王洪新

（山西省公路局晉城分局, 山西 晉城 048000）

0 引言

在我國山區(qū)公路建設(shè)中，由于地形較為復(fù)雜，經(jīng)常會遇到落石等地質(zhì)災(zāi)害問題。針對落石的防護，棚洞是極其重要的措施之一。柔性鋼棚洞與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)棚洞相比較，其尺寸、重量、占地面積均大大減少，結(jié)構(gòu)與地面間的固定強度要求降低，從而降低了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的尺寸要求，減小了開挖量，也減小了對環(huán)境的破壞，通透性好，洞內(nèi)無需考慮照明和通風(fēng)[1-5]。柔性防護棚洞與隧道明洞相比單位造價大大降低。整個結(jié)構(gòu)均由金屬構(gòu)件構(gòu)成，各構(gòu)件可以實現(xiàn)工廠化加工，現(xiàn)場安裝，施工簡單快捷。

本文以山西某隧道出口的柔性鋼棚洞為例，在對落石運動分析的基礎(chǔ)上，使用有限元數(shù)值模擬軟件模擬落石撞擊鋼棚洞的過程，分析鋼棚洞結(jié)構(gòu)各構(gòu)件能量、軸力的變化，利用柔性鋼棚洞計算理論對擬建結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計驗證。

1 工程概況

山西某國道某段公路為省市重要的交通干道，其地形復(fù)雜，山高溝深，路線沿溝谷布設(shè)。最大邊坡高度達到71m。沿線巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主。原設(shè)計中共設(shè)置4 座隧道，其中某隧道出口山高坡陡，存在隧道口危巖、風(fēng)化碎石直接掉落道路上的嚴重隱患。如圖1所示。

圖1 隧道出口情況

1.1 地質(zhì)情況

隧洞出口位于白澗河北側(cè)陡坡上，河谷橫斷面呈“V”字型，溝底寬約10～15m，洞口所處斜坡坡向152°左右，坡角在30°～40°之間，在自然條件下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。洞口仰坡高約55～65m，洞口仰坡、邊坡及洞口段圍巖均由奧陶系下統(tǒng)亮甲山組（O1l）白云巖組成，白云巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，抗風(fēng)化能力較弱，且?guī)r層產(chǎn)狀為315°∠4°，巖層產(chǎn)狀平緩，屬層狀同向斜坡，為較不穩(wěn)定組合，易產(chǎn)生碎落、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。在施工條件下，由于開挖對巖體的擾動、破壞作用，使得坡體穩(wěn)定性隨之降低，易引發(fā)坍塌及滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1.2 柔性鋼棚洞簡介

該工程擬采用鋼拱架加柔性網(wǎng)的方式進行設(shè)計。鋼拱架采用H 型鋼，縱向支撐為熱壓無縫鋼管，柔性網(wǎng)分為兩層，上鋪纏繞形圓環(huán)網(wǎng)，下鋪雙絞六邊形網(wǎng)。

根據(jù)道路的寬度10m 以及隧道的高度5m，同時考慮棚頂與隧道最高處應(yīng)有一定的安全空間，設(shè)置棚洞的基本斷面尺寸為寬12m，高8m。柔性鋼棚洞的鋼結(jié)構(gòu)基本采用的是H 型鋼桁架，選用的尺寸為H400mm×200mm。出于效能和經(jīng)濟兩方面的考慮，對防護網(wǎng)中的環(huán)形網(wǎng)采用R5/3/200 型纏繞形圓環(huán)網(wǎng)（采用鋅+5%鋁+混合稀土合金防腐），雙絞六邊形網(wǎng)采用50×60雙絞六邊形網(wǎng)（采用鋅+5%鋁+混合稀土合金防腐）。環(huán)向設(shè)8 根縱向支撐鋼管，并輔以斜向支撐鋼管，并在鋼架拱腳處設(shè)置Ф250×2.5耗能器。整體示意圖如圖2所示。

圖2 柔性防護棚整體示意圖

2 落石對柔性鋼棚洞沖擊有限元分析與計算

整個棚洞由多個棚洞結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，主梁跨度為12.0m，拱形H 型鋼梁之間的距離為5m，本次選取5 榀拱形H 型鋼梁進行計算。采用有限元數(shù)值模擬軟件模擬落石對柔性網(wǎng)的沖擊過程，對已有的結(jié)構(gòu)進行顯式非線性動力分析，從而獲取模擬后的各構(gòu)件能量及軸力等結(jié)果。

2.1 計算條件及要求

2.1.1 棚洞所受荷載

場地重力加速度為9.8m/s，各種半徑球形滾石以不同速度沖擊棚洞結(jié)構(gòu)的主要部位，利用mv2/2 計算滾石動能，達到300kJ；參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012），按50a一遇的情況考慮，查閱當(dāng)?shù)刭Y料，基本風(fēng)壓應(yīng)取0.45kN/m2。

2.1.2 材料參數(shù)

棚洞鋼結(jié)構(gòu)梁和柱采用Q345鋼材，其材料參數(shù)為：密度取7.85×103kg/m3。彈性模量取206GPa，泊松比為0.3，其屈服極限為345MPa，切向模量取彈性模型的1/100[1]。

