基于UHPC板和EPS耗能層的落石沖擊力研究

孫宗磊,楊少軍,劉 琛,高明昌,呂 梁

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安 710043；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

危巖落石是艱險(xiǎn)山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有難以預(yù)測性、突發(fā)性、隨機(jī)性、致災(zāi)嚴(yán)重性等特點(diǎn)，是山區(qū)鐵路建設(shè)以及運(yùn)營安全保障面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路新建橋梁多跨越V形溝谷，受高陡邊坡地形的影響而設(shè)置為橋隧相連工程結(jié)構(gòu)。隧道洞口往往是危巖落石沖擊最為頻繁的區(qū)域，拱形明洞頂板首先受到?jīng)_擊[1]，圖1為山區(qū)隧道洞口落石沖擊明洞破壞照片。圖2為常見的山區(qū)隧道洞口落石防護(hù)棚洞，該棚洞一般為鋼筋混凝土拱形板，頂部鋪設(shè)一定厚度的砂土對(duì)落石沖擊能量緩沖后保證結(jié)構(gòu)與行車安全，當(dāng)該棚洞處于橋隧相連工程而必須與橋梁一體化建造時(shí)因重力過大而難以實(shí)現(xiàn)。因此，橋梁上設(shè)置落石防護(hù)棚洞的關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)法減輕棚洞與緩沖材料的重力。

圖1 山區(qū)隧道洞口落石沖擊明洞破壞

圖2 山區(qū)隧道洞口落石防護(hù)棚洞

超高性能混凝土(簡稱UHPC)是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，利用力學(xué)性能高的特點(diǎn)建造橋梁可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)輕型化[2]。EPS與傳統(tǒng)砂墊層相比，能夠在一定程度上降低棚洞結(jié)構(gòu)自重[3]。國內(nèi)邵旭東等學(xué)者開展了UHPC結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與應(yīng)用研究[4-12]；國內(nèi)王靜峰等學(xué)者開展了一系列EPS墊層耗能作用的理論與試驗(yàn)研究[13-15]。基于UHPC板的EPS緩沖層的耗能性能理論及試驗(yàn)研究尚屬空白。

當(dāng)前鐵路橋梁專業(yè)均采用靜力荷載開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與落石沖擊問題通常采用的能量荷載條件缺少銜接，本文開展基于UHPC棚洞板和EPS耗能層的落石沖擊力試驗(yàn)研究，擬合沖擊能量和沖擊力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，以指導(dǎo)落石防護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)及緩沖層采用輕型高強(qiáng)材料的理論與試驗(yàn)可行性，為實(shí)現(xiàn)輕型橋梁棚洞一體化防治技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用于落石防護(hù)的隧道明洞結(jié)構(gòu)一般為厚度60～70 cm的鋼筋混凝土板，并在頂部鋪設(shè)一定厚度的砂土類緩沖層。由于UHPC材料力學(xué)性能遠(yuǎn)高于普通混凝土，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)棚洞頂板平面尺寸按照1∶1設(shè)計(jì)，而棚洞的厚度因采用UHPC后按30 cm設(shè)計(jì)。

1.1 UHPC試驗(yàn)板

試驗(yàn)板采用弧形板結(jié)構(gòu)，其圓曲率半徑R=6.7 m與國內(nèi)高速鐵路明洞頂板曲率相同，材料為120 MPa級(jí)別的UHPC，彈性模量42 GPa，軸心抗壓強(qiáng)度80 MPa。弧形部分板厚0.3 m，兩端為便于支承做成水平直線段，直線段寬0.5 m，單塊弧形板質(zhì)量約8.5 t，弧形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3，高溫蒸養(yǎng)后UHPC板見圖4。UHPC板的頂面和底面配置間距10 cm、φ16 mm的HRB400型鋼筋網(wǎng)片，兩層鋼筋之間設(shè)架立鋼筋。

