減壓環在被動柔性防護網中的耗能作用研究

劉成清，田　帥，陳　馳，2，何廣杰，趙必大

(1.西南交通大學土木工程學院，成都　610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063；3.浙江工業大學建筑工程學院，杭州　310014)

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減壓環在被動柔性防護網中的耗能作用研究

劉成清1，田帥1，陳馳1，2，何廣杰1，趙必大3

(1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063；3.浙江工業大學建筑工程學院，杭州310014)

基于落石防護措施受力系統的復雜性及不同系統參數研究的有效性角度考慮，數值方法正成為研究被動柔性防護網動態受力行為的重要手段。為研究被動柔性防護網中的減壓環在落石沖擊作用下的耗能及緩沖作用，以實際被動柔性防護網為原型，建立含減壓環及不含減壓環的兩種被動柔性防護網有限元模型，基于ANSYS/LS-DYNA分析兩種防護網在不同沖擊能量及沖擊位置下的動力響應。研究結果表明：減壓環可增強被動柔性防護網的柔性、改善作用部位的性能，同時能顯著地提高被動柔性防護網的耗能能力。同時，數值結果的對比分析為下一步試驗設計以校正有限元模型和研究實體構件受力特征提供了參考依據。

交通工程；被動柔性防護網；有限元方法；減壓環；耗能；沖擊

被動柔性防護網是由金屬柔性網(鋼絲繩網、環形網等)、固定系統(錨桿、拉錨繩、基座和支撐繩等)、消能件和鋼柱4部分構成的柔性安全防護系統技術和產品[1](圖1)。其中消能件多采用減壓環形式，由鋼管、鋁套筒及鋼絲繩組成，如圖2所示。利用組件之間的拉壓平衡形成弱張力集成體系，以攔截的形式減小或阻止地質災害的危害。被動柔性防護網于20世紀50年代開始使用，早期主要是防治各類斜坡坡面崩塌落石、風化剝落和雪崩等災害，自1995年引入我國以來，已在國內鐵路、公路、水電站、礦山、市政等建設領域的落石攔截、危巖及邊坡加固、坡面圍護等方面得到了廣泛應用[2-8]。與傳統的典型圬工結構相比，被動柔性防護網在受力性能、社會經濟效益等方面具有顯著優越性，是一種新穎有效的落石災害防治技術[9]。

圖1　被動柔性防護網的組成

圖2　減壓環結構

Peila[10]等進行了足尺被動柔性防護網落石沖擊試驗，研究了系統整體受力性能，如組件耗能及作用力大小，并分析了工程實踐中系統的受力薄弱部位。Gottardi[11]等對滾石沖擊被動防護網進行了現場試驗研究，獲得了沖擊力峰值與滾石質量、速度的關系。Nicot[12]、Cazzani[13]、Gentilini[14]、Spadari[15]等對滾石撞擊被動防護網的過程進行了數值模擬，研究了被動柔性防護網承受落石沖擊下的動態非線性行為及防護網結構承載能力，并分析了不同因素對一些系統性能參數的影響。在國內，劉成清[16]等進行了落石作用下被動柔性防護網足尺模型的沖擊試驗，分析了被動柔性防護網受到沖擊之后的整體變形以及減壓環、鋼柱等關鍵構件的耗能及其破壞機理。劉運濤[17]和周曉宇等[18]分別數值模擬了被動柔性防護網，不過，兩者在數值模擬時均未設置減壓環，前者通過適當降低系統抗沖擊能量來考慮減壓環的影響，而后者直接忽略。

綜合來看，目前的研究成果大部分著眼于被動柔性防護網系統足尺試驗和簡化模型下數值模擬的整體性能研究，而對減壓環自身耗能性能的分析及減壓環對被動柔性防護網的耗能性能影響的相關研究并不多見。然而，由于減壓環是被動柔性防護網中重要的耗能構件之一，亟待研究減壓環所起到的耗能作用。鑒于減壓環耗能性能的復雜性及其幾何參數影響的不確定性，擬采用有限元方法進行數值模擬，通過對比含有減壓環及不含減壓環的被動柔性防護網在落石沖擊作用下的動力響應，研究減壓環所起到的耗能及緩沖作用，分析減壓環對被動柔性防護網系統耗能的作用和特點，為減壓環的設計試驗及工程應用提供參考。

