滾石轉(zhuǎn)動動能背景下的柔性防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元探究

宋道國，徐建平，唐黎明

（四川金洪源金屬網(wǎng)欄制造有限公司，四川成都 610000）

近年來，尤其是在我國的邊遠山區(qū)地帶，邊坡落石以及崩巖等山地自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，使依山修建的公路經(jīng)常會受到邊坡落石的威脅，由于自然災(zāi)害具有多發(fā)性和突發(fā)性，難以讓人預(yù)測，邊坡落石的發(fā)生不但會造成交通堵塞嚴重也影響民生基礎(chǔ)設(shè)施安全，而且會嚴重威脅財產(chǎn)安全和生命健康權(quán)。因此，及時對容易發(fā)生邊坡落石等自然災(zāi)害的山區(qū)采取有效的邊坡防護措施是十分有必要的。

目前，針對邊坡滾石、落石等自然災(zāi)害，邊坡防護采取的傳統(tǒng)措施主要為混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于邊坡落石所處的地勢原因，結(jié)合實際工程運用中，混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工困難，沒有較大的空間適合系統(tǒng)的搭建。因此，相比于其他防護結(jié)構(gòu)，防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)憑借其安全經(jīng)濟適用性的優(yōu)勢被廣泛推廣應(yīng)用，尤其是柔性防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在邊坡滾石防治中扮演了重要的角色。

1 柔性防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概述

柔性防護網(wǎng)是用于包裹覆蓋斜坡或者巖石實現(xiàn)防護滾石下落以鋼絲繩網(wǎng)為主體的柔性防護網(wǎng)。柔性防護網(wǎng)主體是鋼絲繩網(wǎng)，還包括格柵網(wǎng)，鋼絲繩網(wǎng)是通過沖壓工藝將熱鍍鋅高強度鋼絲繩制作成全封閉的十字扣，從而得到韌性高、強度高以及鋪展性較好的柔性防護網(wǎng)。

1.1 柔性防護網(wǎng)的作用原理

在進行邊坡落石防護時，將柔性防護網(wǎng)包裹在需要防護的邊坡上，從而限制邊坡巖石下落或破壞，在一定范圍內(nèi)控制落石的運動。柔性防護網(wǎng)的作用原理與面層護坡體系相類似，當落石沖擊防護網(wǎng)時，憑借防護網(wǎng)的柔性將沖擊載荷消散，沒有消散掉的載荷傳遞到防護網(wǎng)的四周，最后把剩余沖擊載荷達到最小程度再傳到地表層，使整體防護網(wǎng)承受較大的沖擊載荷，從而降低固定系統(tǒng)例如錨桿所承受的載荷力[1]。

1.2 柔性防護網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

柔性防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要由耗能構(gòu)件、金屬網(wǎng)、鋼柱和拉錨繩四個主要部分組成。其中，在滾石沖擊過程中，起主要防護作用的是耗能構(gòu)件。目前，常用的耗能構(gòu)件主要由鋼管、鋁套筒和鋼絲繩三部分組成。在進行邊坡滾石防護過程中，將鋼絲繩一端固定，另一端連接在防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，通過鋼管與鋁管套筒的摩擦和鋼管的大變形耗散沖擊動能，實現(xiàn)其耗能作用以及對防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過載保護作用。因此，耗能構(gòu)件作為防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要組件，在防護網(wǎng)攔截落石沖擊時起著至關(guān)重要的作用。

1.3 柔性防護網(wǎng)的分類

目前，柔性防護網(wǎng)主要分為主動柔性防護網(wǎng)和被動柔性防護網(wǎng)兩類[2]，它們的主要區(qū)別如表1 所示。

2 滾石轉(zhuǎn)動動能分析

滾石是我國西部山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，它分布范圍比較廣泛，發(fā)生突然且頻率高，嚴重威脅其周圍的人們以及各種構(gòu)筑物。

