结构的冲击影响,并结合工程实际进行滚石运动轨迹的模拟,为滚石防护设计提供参考依据。首先,将滚石冲击洞口模式进行划分,分析不同运动模式的成因,并进行冲击能量与破坏性对比,便于根据不同滚石冲击模式进行针对性的工程防护。其次,研制下穿隧道边坡危岩崩塌运动机理模型试验系统。根据不同滚石冲击运动模式建立力学模型并进行理论分析,掌握滚石运动规律;进行竖直坠落型、滑移滚动型与碰撞弹跳型冲击运动模型试验,分析明洞结构冲击速度恢复系数变化规律,研究质量与形状的变化对滚石滑移滚动运动特性的影响,并得出不同冲击模式对明洞结构的冲击破坏影响规律。再次,将试验结果与工程实际结合,建立基于可拓法的滚石冲击明洞风险评价模型,并对现场六组危岩的冲击风险进行评定,为滚石防护提供参考。最后,根据现场冲击风险性较高的三条轨迹剖面,建立数值分析模型,进行18种工况的滚石运动轨迹计算,分析滚石质量、崩塌位置与坡面特性对滚石冲击明洞的速度、能量与冲击高度等参数的影响;根据计算结果进行滚石被动防护网的布设位置、范围、高度与冲击能级的设计,并验算防护效果,结果表明,被动防护网的布设可有效防止滚石崩塌对明洞结构的冲击,为降低施工风险,保证交通安全提供有力保障。

关键词：滚石冲击明洞结构模型试验冲击风险评价滚石防护设计

基于LS-DYNA的新型棚洞板耗能减震分析

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基于LS-DYNA的新型棚洞板耗能减震分析

作者：周继云华中科技大学

学位级别：硕士

我国西部山区是地质灾害多发的地区,由地震、滑坡、泥石流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,凭借低廉的... 详细信息

我国西部山区是地质灾害多发的地区,由地震、滑坡、泥石流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,凭借低廉的成本和较好的力学性能被广泛用于滚石灾害防护。Tonello ***在2001年提出了新型棚洞板耗能器结构-SDR ( Structurally Dissipating Rock-sheds),它由钢筋混凝土板(不覆盖缓冲垫层)和支撑混凝土板的圆柱壳吸能支座组成。金属薄壁结构,凭借其价格低廉,良好的吸能性能和稳定性,在高速冲击碰撞中广泛被用作吸能构件。随着对圆柱壳的研究的成熟,学者们相继对方形、十字形等其他截面形式的薄壁结构以及层合圆柱壳,内填充泡沫等组合结构展开了研究。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,对圆柱壳在冲击载荷下的屈曲变形和吸能关系进行了研究,在此基础上,对滚石冲击下的SDR结构进行多工况的三维参数化数值研究。计算结果表明: 1、相同长度、相同壁厚下,周长相等的十字形管和方形管的压溃力峰值大于方形内接圆形管;十字形管和方形管的压溃力平均值小于内接圆形管,相同质量下圆管吸能效果更好。 2、圆柱壳的屈曲模式决定了其吸能特性,圆柱壳的长径比、径厚比对其屈曲模式有着很大的影响。此外,圆柱壳的能量吸收值与材料的屈服应力成正比。 3、滚石正向冲击和斜向冲击中,当圆柱壳耗能器组数空间排布从四组增加至五组,混凝土板耗散的能量以及损伤程度均降低。 4、增加圆柱壳耗能器的壁厚可以提升棚洞板结构的耗能减震效果,当四组圆柱壳耗能器的壁厚增加为8mm,五组圆柱壳耗能器的壁厚增加至7mm以后,再增加壁厚对耗能减震效果的提升不显著。 5、双层圆柱壳结构的耗能器能够吸收更多的能量,内填充泡沫铝的圆柱壳在SDR结构中吸能作用不明显。

关键词：滚石冲击棚洞板薄壁圆柱壳屈曲吸能