陶永康,羅遠(yuǎn)才

(1.四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院,四川 成都 610046;2.成都開物華科技有限公司,四川 成都 611700)

我國是一個(gè)多山的國家,特別是西部和東南部山區(qū),各種地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生,加之人口眾多、幅員遼闊,各類工程的建設(shè)和開發(fā)必然會(huì)帶來大量的坡面地質(zhì)災(zāi)害問題,邊坡治理工程問題日益增多,在鐵路、公路、水電站、礦山等工程沿線尤為突出。邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)因其工廠化生產(chǎn)、組合式安裝,越來越多地應(yīng)用到了邊坡災(zāi)害治理當(dāng)中。為了能夠有效及系統(tǒng)地對邊坡柔性防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行檢測,為生產(chǎn)廠家提供改進(jìn)優(yōu)化配置技術(shù)支持,需要建設(shè)邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)防護(hù)性能檢測用的落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)[1-5]。目前國內(nèi)現(xiàn)已建成有2座試驗(yàn)平臺(tái)開展邊坡落石柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)研究[6],在進(jìn)行邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)時(shí),均采用將防護(hù)網(wǎng)安裝在混凝土墻體上進(jìn)行,即邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)平臺(tái)為混凝土墻體[7],如圖1所示。這種方式雖然抗壓強(qiáng)度好,但是其抗拉強(qiáng)度低,易出現(xiàn)墻體拉裂;因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)防護(hù)網(wǎng)的拉繩對結(jié)構(gòu)形成的都是拉應(yīng)力,所以采用混凝土墻體需要很高的強(qiáng)度來抵抗產(chǎn)生的拉應(yīng)力,有可能導(dǎo)致墻體拉裂。并且,混凝土澆筑好后易出現(xiàn)收縮不均勻,產(chǎn)生細(xì)微裂縫或中間空洞等缺陷,給試驗(yàn)過程帶來了不可控性和安全隱患[8]。同時(shí),該類試驗(yàn)平臺(tái)還有建造成本高,建造周期長,使用材料不環(huán)保,維護(hù)成本高,使用壽命短等缺點(diǎn)。據(jù)了解現(xiàn)階段已建成的兩座混凝土擋墻平臺(tái)均無法開展標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品落石沖擊試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)》規(guī)定的最大5000 kJ能級(jí)的落石沖擊試驗(yàn)。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足,本文提出一種邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)落石沖擊試驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái),鋼結(jié)構(gòu)能夠避免瞬間拉應(yīng)力大,尖峰脈沖拉力將結(jié)構(gòu)體拉裂的情況,且該平臺(tái)為三維空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu),柔性防護(hù)網(wǎng)橫向展開安裝在鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上,沖擊試驗(yàn)時(shí)具有良好的受力狀態(tài),不易傾翻,如圖2所示。本文通過有限元模擬了2000 kJ和5000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)平臺(tái)所受力情況。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

1 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)主要由地基、H型鋼(規(guī)格為H300×700×25×25 mm和H300×500×20×20 mm,材質(zhì)為Q355B)、連接加強(qiáng)板、連接螺栓等組成。各連接節(jié)點(diǎn)加工后通過高強(qiáng)螺栓連接副固定后,再將所有接縫處焊接固定,整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)可以看成是一個(gè)整體構(gòu)件。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)還配套有起吊裝置、力及位移檢測傳感器、高速攝影機(jī)、綜合測控單元等,可以完成整個(gè)沖擊試驗(yàn),并測量記錄各種拉繩、支撐繩的拉力、落石沖擊速度、防護(hù)網(wǎng)緩沖距離、殘余攔截高度等。起吊裝置一般采用汽車式吊車或塔吊[9]。

鋼結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)平臺(tái)三維空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)包括柔性防護(hù)網(wǎng)支撐部和固定支撐部,柔性防護(hù)網(wǎng)支撐部置于固定支撐部上。柔性防護(hù)網(wǎng)支撐部包括:多個(gè)并列的錐形體和支撐框架,錐形體置于支撐框架上;在支撐框架上利用固定件和錐形體上設(shè)置的固定件配合固定柔性防護(hù)網(wǎng)安裝。固定支撐部包括:多個(gè)立柱和橫梁構(gòu)成支撐架,在立柱之間設(shè)有斜拉梁,在固定支撐架內(nèi)部形成多個(gè)三角形結(jié)構(gòu)或多邊形結(jié)構(gòu);固定支撐框架置于安裝地基上。如圖3、圖4所示。根據(jù)TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品落石沖擊試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)》,除3000 kJ和5000 kJ能級(jí)的防護(hù)網(wǎng)落石沖擊落點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)平臺(tái)三維平面投影外約1 m處,其余能級(jí)防護(hù)網(wǎng)沖擊落點(diǎn)均在平臺(tái)三維平面投影內(nèi)。平臺(tái)整體所承受的力矩較小,穩(wěn)定性更好。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成(整體)

