林立宏,秦 偉,吳 清,彭澤友

(1.臺(tái)州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江臺(tái)州 318001;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陜西西安 710075)

半拱形公路棚洞結(jié)構(gòu)抗沖擊性能優(yōu)化

林立宏1,秦 偉2,3,吳 清2,3,彭澤友2,3

(1.臺(tái)州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江臺(tái)州 318001;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陜西西安 710075)

利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬落石沖擊荷載作用下半拱形棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,在分析棚洞結(jié)構(gòu)受力變形的基礎(chǔ)上,探索其抗沖擊性能優(yōu)化方法,提出通過(guò)調(diào)整棚洞截面形式控制應(yīng)力擴(kuò)散路徑,從而提高棚洞的抗沖擊性能.研究表明:將半拱形棚洞拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移,使棚洞拱墻半徑增大,水平頂板寬度減小,能有效降低滾石沖擊引起的最大等效應(yīng)力,減小棚頂?shù)淖畲笞冃瘟?增強(qiáng)棚洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能.

半拱形棚洞;抗沖擊性;數(shù)值模擬;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

山區(qū)公路的發(fā)展為滾石防護(hù)棚洞的廣泛使用提供了契機(jī).隨著工程數(shù)量的增多,棚洞結(jié)構(gòu)的安全性越來(lái)越受到重視[1-7].工程中已經(jīng)出現(xiàn)不少棚洞因設(shè)計(jì)欠妥等原因,在遭到落石沖擊時(shí)無(wú)法滿足強(qiáng)度要求而被砸壞[8].因此,如何提高落石沖擊作用下棚洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性從而防災(zāi)減災(zāi),是一個(gè)急需解決的問(wèn)題.

目前,棚洞的型式多樣,其中以半拱形鋼筋混凝土棚洞的應(yīng)用最為廣泛.本文以已有的工程案例為原型,采用ANSYS/LS-DYNA軟件分析滾石沖擊作用下半拱式棚洞結(jié)構(gòu)的受力變形特性,探索半拱式棚洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊優(yōu)化.

1 半拱式棚洞模型的計(jì)算與分析

棚洞基本組成要素包括基礎(chǔ)、立柱(斜柱或直柱)、頂板和拱墻[9-11].根據(jù)棚洞結(jié)構(gòu)的斷面形狀可將其分為2種,即半拱直柱式棚洞和半拱斜柱式棚洞,如圖1所示.

圖1 半拱式棚洞的種類

1．1 計(jì)算模型

幾何模型由棚洞結(jié)構(gòu)主體、棚頂緩沖土層和滾石3部分組成.棚洞結(jié)構(gòu)寬度為12 m,高度為6 m,內(nèi)輪廓為半徑6 m的單心圓,棚洞為斜柱式時(shí)柱的傾角為75°;棚頂回填傾角為0．1∶1的緩沖土層,滾石沖擊位置上覆土厚度為2 m;滾石等效直徑為2 m,下落高度為10 m.考慮到棚洞結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度方向的對(duì)稱性,本文沿長(zhǎng)度方向取一跨即8 m進(jìn)行分析.

(1)定義單元類型.選用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID 164實(shí)體單元進(jìn)行建模.

(2)選擇材料屬性.鋼筋混凝土棚洞結(jié)構(gòu)主體采用適用于大變形的MJH材料模型,棚頂填土選用接近土體材料性質(zhì)的DP材料模型,滾石則選用剛體材料模型.

(3)網(wǎng)格劃分.棚洞的動(dòng)力特性是本文研究的重點(diǎn),因此采用掃掠網(wǎng)格劃分方式對(duì)棚洞主體和棚頂緩沖土層進(jìn)行網(wǎng)格劃分.生成的有限元模型規(guī)模分別為:半拱直柱式棚洞主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)38個(gè)、單元2 373個(gè),棚頂填土關(guān)鍵點(diǎn)18個(gè)、單元6 531個(gè);半拱斜柱式棚洞主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)38個(gè)、單元2 043個(gè),棚頂填土關(guān)鍵點(diǎn)18個(gè)、單元6 531個(gè).

(4)初始條件.初始時(shí)刻,落石和填土恰好接觸,滾石下落高度為10 m,因此初始時(shí)刻落石的運(yùn)動(dòng)速度為－14 m·s－1.計(jì)算時(shí),以自重應(yīng)力場(chǎng)為主.

(5)邊界條件.模型左邊界取棚洞斷面左側(cè),右邊界取棚頂填土右側(cè)邊界,下邊界取立柱和拱墻基礎(chǔ)底面,計(jì)算時(shí)在右邊界和下邊界施加全約束[12].

