關于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》的幾點修訂建議

陶永康,陳昌山,段彩紅

(1.四川省工業環境監測研究院,成都 610046)

邊坡柔性防護網系統在20世紀50年代開發,對各類斜坡坡面崩塌落石、風化剝落和雪崩等自然災害起到了良好的防護效果,在國內外已得到廣泛應用[1-5]。目前國內已建成有3座落石沖擊試驗平臺開展邊坡柔性防護網系統落石沖擊試驗檢測與研究[6]。如圖1所示,為一種垂直落石沖擊試驗平臺。本文討論的問題均為該種平臺的相關問題。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》作為邊坡柔性防護網系統最重要的試驗標準之一,實施6年來為中國邊坡防護行業的發展做出了應有的貢獻,使邊坡柔性防護網系統落石沖擊試驗成為驗證防護網系統性能的最直觀的檢測試驗,也越來越受到相關工程方和生產企業所接受。但在標準運用于實際試驗的過程中,也出現了一些爭議。由于本試驗平臺建設費用較高,試驗周期較長,所以單次試驗費用高,一旦出現爭議可能導致試驗結果不可接受,造成較大的經濟損失。筆者結合多次落石沖擊試驗結果及相關研究[7-11],以及自身的一些實踐和認識,提出幾點建議,以供下次本標準換版修訂時參考。

圖1 垂直沖擊試驗平臺示意圖

1 落石速度測量問題

1.1 標準中存在的速度測量問題

TB/T 3449-2016中第5.4.1條規定“被動防護網試驗時,在距離沖擊點最后1m范圍內試塊的平均速度不應小于25 m/s;柔性格柵網試驗時,在距離沖擊點最后1m范圍內試塊的平均速度不應小于15 m/s”。第5.6.2條規定“試塊速度可采用激光測速儀或雷達測速儀測量,也可采用影像記錄分析法測量,精度不低于0.1 m/s”。由于符合測量精度的激光測速儀和雷達測速儀價格高昂,且落石沖擊的落點不可控,落點偏離網面中心的隨機性較高,導致使用該兩種儀器測速的操作性不強。實際試驗中大多采用高速攝像機記錄影像,然后通過影像分析法測量速度。標準規定高速攝像機的參數要求為像素不低于500萬,幀率不低于100幀/s。為滿足標準規定的被動防護網試驗時,在距離沖擊點最后1m范圍內試塊的平均速度不應小于25 m/s的要求,可知落石運動時間不應低于0.04 s,若使用100幀/s的攝像機,在最后1 m范圍內的影像幀數不應少于4幀。若最后1 m范圍內的影像幀數為3幀,則平均速度約為33.3 m/s;若幀數為5幀,則平均速度為20 m/s。由此可以看出,使用100幀/s的攝像機測速精度根本無法滿足本標準規定的速度精度(0.1 m/s)要求。經計算,要滿足0.1 m/s的測速精度,至少應使用5000幀/s的高速攝像機。同時滿足本標準像素不低于500萬,幀率不低于5000幀/s的高速攝像機價格高昂,動輒四五十萬以上,顯然不經濟。而且若使用5000幀/s的高速攝像機測速,在最后1m范圍內的影像幀數約有200幀,極大的增加了影像分析的難度。另外,由于落石沖擊試驗時,鋼柱與水平面有一個夾角θ,標準規定θ≤30°,如圖2所示,試驗安裝時θ一般多在10°～20°之間。這導致了網面中心高度的不確定性,增加了在影像分析時識別落錘接觸網面前最后1m范圍的難度。故通過影像分析法測量落石距離沖擊點最后1m的平均速度也存在諸多困難。

說明:1——拉錨繩;2——鋼柱;3——金屬柔性網圖2 垂直沖擊試驗平臺防護網安裝示意圖

1.2 速度測量解決方法

綜合以上問題,筆者提出一種考慮空氣阻力的通過牛頓第二定律和能量守恒方法計算在距離落石沖擊點最后1 m范圍內試塊的平均速度和確定沖擊高度的方法。標準規定被動防護網試驗時,在距離沖擊點最后1 m范圍內試塊的平均速度不應小于25 m/s。通常情況下空氣阻力f與物體和空氣相對速度的平方成正比[12],則空氣阻力可表示成

f=-kv2

(1.1)

f方向與速度方向相反,k是由空氣的密度、物體的形狀及體積決定一個常數。根據周雨青[13]等人對球類運動空氣阻力的計算和分析得出空氣阻力經驗公式為

(1.2)

(1.3)

其中ρ是空氣密度,A是物體的迎風面積,k是比例系數,C是空氣阻力系數,球狀物體一般取C=0.5[14],本標準規定的落石試塊為一個正26面體,可近似為球狀物體。試塊下落所受的外力為

F合=mg-kv2

(1.4)

根據牛頓第二定律有

mg-kv2=ma

(1.5)

其中a為加速度,可以得到考慮空氣阻力的重力加速度為

(1.6)

