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        落石沖擊UHPC棚洞板砂土層緩沖性能研究

        2021-01-18 03:13:06楊少軍鐘漢清余志祥高明昌
        關(guān)鍵詞:落石沖擊力砂土

        楊少軍,呂 梁,鐘漢清,余志祥,高明昌,劉 琛

        (1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

        引言

        危巖落石為山區(qū)常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全。棚洞結(jié)構(gòu)是危巖落石綜合防護(hù)體系的重要一環(huán),廣泛應(yīng)用于山區(qū)線路隧道洞口處。棚洞頂板上鋪設(shè)緩沖層后對(duì)落石沖擊的緩沖效應(yīng)顯著。

        近年來(lái),相關(guān)學(xué)者在落石沖擊棚洞相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究。王東坡等[1]采用數(shù)值模擬方法對(duì)比了EPS墊層和砂墊層對(duì)棚洞混凝土板的耗能作用;裴向軍等[2]采用動(dòng)力有限元分析不同沖擊能量下多組砂土墊層厚度組合的動(dòng)力響應(yīng)及耗能緩沖機(jī)理;王琦等[3]以廢棄橡膠輪胎作為墊層材料,采用動(dòng)力有限元法研究落石沖擊速度、墊層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響;江巍等[4]取不同厚度的緩沖土層,分析不同墜落高度條件下落石經(jīng)過(guò)土體緩沖后對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊力。文獻(xiàn)[5-16]開(kāi)展了滾石在不同沖擊角度下棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力力學(xué)響應(yīng)、落石對(duì)框架門(mén)式棚洞的動(dòng)力響應(yīng)、懸臂式棚洞在滾石沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)等研究。

        超高性能混凝土[17-18](簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC或RPC)具有高力學(xué)性能、高耐久性能等優(yōu)勢(shì),在棚洞主體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊,而UHPC棚洞板鋪設(shè)砂土層時(shí)對(duì)落石沖擊的緩沖性能未見(jiàn)報(bào)道。本文建立UHPC棚洞板在不同厚度砂土緩沖層下的有限元模型,模擬不同沖擊能級(jí)下的落石沖擊力、砂土層耗能比例、板的動(dòng)力響應(yīng)等,據(jù)此對(duì)比不同厚度砂土層的緩沖性能,為今后落石防護(hù)棚洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

        1 主體結(jié)構(gòu)概況

        棚洞板采用超高性能混凝土制作,其立方體抗壓強(qiáng)度120 MPa,彈性模量40 GPa。棚洞板的立面為拱形,內(nèi)側(cè)半徑6.7 m,外側(cè)半徑7.0 m,板寬2 m,參考普通混凝土棚洞板的厚度一般為0.5~0.7 m,故UHPC棚洞板的厚度設(shè)置為0.3 m。為降低自重,拱形板采用空心截面,截面上布置有8個(gè)直徑0.2 m的圓孔,空心板截面示意如圖1所示,棚洞板三維示意如圖2所示。板內(nèi)布置2層HRB500級(jí)鋼筋網(wǎng),鋼筋直徑12 mm,間距10 cm,鋼筋網(wǎng)層間距25 cm。

        圖1 空心板截面(單位:mm)

        圖2 棚洞板三維示意(單位:mm)

        2 有限元數(shù)值模擬

        2.1 模型建立

        運(yùn)用LS-DYNA顯式有限元程序進(jìn)行仿真分析,模型由UHPC棚洞板、板內(nèi)鋼筋網(wǎng)、砂土層、擋塊、落石共5部分組成。除板內(nèi)鋼筋網(wǎng)采用帶桁架選項(xiàng)的梁?jiǎn)卧M外,其余各部分均采用實(shí)體單元模擬?;⌒伟鍍蓚?cè)底部節(jié)點(diǎn)按固結(jié)約束,落石與砂土層為自動(dòng)面面接觸,整體有限元模型如圖3所示。

        圖3 整體有限元模型

        2.2 材料參數(shù)