圖4 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成(裝網(wǎng))

邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)各主要固定部件(上拉繩、上下支撐繩、側(cè)拉繩、基座、鋼柱)安裝示意圖如圖5-圖8所示。

圖5 上拉繩安裝點(diǎn)示意圖

圖6 上下支撐繩安裝點(diǎn)示意圖

圖7 側(cè)拉繩安裝點(diǎn)示意圖

圖8 基座和鋼柱安裝點(diǎn)示意圖

2 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的受力理論計(jì)算及有限元分析

落石沖擊試驗(yàn)時(shí),將柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)按照產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)圖紙要求安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上,主要通過基座、支撐繩、拉繩等構(gòu)件與試驗(yàn)平臺(tái)固定。典型的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。防護(hù)網(wǎng)由三跨組成,每跨寬10 m,總寬度30 m,防護(hù)網(wǎng)攔截高度5.5 m。本文模擬和實(shí)測的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)均采用該尺寸。

(a)立面

鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)按最大5000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)、校核并制作。以下按5000 kJ能級(jí)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)落石沖擊試驗(yàn)受力計(jì)算,5000 kJ被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)容許緩沖距離為15 m[10],此處按最惡劣條件5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經(jīng)計(jì)算要達(dá)到5000 kJ的能級(jí),需將16 t的落石從距離網(wǎng)面32.8 m的高空由靜止釋放,設(shè)置為初始速度為0的自由落體運(yùn)動(dòng)[11],此時(shí)落石的觸網(wǎng)速度將達(dá)到25.29 m/s。根據(jù)能量守恒定律[12]可知

1/2mv2+mgh=(F-mg)h

(1)

式中:m——落石重量/kg;v——觸網(wǎng)速度/(m/s);g——重力加速度/(m/s2);h——緩沖距離/m;F——作用在防護(hù)網(wǎng)上的力/kN。

計(jì)算可得,作用在防護(hù)網(wǎng)面上的力的平均值F=823 kN。由于整個(gè)防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)主要通過布設(shè)在各支撐繩和拉錨繩上的減壓環(huán)啟動(dòng)收縮變形吸收能量[13],通過大量減壓環(huán)動(dòng)力性能試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)出減壓環(huán)啟動(dòng)過程中力的平均值約等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.55,故最大力Fmax=1495 kN。取最大力作為作用在防護(hù)網(wǎng)上的力約150 t,上下支撐繩均按2/3大小的力考慮,上下支撐繩受力均為100 t,上下支撐繩均按雙繩設(shè)計(jì),則單繩拉力為50 t,通過空間力系,如圖10所示,計(jì)算上拉繩中間位置受力大小為40 t,側(cè)邊受力大小為20 t,垂直于基座安裝面受力大小為40 t,沿基座安裝面向下受力大小為33.5 t。

圖10 防護(hù)網(wǎng)空間力系

使用有限元分析軟件對鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行靜應(yīng)力分析。簡化模型,將爬梯、護(hù)欄等不參與受力的結(jié)構(gòu)去除。固定鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)地基位置,對上拉錨繩中間固定位置施加1×400 kN的載荷(共計(jì)4處),對側(cè)邊上拉繩固定位置施加1×200 kN的載荷(共計(jì)4處),對上支撐繩固定位置施加1×500 kN的載荷(共計(jì)4處),對下支撐繩固定位置施加1×500 kN的載荷(共計(jì)4處),對側(cè)拉錨繩固定位置施加1×200 kN的載荷(共計(jì)2處),對基座固定位置施加垂直于基座安裝板1×400 kN的載荷(共計(jì)4處),并向下施加1×335 kN的載荷(共計(jì)4處)。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)選擇Q355B,對鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理,然后對鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)模型進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力分析結(jié)果如圖11所示,變形量分析結(jié)果如圖12所示。

(a)整體圖

結(jié)果顯示:模型最大受力位置為側(cè)拉繩固定位置,應(yīng)力為138 MPa,遠(yuǎn)小于材質(zhì)為Q355B的H型鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa[14],約有2.6倍的安全系數(shù)。此位置應(yīng)力較大的原因?yàn)槭芰c(diǎn)在梁的中部,且受力基本垂直于鋼梁,故應(yīng)力較大。