圖3 1/2試驗(yàn)板立面(單位：cm)

圖4 UHPC板高溫蒸養(yǎng)后照片

1.2 緩沖材料EPS墊層板

緩沖材料采用密度為20 kg/m3的EPS板，利用MTS815.2萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行3組試塊的單軸壓縮試驗(yàn)，加載速率分別為3、10 mm/min和100 mm/min。各加載速率的EPS應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5，不同加載速率下彈性模量差異較小約為1.7 MPa；當(dāng)加載速率提高時(shí)，屈服強(qiáng)度略有增加，10 mm/min和100 mm/min速率下屈服強(qiáng)度均為0.11 MPa。EPS材料的泊松比和屈服極限等見參考文獻(xiàn)[17]，分別為0.12和0.1 MPa。

圖5 EPS材料本構(gòu)關(guān)系

1.3 試驗(yàn)方案

本次落石沖擊試驗(yàn)撞材為直徑1 m的外包8 mm厚度鋼板的混凝土球體，試驗(yàn)稱重為14.1 kN，通過改變撞材自由落體的高度來模擬不同的沖擊能量，圖6為試驗(yàn)測試方案與現(xiàn)場照片，表1為撞材在不同高度條件下對(duì)應(yīng)的沖擊能量與速度。各工況條件下EPS緩沖層的厚度均為90 cm。

圖6 試驗(yàn)測試方案與現(xiàn)場照片(單位：m)

表1 撞材在不同高度條件下對(duì)應(yīng)的沖擊能量與速度

撞材頂部開槽后預(yù)先裝入DH5916微型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀可以測試撞材在沖擊過程中的加速度時(shí)程，按照牛頓第二定律即加速度與落石質(zhì)量的乘積便可得到?jīng)_擊力時(shí)程曲線，最大加速度時(shí)刻對(duì)應(yīng)本試驗(yàn)測得的峰值沖擊力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的組合方式進(jìn)行落石沖擊試驗(yàn)，得到不同沖擊能量條件下撞材加速度時(shí)程曲線(圖7)，各工況撞材加速度實(shí)測峰值與沖擊力峰值見表2。

圖7 不同沖擊能量條件下撞材加速度時(shí)程曲線

表2 撞材加速度實(shí)測峰值與沖擊力峰值

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

通過高速攝像機(jī)對(duì)撞材下落沖擊全過程進(jìn)行記錄，結(jié)合撞材內(nèi)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀成果對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行簡要說明。

(1)撞材沖擊能量為25～100 kJ時(shí)，經(jīng)EPS耗能層耗能后峰值沖擊力發(fā)生在0.05～0.1 s；沖擊力隨時(shí)間呈拋物線形快速增減。

(2)25 kJ和50 kJ沖擊能量作用下EPS耗能層嚴(yán)重變形但未碎裂，見圖8(b)，撞材對(duì)UHPC板的沖擊力隨時(shí)間增加而快速下降，僅出現(xiàn)1個(gè)峰值。

(3)75 kJ和100 kJ沖擊能量作用下EPS耗能層碎裂，見圖8(c)，撞材沖擊UHPC板后反彈高度約1 m，在板的頂部緩沖層失效的條件下第二次沖擊UHPC板，75 kJ和100 kJ能量二次沖擊力約為一次沖擊力的45%和60%，隨后沖擊力隨時(shí)間增加而快速下降，沖擊過程出現(xiàn)2個(gè)峰值。

圖8 撞材經(jīng)EPS緩沖后沖擊UHPC板過程

2.3 有限元計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)應(yīng)上述試驗(yàn)工況，建立落石沖擊UHPC和EPS耗能層的有限元模型，如圖9所示。在模型中，UHPC板、EPS、臺(tái)座、撞材均采用實(shí)體單元，板內(nèi)鋼筋采用桿單元；撞材與EPS、EPS與UHPC板、UHPC板與臺(tái)座均為自動(dòng)面面接觸；撞材與臺(tái)座采用剛體本構(gòu)、EPS耗能層按可壓碎泡沫本構(gòu)、UHPC板為HJC混凝土沖擊損傷模型、板內(nèi)鋼筋為理想彈塑性模型。有限元計(jì)算圖示見圖9，計(jì)算峰值沖擊力與試驗(yàn)峰值沖擊力對(duì)照關(guān)系見圖10。