        UHPC本構(gòu)模型在沖擊荷載下的單元失效由最大主應(yīng)變控制,取值0.05;UHPC單軸抗壓強(qiáng)度取84 MPa;鋼筋網(wǎng)按理想彈塑性本構(gòu)模型考慮,彈性模量取200 GPa,屈服強(qiáng)度取500 MPa,泊松比取0.3;落石按剛體考慮;砂土緩沖層按Drucker-Prager準(zhǔn)則考慮,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為二次拋物線,如圖4所示,彈性模量取40 MPa,泊松比取0.3。

        圖4 砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        2.3 防護(hù)能級(jí)與計(jì)算工況

        危巖落石防治需要多種主被動(dòng)防護(hù)手段相互配合實(shí)施,UHPC棚洞通常作為綜合防治體系的最后一環(huán)。尤其對(duì)于橋梁棚洞一體化結(jié)構(gòu)[19-20]而言,其防護(hù)能級(jí)不宜過(guò)高,應(yīng)在滿(mǎn)足防護(hù)要求的基礎(chǔ)上,盡量降低結(jié)構(gòu)自重,以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的要求,本文棚洞結(jié)構(gòu)的最大防護(hù)能級(jí)按200 kJ設(shè)計(jì)。

        落石形狀采用標(biāo)準(zhǔn)球體,沖擊能量設(shè)置為50,100,150,200 kJ,對(duì)應(yīng)的沖擊速度分別為8.41,11.89,14.57,16.82 m/s,每種能級(jí)下砂土層厚度均分別取30,60,90 cm。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        3.1 落石沖擊力

        考察不同沖擊能量下,不同砂土層厚度下落石的沖擊力時(shí)程曲線,如圖5所示,并將各能級(jí)落石沖擊力峰值匯總于表1。

        圖5 落石沖擊力時(shí)程曲線

        表1 各能級(jí)落石沖擊力峰值 kN

        由圖5與表1可知:隨著砂土層厚度的增加,落石沖擊力時(shí)程曲線變得相對(duì)平緩;同等能級(jí)下,落石沖擊力達(dá)到峰值所需要的時(shí)間隨砂土層厚度的增加而延長(zhǎng)。

        當(dāng)砂土層厚度分別為30,60,90 cm時(shí),在50,100,150,200 kJ能級(jí)下,落石沖擊力峰值降幅分別達(dá)到64.3%,64.9%,66.7%,65.7%。不同能級(jí)下沖擊力降幅較為一致,砂土層表現(xiàn)出顯著的緩沖效應(yīng),特別是其厚度從30 cm增加至60 cm時(shí),各能級(jí)沖擊力降幅均在40%以上。

        當(dāng)砂土厚度從60 cm增至90 cm時(shí),沖擊力峰值降幅已不及從30 cm增至60 cm時(shí)顯著,而結(jié)構(gòu)恒載卻明顯增加。

        3.2 砂土層耗能比例

        落石在沖擊砂土層的過(guò)程中,砂土通過(guò)變形將落石的初始動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。繪制出砂土層的內(nèi)能時(shí)程曲線如圖6所示,并考察各能級(jí)曲線平穩(wěn)后的砂土層內(nèi)能占初始沖擊動(dòng)能的百分比,將結(jié)果匯總于表2,可據(jù)此評(píng)估各能級(jí)砂土層的耗能效果。

        圖6 砂土層內(nèi)能時(shí)程曲線

        表2 各能級(jí)砂土層耗能比 %

        由圖6與表2可知:各能級(jí)砂土層內(nèi)能時(shí)程曲線在落石沖擊瞬間發(fā)生陡增,之后均趨于平穩(wěn)。砂土層的耗能效果顯著,隨著能級(jí)的提高,耗能比例略微下降。30 cm砂土層的耗能比例約80%,60 cm和90 cm砂土層耗能比例大于90%,且在相同能級(jí)下二者差距很小,差值小于3%。因此,從耗能和降低自重綜合來(lái)看,60 cm砂土層厚度適宜。