模型最大變形位置為中間頂部上拉繩固定位置,變形為12 mm,變形量對于緩沖距離影響微弱,可忽略。

3 混凝土擋墻結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ能級(jí)有限元分析

3.1 混凝土擋墻試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ能級(jí)試驗(yàn)受力分析

2000 kJ被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)容許緩沖距離為10 m[9],此處按5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經(jīng)計(jì)算要達(dá)到2000 kJ的能級(jí),需將6.31 t的落石從距離網(wǎng)面32.6 m的高空由靜止釋放,此時(shí)落石的觸網(wǎng)速度將達(dá)到25.19 m/s。

根據(jù)公式(1)計(jì)算可得,作用在防護(hù)網(wǎng)面上的力的平均值F=524 kN。由于整個(gè)防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)主要通過布設(shè)在各支撐繩和拉錨繩上的減壓環(huán)啟動(dòng)收縮變形吸收能量,通過大量減壓環(huán)動(dòng)力性能試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)出減壓環(huán)啟動(dòng)過程中力的平均值約等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.55,故最大力Fmax=953 kN。取最大力作為作用在防護(hù)網(wǎng)上的力約95 t,上下支撐繩均按2/3大小的力考慮,上下支撐繩受力均為63 t,上下支撐繩均按雙繩設(shè)計(jì),則單繩拉力為31.5 t,通過空間力系計(jì)算上拉繩中間位置受力大小為16.8 t,側(cè)邊受力大小為10 t,垂直于基座安裝面受力大小為20 t,沿基座安裝面向下受力大小為16.8 t。

固定混凝土擋墻地基位置,對上拉錨繩中間固定位置施加1×168 kN的載荷(共計(jì)4處),對側(cè)邊上拉繩固定位置施加1×100 kN的載荷(共計(jì)4處),對上支撐繩固定位置施加1×315 kN的載荷(共計(jì)2處),對下支撐繩固定位置施加1×315 kN的載荷(共計(jì)2處),對側(cè)拉錨繩固定位置施加1×80 kN的載荷(共計(jì)2處),對基座固定位置施加垂直于基座安裝板1×200 kN的載荷(共計(jì)4處),并向下施加1×168 kN的載荷(共計(jì)4處)。材質(zhì)選擇鋼筋混凝土,對混凝土擋墻試驗(yàn)平臺(tái)模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理,然后對平臺(tái)模型進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力分析結(jié)果如圖13所示,變形量分析結(jié)果如圖14所示。

結(jié)果顯示:模型應(yīng)力整體較小,最大應(yīng)力在根部基礎(chǔ)位置。模型最大變形位置為頂部上拉繩固定位置,變形量為6.89 mm。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ能級(jí)試驗(yàn)受力分析

同樣的2000 kJ被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)容許緩沖距離為10 m,此處按5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經(jīng)計(jì)算要達(dá)到2000 kJ的能級(jí),需將6.31 t的落石從距離網(wǎng)面32.6 m的高空由靜止釋放,此時(shí)落石的觸網(wǎng)速度將達(dá)到25.19 m/s。

鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)各受力點(diǎn)位置、受力大小和方向與混凝土擋墻試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ能級(jí)試驗(yàn)時(shí)一致。有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖15所示,變形量分析結(jié)果如圖16所示。

圖15 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ理論應(yīng)力分析

圖16 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ理論變形量分析

結(jié)果顯示:模型整體應(yīng)力較小,最大應(yīng)力仍然位于側(cè)拉繩固定位置處約75 MPa。模型最大變形位置仍為中間頂部上拉繩固定位置,變形量為4.15 mm。該變形量小于混凝土擋墻試驗(yàn)平臺(tái)模型在同能級(jí)試驗(yàn)時(shí)的最大變形量。

4 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)理論受力模型與實(shí)測受力情況的比較

在鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行2000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn),并記錄各繩受力情況。各部件受力情況如圖17所示,由圖中力-時(shí)間曲線可以看出,各部件受力發(fā)生在約0.5 s的極短時(shí)間內(nèi),且力值呈很多波峰狀,這是因?yàn)檫吰氯嵝苑雷o(hù)網(wǎng)系統(tǒng)上各減壓環(huán)等消能件啟動(dòng)進(jìn)行能量吸收的結(jié)果,避免了防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)瞬間承受較大的沖擊力而產(chǎn)生破損失效情況發(fā)生[15]。圖中上支撐繩單繩拉力為18.87 t,上支撐繩均為雙繩設(shè)計(jì),則上支撐繩總共受力大小為37.7 t,下支撐繩單繩拉力為11.96 t,下支撐繩也為雙繩設(shè)計(jì),則下支撐繩總共受力大小為23.9 t,上拉繩中間位置受力大小為10.43 t,側(cè)邊受力大小為8.12 t?；颁撝窗惭b測力傳感器故無數(shù)據(jù),該處按理論模型受力賦值。有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖18所示,變形量分析結(jié)果如圖19所示。結(jié)果顯示:按實(shí)測受力作為邊界條件進(jìn)行有限元分析,模型整體應(yīng)力仍然較小,最大應(yīng)力仍然位于側(cè)拉繩固定位置處約60 MPa,略小于理論受理模型的最大應(yīng)力75 MPa。最大變形位置同樣為中間頂部上拉繩固定位置,最大變形量為3.53 mm,略小于理論受力模型最大變形量4.15 mm。