圖9 有限元計(jì)算圖示

圖10 計(jì)算峰值沖擊力與試驗(yàn)峰值沖擊力對(duì)照

由圖10可知。

(1)峰值沖擊力隨沖擊能量增加而線性增加。

(2)沖擊能量增加4倍時(shí)峰值沖擊力增加約1.65倍，沖擊力的增速低于沖擊能量的增速。

(3)有限元計(jì)算值較試驗(yàn)值高出13%～19%，采用有限元計(jì)算峰值力開展工程設(shè)計(jì)時(shí)偏于安全。

3 EPS耗能層厚度對(duì)峰值沖擊力的影響

EPS耗能層對(duì)于沖擊荷載的耗能作用通過峰值沖擊力指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，峰值沖擊力也是承受落石沖擊荷載結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中最為主要的外部條件。基于前述試驗(yàn)?zāi)Ｐ停凑?5、50、75、100 kJ四種沖擊能量工況，以EPS耗能層厚度為變量，通過有限元計(jì)算分析不同厚度EPS耗能層條件下沖擊能量與峰值沖擊力的關(guān)系。見圖11。

圖11 EPS耗能層厚度對(duì)峰值沖擊力的影響

由圖11得出以下結(jié)論。

(1)峰值沖擊力隨EPS耗能層厚度的增加而減小，EPS耗能層厚度在70～110 cm時(shí)峰值沖擊力隨墊層厚度增加而降幅明顯，EPS耗能層厚度在110～150 cm時(shí)峰值沖擊力隨其厚度的增加而降幅較小。

(2)基于本試驗(yàn)驗(yàn)證的沖擊能量與峰值沖擊力關(guān)系，可將EPS耗能層厚度為70～150 cm條件下的峰值沖擊力與沖擊能量擬合為對(duì)數(shù)函數(shù)，表達(dá)式如下

Ff=AlnW+B

式中，F(xiàn)f為峰值沖擊力；W為沖擊能量；A和B為對(duì)數(shù)函數(shù)系數(shù)，其取值見表3。

表3 EPS耗能層峰值沖擊力計(jì)算系數(shù)

4 結(jié)論

隧道洞口采用橋梁棚洞一體化落石防治技術(shù)的關(guān)鍵在于減輕棚洞及緩沖層重力，針對(duì)UHPC棚洞鋪設(shè)EPS耗能層的耗能性能進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律，結(jié)合理論計(jì)算分析得出如下結(jié)論。

(1)落石峰值沖擊力一般發(fā)生在落石與緩沖材料接觸后的0.05～0.1 s，沖擊力隨時(shí)間呈拋物線形快速增減。

(2)落石沖擊能量在25～50 kJ時(shí)，EPS耗能層變形后耗能明顯。而沖擊能量在75～100 kJ時(shí)，EPS耗能層碎裂后出現(xiàn)二次沖擊現(xiàn)象，工程實(shí)踐中應(yīng)采取增加EPS耗能層厚度等措施避免二次沖擊。

(3)EPS耗能層耗能作用下，峰值沖擊力增速低于沖擊能量的增速，EPS耗能層厚度在70～110 cm時(shí)峰值沖擊力隨墊層厚度的增加而降幅明顯。

(4)峰值沖擊力與沖擊能量的關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)，擬合EPS耗能層厚度在70～150 cm，得出沖擊能量在100 kJ以下的峰值沖擊力計(jì)算公式，該公式可為落石防治的橋梁棚洞結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。