        3.3 UHPC板動(dòng)力響應(yīng)

        設(shè)置砂土層的根本目的在于保障主體結(jié)構(gòu)在落石沖擊下的安全性。主體結(jié)構(gòu)的安全性包含2個(gè)重要指標(biāo):UHPC實(shí)體單元的主壓應(yīng)力和鋼筋單元的軸向應(yīng)力,前者考察UHPC單元是否壓碎,后者考察鋼筋單元是否屈服。UHPC和鋼筋單元在落石沖擊過(guò)程中的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)是一個(gè)劇烈變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,考察所有單元中的峰值應(yīng)力即可判斷主體結(jié)構(gòu)的安全性能,將各能級(jí)UHPC單元的主壓應(yīng)力峰值和鋼筋應(yīng)力峰值分別匯總于表3和表4。

        表3 各能級(jí)UHPC單元主壓應(yīng)力峰值 MPa

        表4 各能級(jí)鋼筋單元軸向應(yīng)力峰值 MPa

        由表3與表4可知:當(dāng)砂土層厚度為30 cm時(shí),對(duì)于UHPC實(shí)體單元,在150 kJ和200 kJ能級(jí)下已有UHPC單元主壓應(yīng)力峰值超過(guò)其軸心抗壓強(qiáng)度;而鋼筋單元的拉應(yīng)力峰值隨著能級(jí)的增長(zhǎng)變化較為平緩,即使是50 kJ低能級(jí)下的拉應(yīng)力峰值也已超過(guò)屈服強(qiáng)度500 MPa。

        當(dāng)砂土層厚度為60 cm時(shí),各能級(jí)UHPC單元主壓應(yīng)力峰值顯著下降,均不超過(guò)其軸心抗壓強(qiáng)度;各能級(jí)下鋼筋單元拉應(yīng)力峰值仍差別不大,且均不超過(guò)其屈服強(qiáng)度??傮w而言,此厚度砂土層可以對(duì)主體結(jié)構(gòu)提供良好的防護(hù)。

        當(dāng)砂土層厚度為90 cm時(shí),各能級(jí)UHPC單元主壓應(yīng)力和鋼筋單元拉應(yīng)力峰值增長(zhǎng)均較為緩慢,對(duì)應(yīng)工況數(shù)值相比鋪設(shè)厚60 cm砂土層時(shí)差異不大,其中50 kJ和100 kJ能級(jí)由于恒載的提升幅度超過(guò)了沖擊力的降幅,UHPC主壓應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力峰值滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        因此,從主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的角度對(duì)比3種厚度的砂土層,同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重和經(jīng)濟(jì)性,砂土層厚度選擇60 cm更為適宜。

        4 結(jié)論

        本文建立UHPC棚洞板及其不同厚度砂土緩沖層的有限元模型,分別模擬50,100,150,200 kJ能級(jí)下的落石沖擊作用,從落石沖擊力、砂土層耗能比例、板的動(dòng)力響應(yīng)等多方面對(duì)比不同厚度砂土層的緩沖性能,得到如下主要結(jié)論。

        (1)60 cm厚砂土層下,各能級(jí)落石沖擊力峰值較30 cm時(shí)降幅均超過(guò)40%;90 cm厚砂土層下,各能級(jí)落石沖擊力峰值降幅相對(duì)變緩,而結(jié)構(gòu)恒載卻顯著增加。

        (2)60 cm和90 cm厚砂土層下,各能級(jí)砂土層耗能比例均已超過(guò)90%,且在相同能級(jí)下二者差距很小,均不超過(guò)3%。

        (3)60 cm和90 cm厚砂土層下各能級(jí)UHPC主壓應(yīng)力峰值均不超過(guò)其軸心抗壓強(qiáng)度,鋼筋拉應(yīng)力峰值均不超過(guò)其屈服強(qiáng)度,且在相同能級(jí)下二者差距很小。

        (4)從落石沖擊力、砂土層耗能、UHPC板動(dòng)力響應(yīng)等多角度綜合考量,并考慮結(jié)構(gòu)恒載和經(jīng)濟(jì)性的影響,60 cm是較為適宜的砂土層厚度,能夠滿(mǎn)足200 kJ能級(jí)的防護(hù)要求。

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