本標準規定落石在距離沖擊點最后1 m范圍內試塊的平均速度不應小于25 m/s,本文取平均速度為25 m/s研究。設落石接觸網面時的速度為v,落石在接觸網面前1 m的的速度為v1,落石在接觸網面前最后1 m范圍內的運動時間為t=1/25=0.04 s,運動距離為h=1 m,沖擊高度為H,落石接觸網面時的沖擊動能為Ek,可以得到

(1.7)

(1.8)

將(1.7)帶入(1.8)可得到一個關于v的一元二次方程

(1.9)

解此方程可得

(1.10)

再根據自由落體運動能量守恒定律可得

(1.11)

將(1.6)帶入(1.11)得

(1.12)

由于(1.10)和(1.12)中所有參數都已知,故可以很容易算出落石接觸網面時的速度v和沖擊高度H,進一步算出落石接觸網面時的沖擊動能Ek。

在現實試驗中,一般通過忽略空氣阻力的自由落體運動能量守恒方程確定在保證沖擊速度為25 m/s時的沖擊高度。然后再通過標準規定的不同沖擊能級,確定落石試塊的重量。再結合公式(1.10)-(1.12),筆者提供了一組落石沖擊試驗的沖擊試塊重量、沖擊高度、沖擊速度、沖擊勢能和沖擊動能數據,見表1。

表1 落石沖擊試驗參數

經實踐,該組參數能很好的指導現實中落石沖擊試驗。解決了使用現有測速設備測量難、測不準的難題。建議在下次標準修訂時加入此類表格參數指導試驗開展。

2 沖擊能量問題

TB/T 3449-2016中第5.5條規定了試驗步驟,并給出了不同被動防護產品的SEL(正常工作能級)和MEL(最大試驗能級)試驗的能級。在現實試驗中,落石沖擊能級計算,一般是通過沖擊動能(即落石試塊接觸網面時的動能)確定。但是防護網系統所吸收的能量還包括從落石接觸網面到落石被截停這段緩沖距離l3的勢能,緩沖距離如圖3所示。所以防護網所吸收的能量還應包括這段勢能Ep′,若緩沖距離按3 m計算,該段勢能約等于沖擊動能的10 %,所以防護網所吸收的總能量約等于Ek×110 %。

圖3 垂直沖擊試驗平臺緩沖距離

同時由于標準中沒有明確試驗中沖擊能量的偏差范圍,這給實際試驗工作帶來了疑問。實際試驗中,一般是選擇略微高于規定能級但不超過規定能級的5 %的能量。再結合落石試塊接觸網面后防護網額外吸收的勢能,建議在下次標準修訂時加入試驗能級偏差±5 %。

3 試驗平臺結構形式問題

TB/T 3449-2016標準對試驗平臺建造材質和結構形式并沒有明確要求。根據筆者調查了解國內三座落石沖擊試驗平臺,其中兩座是混凝土擋墻形式,一座是鋼結構形式。混凝土擋墻試驗平臺如圖4所示,在落石沖擊網面時,擋墻會承受較大的力矩,長期受到較大的力矩作用,容易使混凝土產生微裂紋,進而擴展成裂縫或開裂,極端情況下可能在進行落石沖擊試驗時導致混凝土擋墻倒塌。經筆者調查,現在已在服役的兩座混凝土擋墻落石沖擊試驗平臺中,已經有一座出現了裂縫和開裂情況,如圖5所示。一旦出現這種裂縫或開裂情況,極難修復,存在很大的安全風險隱患。

圖4 某混凝土擋墻落石沖擊試驗平臺

圖5 某混凝土擋墻落石沖擊試驗平臺上的裂紋

另一種鋼結構形式的落石沖擊試驗平臺,其主體結構為規格H700×300×13×24 mm、材質Q355B的H型鋼,先通過高強緊固件連接副固定再經過焊接建造而成,結構剛度足夠大(筆者的另一篇文章對此有詳細分析),完全滿足落石沖擊試驗要求,其三維構型類似一個拉長形的金字塔結構,如圖6所示。由于其結構特點,落石沖擊落點幾乎都在沖擊試驗平臺立面投影里,故其所受的力矩較小,整體結構穩定,不易傾翻。另外鋼結構試驗平臺還具有不易損壞,維修方便、改裝容易、建造成本低、建造材料環保等優點。

圖6 某鋼結構落石沖擊試驗平臺

綜上,鋼結構落石沖擊試驗平臺是一種更優秀的平臺,建議在下次標準修訂時增加對試驗平臺結構形式的要求。

4 結論

(1)本文提出的一種考慮空氣阻力的通過牛頓第二定律和能量守恒方法計算在保證距離落石沖擊點最后1 m范圍內試塊的平均速度≥25 m/s時的落石觸網速度和確定沖擊高度的方法,能很好的解決標準中落石速度測量難和測不準的問題。

(2)本文指出了沖擊能量計算時長期被忽略的緩沖距離段能量,并提出可通過設定試驗能級偏差±5 %解決該問題。

(3)通過對不同結構形式的落石沖擊試驗平臺調查研究和分析,提出鋼結構落石沖擊試驗平臺是一種更優的平臺,建議在下次標準修訂時增加對試驗平臺結構形式的要求。