1　基本原理

在被動柔性防護網體系中，系統的柔性主要來自于金屬網和減壓環，可以通過優化各單元組件的尺寸和連接以達到系統的柔性匹配，通過合理的計算分析和設計可以使系統具有足夠的強度和柔性[19]。當落石沖擊被動柔性防護網時，系統的傳力途徑可以分成3個階段：第一階段，沖擊力通過金屬網的柔性得以消散，系統由初始平衡狀態轉換為繃緊狀態，并將剩余荷載從沖擊點向繩網系統周邊逐級傳遞；第二階段，富余的作用力傳遞至邊沿的支撐繩，并拉動支撐繩沿著鋼柱端部的鞍座滑動，沖擊變形及支撐繩中產生的拉力進一步加大，當作用力超過減壓環的啟動力閾值時，支撐繩上減壓環啟動，開始耗散沖擊能量；第三階段，隨著沖擊作用進一步加大，支撐繩進一步滑動，金屬網變形更加明顯，支撐繩傳遞給鋼柱的豎向力分量急劇增大，并啟動拉錨繩減壓環，支撐鋼柱隨之產生下擺，系統再次獲得新的耗能能力，最終傳到錨固基巖和地層。

可見，被動防護系統在落石沖擊過程中主要通過各構件的變形能力耗散落石能量，其中減壓環是最重要的耗能構件之一，由于減壓環具有很高的強度和彈性內能吸收能力，當落石能量較大時，減壓環可以通過啟動位移吸收落石能量。

2　落石沖擊被動柔性防護網的數值模擬

2.1問題描述

以目前國內常用的RX-025型被動柔性防護網為研究對象，該防護網由四川奧思特公司生產，其設計防護能級為250 kJ。取該防護網的3跨進行計算分析，每跨的跨度為10 m，高度為5 m。鋼絲繩網的型號為DO/08/250；雙絞六邊形網由2股φ3 mm的鋼絲盤結形成，鋪設在鋼絲繩網上；支撐繩的直徑為17 mm；上拉錨繩的直徑為16 mm；側拉錨繩和中間加固拉錨繩的直徑為12 mm。鋼柱截面為工字形截面，尺寸為200 mm×102 mm×9 mm×11.4 mm。減壓環分別布置在上支撐繩以及上拉錨繩中。被動防護系統立面及平面布置如圖3、圖4所示。

圖3　被動柔性防護網立面(單位：mm)

圖4　被動柔性防護網平面(單位：mm)

2.2材料參數

數值計算分析中對鋼絲繩采用塑性隨動強化模型，材料力學性能參數見表1[20]。由于鋼柱及鋼絲繩采用的都是金屬材料，并且承受動力荷載的作用，在這個過程中必須合理考慮金屬材料應變率的影響。因此，計算中采用Cowper-Symonds模型來考慮材料的塑性應變效應[21]，用與應變率有關的因素表示屈服應力

表1　鋼材的材料力學性能參數

減壓環可采用三段非線性彈簧模型[20]，其力-位移關系曲線如圖5所示。因為落石相對于防護網，其變形遠小于防護網的變形，所以，假定落石為剛體，其密度為2.5 g/cm3。

圖5　減壓環的力-位移關系曲線

2.3計算模型

根據上述結構構件材料和尺寸建立的有限元模型如圖6所示。此外，建立一種不考慮減壓環的被動柔性防護網有限元模型，即去掉減壓環布置處的單元并替換成相應的拉錨繩或支撐繩單元。

圖6　被動柔性防護網有限元模型

鋼絲繩網、拉錨繩和支撐繩采用link160單元模擬，因本文研究對象必須考慮材料的塑性行為及失效情況。減壓環采用combi165單元，通過圖5中的3段非線性彈簧模型來模擬其大變形。鋼柱采用beam161單元，以考慮彎矩影響及有限的橫向切應變。落石采用solid164單元。對于落石的每種沖擊情況，均設置一個動態顯示分析步。仿真過程中設置的求解時間為1.0s，計算結果文件輸出步數和時間歷程文件輸出步數均為200。對模型的拉錨繩以及鋼柱約束其與地面接觸部位的所有自由度。采用LS-DYNA動力求解器，落石與金屬網的接觸設為自動單面接觸，動摩擦系數和靜摩擦系數均為0.8[22]；阻尼采用Rayleigh阻尼模型，通過計算結構的前兩階自振頻率可以求得阻尼系數[23]。經ANSYS模態計算，結構的質量阻尼以及剛度阻尼分別為0.92和0.002。