2.1 滾石的幾何特征

滾石一般分為三種形狀，主要為圓球狀、板形、條形，圓球狀滾石阻力小，滾動速度快，板形和條形滾石阻力大，滾動速度慢[3]。

2.2 滾石動能分析

將滾石當作一種運動剛體。

E=12mv2+12Iω2+Ep

式中：m-滾石的質(zhì)量；v-滾石的運動速度；I-滾石的轉(zhuǎn)動慣量；ω-滾石的轉(zhuǎn)動角速度。

其中：I=V1V2R2ρdV≈0.4m×r2（球體）

表1 主動柔性防護網(wǎng)和被動柔性防護網(wǎng)的區(qū)別

根據(jù)經(jīng)驗公式：E≈1.2Ek=0.6mv2

2.3 滾石的運動軌跡分析

（1）滾石運動軌跡大多數(shù)沿著邊坡，為坡面形狀，其運動速度的變化主要受坡面摩擦作用控制，主要運動軌跡如圖1 所示。

圖1 滾石的運動軌跡

此時，滾石的運動速度計算如下：

v=v0+2as

a=gsinα-μcosα

其中：v0-起始運動速度；μ-摩擦系數(shù)。

（2）滾石在向下滑落的過程中，若出現(xiàn)離開斜面的情況，運動軌跡為各接觸點間滾石運動拋物線段的組合，出現(xiàn)阻尼作用。

此時，滾石的運動速度計算如下：

v=βv0

滾石起跳時垂直于斜面的速度：A1=β1vx′cosα-vy′sinα

滾石起跳時沿斜面的速度：A2=β2vx′sinα+vy′cosα

落地時水平方向的速度：vx″=A1cosα+A2sinα

落地時豎直方向的速度：vy″=A2cosα-A1sinα其中：v0-起始運動速度；β-阻尼系數(shù)。

2.4 影響滾石轉(zhuǎn)動動能的因素

2.4.1 邊坡條件

邊坡條件主要包括邊坡的高度、坡度以及邊坡的地質(zhì)條件，高度和坡度的大小會直接影響滾石的穩(wěn)定性和運動特征。地質(zhì)條件主要分為坡面表面地質(zhì)條件和坡體內(nèi)部的地質(zhì)條件，坡面的地質(zhì)條件會影響滾石在坡面運動時的摩擦力，坡體內(nèi)部的地質(zhì)會改變坡面的形態(tài)，不僅會影響坡面的承載力，還會在一定程度上影響滾石運動的頻率。

2.4.2 塊石條件

塊石條件主要包括塊石的尺寸、形狀以及分布位置。塊石的尺寸會影響滾石轉(zhuǎn)動過程中的沖擊力。塊石的形狀會影響滾石的穩(wěn)定性，改變滾石的運動狀態(tài)，比如球狀滾石更容易以滾動的方式運動，方狀滾石更容易以滑動的方式運動，運動方式的不同會影響滾石轉(zhuǎn)動過程中沖擊力的大小。

2.5 滾石沖擊力的研究現(xiàn)狀

綜合文獻研究所述，國內(nèi)外研究滾石沖擊力的方法主要分為四種，如下所述：

（1）按滾石能量計算，沖擊力的計算只考慮了滾石的能量，完全忽略了滾石和柔性防護網(wǎng)的材料本身特性，從而沒有考慮不同材質(zhì)對沖擊力的影響，從而導(dǎo)致計算結(jié)果不準確。

（2）按柔性防護網(wǎng)的彈性模量計算，沖擊力的計算只考慮柔性防護網(wǎng)的彈性模量因素，忽略了柔性防護網(wǎng)的材料本身特性以及滾石的運行速度和質(zhì)量，計算結(jié)果受限制較大，從而導(dǎo)致沖擊力的計算不準確。

（3）按柔性防護網(wǎng)和滾石的材料特性和彈性模量計算，但由于以不同尺度為基準，使計算公式的結(jié)果存在較大的偏差。

（4）按計算公式的量綱分析原理，充分研究沖擊力與滾石之間的關(guān)系，以及沖擊力與柔性防護網(wǎng)之間的關(guān)系，主要考慮彈性模量和滾石質(zhì)量、速度等，雖然該方法整體考慮了滾石和柔性防護網(wǎng)的影響因素，但由于忽略了滾石運動過程中的轉(zhuǎn)動動能對沖擊力的影響，從而導(dǎo)致結(jié)果不準確。