圓柱耗能器材料采用Q210號鋼，其材料參數(shù)為：密度7.85×103kg/m3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，其屈服極限為210MPa，切向模量取彈性模型的1/100。

滾石假設(shè)為彈性材料，其彈性模量10GPa，泊松比為0.2，密度為2400kg/m3，在ABAQUS 有限元分析中，將滾石以直徑為80cm的剛性球替代，并以300kJ的動能沖擊柔性棚洞。

鋼絲網(wǎng)材料梁單元模擬，密度取7.85×103kg/m3，彈性模量取206GPa，泊松比為0.3。

2.1.3 計算工況

根據(jù)設(shè)計要求，計算表1所示的7種工況。

表1 計算工況

2.2 模型建立

2.2.1 幾何模型

以工況3為例，棚洞鋼結(jié)構(gòu)的整體計算實體模型如圖3所示，其結(jié)構(gòu)尺寸與棚洞結(jié)構(gòu)有限元整體模型圖紙?zhí)峁┏叽缫恢隆?/p>

圖3 棚洞鋼結(jié)構(gòu)的整體計算實體模型

2.2.2 有限元模型

依據(jù)提供的設(shè)計圖紙，在Abaqus有限元軟件里面建立了有限元模型，棚洞結(jié)構(gòu)模型局部圖如4圖所。其中，棚洞結(jié)構(gòu)中H型鋼采用殼單元進行離散，并賦予材料對應(yīng)的材料屬性，實體單元網(wǎng)格絕大部分是形狀規(guī)則的八節(jié)點六邊形單元，極少數(shù)單元為退化的4節(jié)點三角形過渡單元，球體滾石采用C3D8R單元離散，球體與鋼結(jié)構(gòu)接觸的地方網(wǎng)格相應(yīng)細化，以提高計算精度。鋼絲網(wǎng)以及工字鋼之間的連接構(gòu)件均采用梁單元模擬，并賦予材料對應(yīng)的材料屬性。

根據(jù)分析結(jié)果，0.075s 時H 型鋼梁所受應(yīng)力最大。因此，提取0.075s 時滾石沖擊H 型鋼梁的Mises 動力學(xué)響應(yīng)，模型最終的mises應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 Mises應(yīng)力云圖

從圖4可知，在滾石沖擊荷載計算完畢后，H型鋼梁局部出現(xiàn)屈服區(qū)域，但是H 型鋼梁并沒有出現(xiàn)整體失穩(wěn)，依然保持較好的整體穩(wěn)定性。當(dāng)H型鋼梁損壞后要及時進行更換。

2.2.3 沖擊荷載作用下的變形

根據(jù)分析結(jié)果，0.075s時H型鋼梁的應(yīng)力以及位移最大。因此，提取0.075s 時滾石沖擊H 型鋼梁的位移動力學(xué)響應(yīng)，模型最終的位移云圖如圖5所示。

圖5 位移云圖

從圖5可知，在滾石沖擊荷載計算完畢后，H型鋼梁的最大位移為0.28m，位于滾石與H型鋼梁接觸的區(qū)域。

2.2.4 支反力計算

鋼架最大支反力處支反力時程曲線以及云圖分別如圖6和圖7所示，最大支反力為25.73kN，方向為豎直向下。

圖6 最大支反力時程曲線

圖7 最大支反力云圖

2.3 計算主要結(jié)論

在300kJ沖擊力作用下棚洞計算結(jié)果表明：

（1）滾石沖擊鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)局部區(qū)域出現(xiàn)破壞，需要更換，但有效阻止了滾石的滾落；撞擊跨中鋼絲網(wǎng)時，最大位移為1.091m；撞擊1/4跨鋼絲網(wǎng)時，最大位移為0.808m，均未侵入建筑限界。

（2）滾石沖擊H 型鋼梁，主梁出現(xiàn)局部破損，需要更換，但保持了整體的穩(wěn)定性，有效地阻止了滾石，最大位移量為0.28m。值得注意的是，最大豎直向下支反力為25.73kN，即柔性棚洞基礎(chǔ)應(yīng)具有25.73kN 的抗拔力?；A(chǔ)單側(cè)錨栓可提供169.04kN 的抗拔力，遠大于25.73kN，棚洞不會產(chǎn)生傾覆。

（3）在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均處于正常彈性工作狀態(tài)。

綜合上述計算，結(jié)果表明：該柔性棚洞能夠有效阻止?jié)L石滾落，保證道路的安全運行。

3 結(jié)束語

本文以某公路隧道出口落石防護設(shè)計為例，使用有限元數(shù)值模擬軟件模擬落石對棚洞的碰撞作用，得到內(nèi)部能量軸力等數(shù)據(jù)，利用柔性鋼棚洞計算理論對擬建結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計驗證，結(jié)果表明：柔性棚洞能夠有效的阻止?jié)L石滾落，保證道路的安全運行。但在設(shè)計過程中，為了確保柔性鋼棚洞的安全防護效果，需注意以下兩點：

（1）在落石對柔性鋼棚洞的沖擊中，柔性網(wǎng)吸收了大部分的能量，因此要注意鋼絲網(wǎng)的抗拉性能；

（2）在鋼棚洞的設(shè)計中，應(yīng)注重對基礎(chǔ)錨栓的選取，確保能夠提供足夠的抗拔力。