假設落石為半徑等于0.8 m的球體。先假定落石正碰于被動柔性防護網中心處，因文中所用防護網類型為國內常用的RX-025型，其設計防護能級為250 kJ，故通過改變落石初速度的辦法研究落石分別以100，150，200 kJ動能沖擊有減壓環及無減壓環的被動柔性防護網。

另外，再選取另一典型的沖擊位置(防護網邊跨中心處)，研究2種不同沖擊位置下有減壓環及無減壓環的被動柔性防護網所能承受的最大落石沖擊能量，以落石穿透鋼絲繩網或拉錨繩、支撐繩、鋼柱單元失效作為防護網系統失效的判定條件。由于整個沖擊過程短暫，忽略空氣阻力和重力的作用，并定義沖擊作用時間即落石與環形網開始接觸到速度為0所經歷的時間。

3　模擬結果分析

3.1落石沖擊防護網中心響應分析

不同能量的落石沖擊下，被動柔性防護網的沖擊力隨時間變化的關系如圖7～圖9所示。可以看出，有減壓環的被動柔性防護網的沖擊作用時間均要長于無減壓環的被動柔性防護網。此外，表2、表3分別給出了不同能量下兩種防護網的最大沖擊力以及垂直變形距離，從表中可以看出，有減壓環的防護網的最大沖擊力明顯低于無減壓環的防護網最大沖擊力，同時有減壓環的防護網的垂直變形距離大于無減壓環的防護網的垂直變形距離。可見，減壓環的存在，增強了被動柔性防護網的柔性，延長了沖擊作用時間，并使得落石沖擊力顯著降低。

圖7　100 kJ時防護網沖擊力與時間的關系

圖8　150 kJ時防護網沖擊力與時間的關系

圖9　200 kJ時防護網沖擊力與時間的關系

圖10、圖11給出了不同沖擊能量下上拉錨繩以及支撐繩的最大拉應力變化曲線。從圖中可以看出，無論是上拉錨繩還是支撐繩，當考慮到減壓環的作用時，其拉應力均顯著小于不考慮減壓環作用時的拉應力。此外，當落石的能量為200 kJ時，無減壓環的被動柔性防護網支撐繩上的拉應力為1 700 MPa，非常接近于鋼絲繩的屈服應力，而有減壓環的被動柔性防護網其上拉錨繩以及支撐繩拉應力隨落石能量增長的趨勢越來越緩慢。可見，在沖擊能量較大時減壓環起到了較好的控制效果，降低了作用部位上的拉力，從而使其名副其實地成為了減“壓”環。

表2　防護網的最大沖擊力　kN

表3　防護網的垂直變形距離　m

圖10　上拉錨繩最大拉應力變化曲線

圖11　支撐繩最大拉應力變化曲線

表4給出了減壓環的平均荷載以及減壓環總共吸收的能量情況。從表4可知，隨著落石能量的增加，減壓環的平均荷載也逐漸增加，且均超過了試驗統計的減壓環的啟動荷載。另外，減壓環吸收的能量均在16%～17%，體現出了減壓環在落石沖擊被動柔性防護網過程中良好的耗能作用。

表4　減壓環的平均荷載及總吸收能量

3.2落石沖擊防護網中心時構件能量分配

被動柔性防護網在碰撞過程中，構件的內能會發生變化，從而間接反映出構件吸收能量的能力及傳力途徑。故選取落石以200 kJ的動能沖擊防護網的中心時，兩種類型防護網構件內能的時程曲線進行研究，如圖12所示。因其具備典型性，可作為代表類推落石沖擊邊跨中心情況。

圖12　200 kJ時落石沖擊中心各構件能量分配

當防護網中不考慮減壓環作用時，如圖12(a)所示。落石接觸鋼絲繩網之后，能量迅速通過鋼絲繩網擴散到支撐繩和拉錨繩中，而傳遞到鋼柱上的時間要明顯滯后一些，表現出支撐繩和拉錨繩的內能迅速增大。在整個過程中，拉錨繩吸收的能量最多，占到了總能量40%左右，其次依次是鋼絲繩網、支撐繩及鋼柱；當防護網中考慮減壓環作用時，如圖12(b)所示。各部件吸能的響應速率要快一些，并且減壓環成為主要的吸能構件，其吸收的能量占到了總能量的40%～50%，與此同時，支撐繩與拉錨繩的吸能顯著減小，而鋼柱在這兩種情況下吸收能量相差并不大，穩定在30 kJ左右。可見，在含有減壓環的防護網中，減壓環承擔了相當大一部分的耗能，并且使得與之連接的拉錨繩、支撐繩耗能顯著降低。