通過(guò)上述步驟建立圖2所示的2種半拱形棚洞結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型.計(jì)算時(shí)用到的材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 半拱形棚洞結(jié)構(gòu)的有限元模型

表1 計(jì)算時(shí)采用的材料力學(xué)參數(shù)

1．2 計(jì)算結(jié)果分析

2種不同類型棚洞的等效應(yīng)力云圖如圖3所示.

圖3 沖擊荷載下半拱式棚洞結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖

從圖3可以看出:在滾石沖擊作用下,半拱式棚洞的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)部位均為棚洞立柱頂部與頂板交接處柱內(nèi)側(cè);2種棚洞在同等沖擊條件下出現(xiàn)最大等效應(yīng)力的歷時(shí)不同,半拱直柱式棚洞為0.055 s,半拱斜柱式棚洞為0.045 s;在同等沖擊條件下2種棚洞的最大等效應(yīng)力不同,半拱直柱式棚洞為9.2 MPa,半拱斜柱式棚洞為7.2 MPa.圖4為落石正下方棚洞頂板處的變形曲線.

圖4 落石正下方棚洞頂板處的變形曲線

從圖4可以看出:2種半拱式棚洞的沖擊位置正下方頂板處的位移達(dá)到最大值后,以小幅震蕩的方式減小;2種棚洞在同等沖擊條件下的棚頂位移最大值不同,半拱直柱式棚洞棚頂?shù)奈灰谱畲笾禐?.002 5 m,半拱斜柱式棚洞為0.002 m;2種棚洞在同等沖擊條件下出現(xiàn)最大變形的歷時(shí)也不同.

2 半拱式棚洞抗沖擊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2．1 半拱式棚洞抗沖擊性能優(yōu)化

工程上用于提高棚洞結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的方式通常有2種——提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式,以此減小應(yīng)力變形[13-17].本文考慮采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式(即優(yōu)化截面形式)的方法提高半拱式棚洞的抗沖擊性能,即通過(guò)控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的擴(kuò)散路徑,將應(yīng)力有效地傳遞到指定部位,從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的目的.

具體方法為:增大棚洞拱墻半徑,將半拱式棚洞模型中拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移1．2 m,使水平頂板寬度減小、拱墻曲率半徑增加.這樣落石沖擊位置處的棚洞結(jié)構(gòu)向山體方向傾斜,沖擊力向連續(xù)拱墻方向擴(kuò)散,從而減小立柱所承受的應(yīng)力,如圖5所示.

圖5 半拱形棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

2．2 優(yōu)化前后棚洞的抗沖擊性能對(duì)比

半拱直柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力對(duì)比曲線和滾石正下方棚洞頂板的變形對(duì)比曲線如圖6所示.半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力對(duì)比曲線和滾石正下方棚洞頂板的變形對(duì)比曲線如圖7所示.

圖6 半拱直柱棚洞優(yōu)化前后應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

從圖6可以看出:半拱直柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力為9.15 MPa,優(yōu)化后為8.53 MPa,減小了約6.8%;半拱直柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前沖擊位置正下方棚洞頂板處的位移為2.5 mm,優(yōu)化后為1.9 mm,減小了約24%.

從圖7可以看出:半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力為7.2 MPa,優(yōu)化后為6.9 MPa,減小了約4.2%;半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化前沖擊位置正下方棚洞頂板處的位移為2.0 mm,優(yōu)化后為1.6 mm,減小了約25%.

綜上可知:同等條件下,拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移,使半拱式棚洞拱墻曲率半徑增加、水平頂板寬度減小,能有效降低滾石沖擊引起的最大等效應(yīng)力,減小棚頂?shù)淖畲笞冃瘟?

圖7 半拱斜柱棚洞優(yōu)化前后應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬半拱式棚洞在滾石沖擊下的動(dòng)力特性,探索了棚洞的抗沖擊優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式,得到以下結(jié)論.

(1)在滾石沖擊作用下,半拱式棚洞最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的部位均為棚洞立柱頂部與頂板交接處柱內(nèi)側(cè);2種棚洞在同等沖擊條件下出現(xiàn)最大等效應(yīng)力的歷時(shí)不同;2種棚洞的最大等效應(yīng)力不同,半拱直柱式棚洞的最大等效應(yīng)力要比半拱斜柱式大很多.

(2)2種棚洞在同等沖擊條件下棚頂出現(xiàn)最大變形的歷時(shí)不同,且半拱直柱式棚洞的位移最大值比半拱斜柱式棚洞大很多.