3 滾石轉(zhuǎn)動動能背景下的柔性防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元分析

在滾石沖擊防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)過程中，耗能構(gòu)件承受的是動力沖擊荷載。經(jīng)研究分析，國內(nèi)外在防護網(wǎng)關(guān)鍵耗能構(gòu)件的試驗設(shè)備的加載沖擊力、速度及行程，都無法滿足落石沖擊產(chǎn)生的巨大沖擊力、速度及行程，目前國內(nèi)外的分析僅限于靜力試驗、靜力和動力的有限元分析，如圖2 所示。

圖2 靜力試驗之后的耗能構(gòu)件

基于靜力分析的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學者根據(jù)已有試驗結(jié)果分析了耗能構(gòu)件的耗能性能，得知啟動荷載以及破壞機制等特性是建立在靜力分析的基礎(chǔ)上。據(jù)文獻記載，有學者提出了耗能構(gòu)件的集中設(shè)計方法，對其靜力耗能性能進行試驗研究；研究耗能構(gòu)件的靜力耗能性能，對耗能構(gòu)件進行靜力試驗和動力有限元分析；研究不同型號、不同參數(shù)的耗能構(gòu)件的有限元分析并提出耗能構(gòu)件的優(yōu)化方案等。但現(xiàn)有文獻研究并無法真實反映實際沖擊作用下的耗能機理和工作狀態(tài)。

根據(jù)國內(nèi)外學者對耗能構(gòu)件的研究現(xiàn)狀可知，防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)中耗能構(gòu)件的研究多著重于靜力試驗和動力有限元分析，而在滾石沖擊防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)、耗能構(gòu)件啟動后，其動力力學性能更能反映其實際的工作狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)有耗能構(gòu)件耗能方式的局限性及設(shè)計不足之處，自行研發(fā)設(shè)計的耗能構(gòu)件動力加載試驗裝置，基于自行設(shè)計研發(fā)的動力加載裝置，對新型耗能構(gòu)件進行充足的動力試驗研究、有限元分析和理論分析。具體步驟如下：

（1）通過改變耗能構(gòu)件相應(yīng)的參數(shù)，可得到一系列的試驗結(jié)果。

（2）通過參數(shù)分析的方法，可以進行新型耗能構(gòu)件的啟動荷載、變形特點、耗能性能、破壞形態(tài)和破壞機制的研究，并且通過改變新型耗能構(gòu)件的參數(shù)進行控制變量的動力試驗方法，對其進行基于動力試驗結(jié)果的性能優(yōu)化，進而提出更適應(yīng)與承受動力作用的耗能構(gòu)件，設(shè)計研發(fā)更經(jīng)濟高效的新型耗能構(gòu)件。

（3）結(jié)合沖擊試驗和有限元分析，擬合出新型耗能構(gòu)件的啟動荷載、失效荷載、耗散能量的計算公式，用于耗能構(gòu)件的工程設(shè)計。

4 結(jié)語

本文研究了落石沖擊過程中的防護網(wǎng)關(guān)鍵耗能構(gòu)件的能量耗散機理。結(jié)合沖擊試驗和有限元分析，運用動力性能指標，擬合出新型耗能構(gòu)件的啟動荷載、失效荷載、耗散能量的計算公式，用于耗能構(gòu)件的工程設(shè)計，提出防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件的耗能計算公式，不斷優(yōu)化其動力力學性能和耗能性能，從而為柔性防護網(wǎng)耗能構(gòu)件進行設(shè)計時提供理論指導(dǎo)，對優(yōu)化后的經(jīng)濟高效的耗能構(gòu)件在柔性防護網(wǎng)的應(yīng)用具有重要意義，提升了柔性防護網(wǎng)抵御落石災(zāi)害的安全性。