3.3被動柔性防護網最大耗能分析

兩種不同沖擊位置下，被動柔性防護網所能吸收的最大能量以及破壞情況如表5所示。

表5　防護網最大吸收能量及破壞情況

比較可知：不同沖擊位置下有減壓環的被動柔性防護網所吸收的能量相差不大，并且均明顯大于無減壓環的被動柔性防護網所吸收的能量，兩種沖擊位置下的吸收的能量分別提高了31.9%和39.0%。此外，從破壞情況中可以看出，含減壓環的被動柔性防護網的破壞多為鋼絲繩網的破壞，不含減壓環的被動柔性防護網因支撐繩或拉錨繩上應力過大而破壞。這說明，減壓環可以改善作用部位的性能，并使其在不同沖擊位置作用下均可提高被動柔性防護網的最大吸收能量。

在落石作用下被動柔性防護網足尺結構模型的沖擊試驗中[16]，兩個落石分別沖擊防護網同一位置，同一個減壓環的變形情況如圖13所示。從減壓環的實際變形圖可以看出，減壓環在被動柔性防護網結構的耗能過程中起著一定的作用，但是文中沒有對減壓環的耗能情況進行量化分析。

圖13　落石先后兩次沖擊被動柔性防護網足尺結構后減壓環變形

通過試驗和數值計算對GS—8000型減壓環的耗能情況進行研究[24]，得出減壓環的變形特點。通過試驗裝置對減壓環進行張拉，得到單個減壓環構件的耗能試驗數值如表6所示。可看出：由于減壓環的自身結構特性，其能夠吸收一定的能量[25]。但是文獻[24]中沒有對減壓環在被動柔性防護網結構中的情況進行分析。

表6　減壓環啟動荷載及吸收能量

通過本文的仿真計算，并且結合文獻[16]和文獻[24]，可知，由于減壓環的大變形特性，在被動柔性防護網結構中發揮著重要的耗能作用。

4　結論

以工程中實際的被動柔性防護網為研究對象，通過有限元方法對比分析了有減壓環和無減壓環的被動柔性防護網在落石沖擊作用下的響應，結論如下。

(1)減壓環可以增強被動柔性防護網的柔性，延長落石沖擊作用時間并降低落石沖擊力，起到良好的緩沖效果。

(2)減壓環顯著降低了作用部位(上拉錨繩、支撐繩)上的拉力，且自身能起到一定的耗能作用。

(3)與無減壓環的被動柔性防護網相比，有減壓環的被動柔性防護網所能吸收的能量顯著地提高。因此，在被動柔性防護網的耗能和受力研究和應用中，減壓環起著不容忽視的作用。

含減壓環的被動柔性防護網在落石沖擊作用下的數值研究，為完善被動柔性防護網落石沖擊荷載設計和試驗方案提供了基礎數據參考。在邊界條件和材料性能確定的前提下，可部分代替整體防護網結構的足尺試驗。

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Study on the Ring-brake Energy Dissipater in Passive Flexible Protection

LIU Cheng-qing1， TIAN Shuai1， CHEN Chi1，2， HE Guang-jie1， ZHAO Bi-da3

(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China;2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063，China;3.College of Building Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310014， China)

Based on the complexity of the falling rock protection barriers and the efficiency to study different system parameters， the numerical method is becoming an important method to explore the dynamic mechanical response of the passive flexible protection system. To study the energy dissipation and buffer action of the ring-brake energy dissipater in the passive flexible protection against rockfall， an actual passive flexible protection prototype is employed to establish two finite element models for flexible protection system with and without ring-brake energy dissipater. Based on ANSYS/LS-DYNA， the dynamic response of the two finite element models with different impact energy and impact position is analyzed. The results show that the ring-brake energy dissipater can enhance the flexibility of the passive flexible protection and improve the performance of the site of action， while the energy dissipation capacity of the passive flexible protection is also significantly improved. Meanwhile， the comparative analysis of the numerical results provides

for the coming experiment design to calibrate the numerical model and identify the governing characteristics of the components．

Traffic engineering; Passive flexible protection system; Finite element method; Ring-brake energy dissipater; Energy dissipation; Impact

2015-12-18；

2016-02-05

國家自然科學基金項目(51278428)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2682014CX066)

劉成清(1976—)，男，副教授，工學博士，主要從事工程抗震及抗沖擊研究，E-mail：lcqjd@swjtu.edu.cn。

1004-2954(2016)09-0036-06

U213.1+54

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.008