(3)對(duì)比分析了優(yōu)化前后半拱式棚洞的最大等效應(yīng)力和沖擊位置正下方棚洞頂板處的變形情況;結(jié)果證明,增加拱墻曲率半徑并減小水平頂板寬度的方法能有效控制應(yīng)力擴(kuò)散,降低最大等效應(yīng)力與頂板變形.

[1] DAI F C,LEE C F,NGAI Y Y．Landslide Risk Assessment and Management:An Overview[J]．Engineering Geology, 2002,64(1):65-87．

[2] 余志祥,許 滸,呂 蕾,等．落石沖擊對(duì)山區(qū)橋梁墩柱破壞的影響[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2012,44(6):86-91．

[3] PEILA D,PELIZZA S．Criteria for Technical and Environmental Design of Tunnel Portals[J]．Tunneling and Underground Space Technology,2002,17(4):335-340．

[4] 李現(xiàn)賓．成昆線危巖落石病害整治中的棚洞設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù),2009,46(5):19-22．

[5] SHIRAIA T,KAMBAYASHI A,OHNO T,et al．Experiment and Numerical Simulation of Double Layered RC Plates Under Impact Loadings[J]．Nuclear Engineering and Design,1997, 176(3):195-205．

[6] MOUGIN J P,PERROTIN P,MOMMESSIN M,et al．Rock Fall Impact on Reinforced Concrete Slab:An Experimental Approach [J]．International Journal of Impact Engineering,2005,31(2): 169-183．

[7] 王東坡,何思明,李新坡,等．沖擊荷載EPS墊層棚洞耗能減震作用研究[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2012,44(16): 102-107．

[8] 葉四橋．隧道洞口段落石災(zāi)害研究與防治[D]．成都:西南交通大學(xué),2008．

[9] 伍臣宇,高 峰．地震區(qū)棚洞合理結(jié)構(gòu)形式的研究[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,32(1):27-31．

[10] 劉元雪,蔣樹(shù)屏,謝 鋒．基于環(huán)境保護(hù)的大跨棚洞結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化研究[J]．公路隧道,2007(4):1-5．

[11] 黃倫海,蔣樹(shù)屏,胡學(xué)兵．公路棚洞結(jié)構(gòu)形式初探[J]．公路交通技術(shù),2009(6):110-115．

[12] 胡學(xué)兵,黃倫海．棚洞結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究[J]．公路交通技術(shù), 2011(4):1-6．

[13] 何思明,吳 永．新型耗能減震滾石棚洞作用機(jī)制研究巖[J]．石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(5):926-932．

[14] 張文成,何思明,吳恒濱,等．基于能量原理的滾石棚洞抗沖切設(shè)計(jì)[J]．蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,49(5):621-626．

[15] 裴向軍,劉 洋,王東坡．滾石沖擊棚洞砂土墊層耗能緩沖機(jī)理研究[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2016,48(1):15-22．

[16] 楊 璐,李士民,吳智敏,等．滾石對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力分析[J]．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2012,12(1):25-30．

[17] 向 波,何思明,莊衛(wèi)林,等．滾石沖擊荷載下墊層材料的動(dòng)力響應(yīng)研究[J]．公路交通科技,2015,32(1):45-49．

[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

Analysis of Structural Optimization of Impact Resistance of Semi-arched Highway Shed

LIN Li-hong1,QIN Wei2,3,WU Qing2,3,PENG Ze-you2,3
(1．Taizhou Communications Investment Group Co．,Ltd．,Taizhou 318001,Zhejiang,China; 2．CCCC First Highway Consultants Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China; 3．CCCC Civil Engineering Science&Technology Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China)

ANSYS/LS-DYNA was applied to simulate the dynamic characteristics of the semiarched shed against the impact of falling stone．Based on the analysis of the deformation characteristics of the shed structure,the method of optimizing the impact resistance was explored．It was proposed to improve the impact resistance of the shed by adjusting the form of the shed section and controlling the stress diffusion path．The results show that by horizontally offsetting the connection section of the arch wall and the roof of semi-arched shed to the direction of the column so that the radius of the arch wall is increased and the width of the horizontal roof is reduced,both the maximum equivalent stress caused by the impact of falling stone and the maximum deformation of the roof are reduced,and the impact resistance of the shed structure is enhanced．

semi-arched shed;impact resistance;numerical simulation;structural optimization

U417．9

B

1000-033X(2017)05-0055-04

2016-11-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)課題(2016YFC0802207)

林立宏(1975-),男,浙江臺(tái)州人,工程師,研究方向?yàn)楣放c城市道路工程.