圖17 2000kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)時(shí)各部件受力情況

圖18 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000 kJ實(shí)測受力時(shí)應(yīng)力分析

圖19 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)2000kJ實(shí)測受力時(shí)變形量分析

由2000 kJ能級(jí)邊坡防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)落石沖擊試驗(yàn)各部件實(shí)測受力與理論受力模型比較可知,落石沖擊試驗(yàn)時(shí)各部件實(shí)測受力小于理論模型受力。通過實(shí)測受力作為邊界條件模擬計(jì)算出的鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)最大應(yīng)力和最大變形量均略小于理論模型最大應(yīng)力和最大變形量,且位置也基本相符。說明本文進(jìn)行的理論模型分析符合實(shí)際情況,分析結(jié)果可信。

5 鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)對試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

5.1 對防護(hù)網(wǎng)緩沖距離的影響

通過有限元分析,結(jié)果顯示鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)在5000 kJ能級(jí)落石沖擊時(shí),按5 m緩沖距離的嚴(yán)苛條件分析,最大受力瞬間會(huì)產(chǎn)生12 mm的變形,5000 kJ能級(jí)的邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)容許緩沖距離為15 m,鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的變形只占緩沖距離的0.8 ‰。且實(shí)際試驗(yàn)過程中試驗(yàn)平臺(tái)不會(huì)持續(xù)受力,故其影響幾乎可以忽略不計(jì)。

5.2 對防護(hù)網(wǎng)吸能特性的影響

鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)在落石沖擊試驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生微小變形,但這種變形均在鋼結(jié)構(gòu)的彈性變形范圍內(nèi),且發(fā)生時(shí)間僅在0.5 s左右,幾乎不會(huì)消耗能量,所以鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)對柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)的能量吸收性能產(chǎn)生影響可忽略不計(jì)。

5.3 對防護(hù)網(wǎng)抗沖擊性能的影響

在鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)受力最大的5000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)中,鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)最大變形量不超過12 mm,相比于邊坡柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)片、拉繩、支撐繩和減壓環(huán)等能量吸收裝置累計(jì)幾米到十幾米的變形量,鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)自身彈性變形瞬間吸收再瞬間釋放的一小部分能量,對沖擊能量峰值的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)雖然設(shè)計(jì)和建設(shè)成本較高,但其卓越的性能使其成為首選。它具有極強(qiáng)的抗沖擊能力,可承受反復(fù)沖擊試驗(yàn)而不產(chǎn)生裂紋、崩落等現(xiàn)象,抗震性能優(yōu)異,不存在瞬間坍塌風(fēng)險(xiǎn),保障試驗(yàn)人員和設(shè)備的安全。

本文在受力分析時(shí),將理論沖擊緩沖距離設(shè)定為5米嚴(yán)苛條件,增大試驗(yàn)平臺(tái)的理論受力,并考慮了受力不均性。經(jīng)過計(jì)算,該平臺(tái)具有2.6倍的安全系數(shù),強(qiáng)度和剛度高,完全滿足5000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)的要求。

通過2000 kJ能級(jí)落石沖擊試驗(yàn)有限元分析得知,鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)最大變形量小于混凝土擋墻試驗(yàn)平臺(tái)相同能級(jí)試驗(yàn)的最大變形量。實(shí)測受力與理論模型比較表明,鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)各部件實(shí)測受力小于理論模型受力。模擬計(jì)算得出的最大應(yīng)力和變形量略小于理論模型,且位置基本相符。這說明本文進(jìn)行的理論模型分析符合實(shí)際情況,可信可靠。

采用鋼結(jié)構(gòu)為主體的柔性防護(hù)網(wǎng)落石沖擊試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)不僅具備優(yōu)良的力學(xué)特性和穩(wěn)定性,而且易于控制質(zhì)量、建設(shè)周期短、環(huán)保安全、易于維護(hù)、使用壽命長等優(yōu)勢,不會(huì)影響落石沖擊試驗(yàn)的緩沖距離、吸能特性和抗沖擊性能,是一種優(yōu)秀的新型試驗(yàn)平臺(tái)。