落石動量參數對被動柔性防護網的影響研究

沈彬 劉成清

【摘要】被動柔性防護網是公路和鐵路沿線防護落石災害的一種常用裝置，為研究落石動量參數對被動柔性防護網的影響，文章以常用的RX-500型被動防護網為原型，通過ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對具有相同尺寸、相同動能和不同動量的落石沖擊被動柔性防護網的受力性能和能量耗能規律進行研究。結果表明：落石動量參數對落石能量耗散時間影響很大，落石動量越大，落石能量耗散的時間越長，落石沖擊時間可延長21.34 %;落石對被動柔性防護網的受力性能和各構件的耗能占比影響較小。

【關鍵詞】被動柔性防護網; 落石; 動量; 受力性能; 能量耗散

【中國分類號】U216.41+5【文獻標志碼】A

鐵路與公路

1 被動柔性防護網

被動柔性防護網由于具有易于安裝、布置靈活、防護能力突出等優點，能夠很好地針對各種地質災害防護，因此廣泛地應用于泥石流、落石甚至雪崩的防護工作[1]。被動柔性防護系統主要由金屬柔性網（鋼絲繩網、格柵網等）、連接構件（錨桿、拉錨繩、基座、支撐繩等）、消能件（減壓環等）和鋼柱四部分構成[2]（圖1）。

劉成清等[3]建立鋼柱與鋼絲繩網、鋼柱基礎在不同連接方式下不同被動柔性防護網有限元模型，對結構在不同落石沖擊能量下各構件的變形和受力進行分析。孫波等[4]利用LS-DYNA對不同落石直徑、不同落石動能沖擊下被動柔性防護網的能量耗散規律進行研究。目前關于被動柔性防護網的研究和安全性能評價基本都是考慮落石的動能[5]，事實上落石動能只是描述落石運動形態的其中一個尺度，相同動能下動量可能不一樣。為了探究落石動量參數對被動柔性防護網的影響，本文建立常用的RX-500型被動防護網，通過ANSYS/LS-DYNA對落石在相同動能不同動量的條件下沖擊結構的受力性能和能量耗散規律進行研究。

2 有限元數值模型

選用工程中常用的RX-500作為被動柔性防護體系，其防護能級為500 kJ。選取3跨建立模型，防護網鋼柱間距為10 m，鋼柱高度為5 m。鋼柱采用20b工字鋼。鋼絲繩網規格為DO/08/200，支撐繩為216 mm，上拉錨繩為14 mm，側拉錨繩為16 mm。減壓環采用GS-8000，分別布置在支撐繩和上拉錨繩中。

鋼絲繩網、支撐繩、拉錨繩采用Link160單元模擬，鋼柱采用Beam161單元模擬，落石采用Solid164單元模擬，減壓環采用Combi165單元模擬。鋼絲繩網、支撐繩、拉錨繩以及鋼柱均采用雙線性彈塑性材料模型，材料參數見表1;如圖3，采用三折線非線性彈簧模型來描述減壓環的動態力學行為[6]。假定落石為剛性球體，撞擊位置被動柔性防護網的中間跨正中心[5]。由于上、下支撐繩在可沿鋼柱滑動，通過*ELEMENT_SEATBELT與*ELEMENT_SEATBELT_SLPRING可滑移接觸單元對模擬這一行為。有限元模型如圖2所示，鋼柱可沿鉛垂面轉動，落石與鋼絲繩網采用點面接觸。

在落石尺寸和動能一定條件下，通過改變落石密度來改變落石動量，來探究落石動量參數對被動柔性防護網的影響。考慮常見巖石密度在2 000～3 000 kg/m3，建立落石動能300 kJ，動量為42×103～50×103? kg·m/s五個不同工況，見表2。

3 數值模擬結果對比分析

圖4為落石沖擊能量和沖擊時間的關系示意圖，從中可以看到隨著動量的增大，落石沖擊時間逐漸延長，沖擊時間從0.42 s延長到0.51 s，延長了21.42 %，說明落石動量的大小對于能量耗散的快慢影響很大，落石動量大，能量耗散時間長。這是由于落石動量越大，落石質量就越大，相應落石在沖擊鋼絲繩網時加速度就越小，所以落石作用時間就越長，落石能量耗散時間就越長。

圖5為落石沖擊力和沖擊時間的關系示意圖。可以看到落石動量越小，落石沖擊力峰值就越大。落石沖擊力最大156.49 kN，最小為146.37 kN，相差僅6.35 %，差距不大。說明動量對落石沖擊力峰值影響不大。此外從圖中可以看出，落石動量較小時，落石沖擊力增大較快，這與落石動量越小，落石初始速度越大，網片法向位移增長較快有關。

圖6為落石沖擊力和落石沖擊點位移的關系示意圖。從中可以看出不同落石動量下落石沖擊力與落石沖擊點位移的關系曲線基本重合。這是因為一方面落石沖擊力與落石沖擊點位移之比與結構自身的布置有關，另一方面落石沖擊點位移也僅與落石沖擊能量與關。所以落石動量對落石沖擊點位移無影響。

從上面的分析可以看出落石動量主要影響落石的能量耗散快慢，對落石沖擊力和落石沖擊點位移基本無影響。為進一步考察落石動量對能量耗散分布規律，下面對被動柔性防護網各構件的耗能情況進行分析。

圖7落石動量為I=42×103 kg·m/s時各構件的耗能占比，可見減壓環是主要耗能構件，通過其余落石動量的各構件耗能占比進行分析，發現各構件耗能占比變化很小。所有落石動量參數主要影響的是被動柔性防護網的能量耗散時間，對各構件的耗能占比影響非常小。

4 結論

通過對相同動能、相同尺寸、不同動量的落石進行參數化分析，對落石能量、落石沖擊力、沖擊點位移和各組成構件的耗能情況進行分析，得出以下結論：

（1）落石動量參數對落石的能量耗散時間影響很大。相同落石尺寸和動能條件下，落石動量越大，耗能時間越長，能量耗散時間可延長21.34 %。

（2）落石動量參數對結構的受力性能影響較小，對各構件的耗能占比基本無影響。

參考文獻

[1] 陽友奎， 原振華，楊濤.柔性防護系統及其工程設計與應用[M].北京：科學出版社，2015.

[2] TB/T 3089—2004 鐵路沿線斜坡柔性安全防護網[S].

[3] 劉成清，陳林雅，齊欣.落石沖擊作用下不同連接方式被動防護網的受力分析[J].中國鐵道科學，2016，37（2）：17-25.

[4] 孫波，石少卿，汪敏.落石沖擊被動防護系統能量衰減規律分析[J].中國地質災害與防治學報，2010，21（4）：34-38.

[5] TB/T 3449-2016鐵路邊坡柔性被動防護產品落石沖擊試驗方法與評價[S].

[6] 齊欣.柔性被動攔截網結構力學性能研究[D].成都：西南交通大學，2014.